Oxymethyleen-ethers als oplossing voor de transportsector 2.0

Om de opwarming van de aarde onder 1.5°C te houden is het al langer geweten dat we drastische aanpassingen zullen moeten doorvoeren en dat op een korte termijn. De transportsector is verantwoordelijk voor ongeveer 25% van de totale uitstoot van broeikasgassen, waarvan het merendeel komt van het transport over de weg. Elektrisch aangedreven wagens maken momenteel hun intrede, maar met een wagenpark dat nog steeds voor meer dan 90% wordt aangedreven door motoren op fossiele brandstoffen zal het nog een tijd duren voor we significante effecten zullen waarnemen. Het toevoegen van een deel bio-ethanol en biodiesel aan fossiele brandstoffen heeft al geleid tot een reductie van de CO2 uitstoot, maar wat als we datzelfde wagenpark kunnen gebruiken met een duurzame synthetische brandstof? De win-win oplossing?

Een circulaire koolstofeconomie waarbij CO2 die wordt uitgestoten opnieuw gebruikt wordt voor de productie van nieuwe goederen is de ideale oplossing (zie figuur). In dat opzicht is er de laatste jaren veel interesse ontstaan in oxymethyleen-ethers. Dit zijn moleculen die gelijkaardige verbrandingseigenschappen als diesel hebben en via een chemisch proces geproduceerd kunnen worden startende van (hernieuwbare) elektriciteit, CO2 en CO. Alvorens oxymethyleen-ethers te kunnen inzetten op grote schaal als een vervanger voor diesel is het echter van het grootste belang dat de verbranding en ontbinding van deze componenten goed gekend is. In het bijzonder omdat deze oxymethyleen-ethers chemisch gezien toch anders wegreageren dan dieselmoleculen.

De verbranding en thermische afbraak van producten verloopt typisch via een complex netwerk van chemische reacties waarbij vrije radicalen een cruciale rol spelen. Een radicaal is een molecule of atoom dat door het hebben van een ongepaard elektron zeer reactief is en liefst door een chemische reactie zo snel mogelijk in een lagere energietoestand terechtkomt. Tijdens deze processen worden al snel honderden tot duizenden verschillende producten gevormd en daarbij behorend duizenden tot tienduizenden chemische reacties. Om deze reden is het gebruikelijk om radicalaire processen systematisch te onderzoeken m.b.v. computeralgoritmes (zogenaamde automatic kinetic model generation tools).

Tijdens mijn doctoraatsonderzoek wordt de radicalaire afbraakchemie van oxymethyleen-ethers in detail bestudeerd door een combinatie van experimenten en de ontwikkeling van kinetische modellen. Een dergelijk kinetisch model is een wiskundige vertaling van de chemie en verschaft een gedetailleerd inzicht in de moleculaire chemie waarmee we het productieproces en de uiteindelijke verbranding kunnen optimaliseren.

De ontwikkeling van een kinetisch model staat of valt met de beschikbaarheid van accurate thermodynamische en kinetische data. Om deze data te verkrijgen worden gecompliceerde kwantumchemische berekeningen uitgevoerd op de supercomputer van het Vlaams Supercomputer Centrum. Door het verwerken van de resultaten met behulp van statistische fysica kunnen we dan achterhalen of een chemische reactie kan doorgaan en, zo ja, met welke snelheid. Op die manier ontdekken we de belangrijke reacties tijdens verbranding en thermische ontbinding en kunnen we deze gedetailleerd beschrijven in het kinetisch model.

Om de correctheid van het kinetisch model aan te tonen is validatie a.d.h.v. experimentele data noodzakelijk. Indien de modelvoorspellingen in lijn liggen met de experimentele trends wordt aangenomen dat het model geschikt is. Verschillende soorten experimenten worden uitgevoerd waarvoor wordt samengewerkt met andere onderzoeksinstellingen van l’Université de Lille, l’Université de Lorraine en CNRS. Door goed gekozen experimenten uit te voeren onder verschillende reactieomstandigheden en verschillende types reactoren is het mogelijk om alle chemische aspecten, bv. lage- en hoge-temperatuur chemie, in het model uitgebreid te testen.