Een luchtwasser en plasmareactor tegen de stikstofcrisis

Wat als … veetelers hun eigen kunstmest konden maken, op basis van ammoniakgas waar ze dringend vanaf moeten, met een installatie die draait op hernieuwbare energie en lucht? De KU Leuven en de UAntwerpen sleutelen eraan in een uniek onderzoeksproject. “Ons concept werkt. Dat is aangetoond in laboproeven. Het komt er nu op aan het te optimaliseren.”

Rijen en rijen tractors van landbouwers die protesteren tegen steeds strengere stikstofnormen: het is stilaan een vertrouwd beeld, zeker in Nederland. Maar als het van de KU Leuven en de Universiteit Antwerpen afhangt, staan diezelfde landbouwers over enkele jaren in de rij om dé oplossing voor hun emissieprobleem aan te schaffen. Samen werken de universiteiten namelijk aan een innovatieve luchtwasser die ammoniakgassen, uitgestoten door stalvee, omzet in hoogwaardige kunstmest.

Ammoniakuitstoot

“Eerst even duidelijk kaderen waarover we het hebben”, zegt professor Johan Martens van de KU Leuven. Hij staat als katalyse-expert (het proces waarbij een chemische reactie sneller of schoner verloopt dankzij een hulpstof, red.) in voor een deel van de ontwikkeling van de luchtwasser. “Veevoeder voor bijvoorbeeld varkens, kippen en koeien zit vol met eiwitten. Die worden tijdens de vertering omgezet in ammoniak, die dan in de urine van de dieren terechtkomt, in mest en in gassen.”

“Vooral de gasvormige uitstoot is een probleem. Die verspreidt zich via de lucht, waardoor de ammoniak – in feite een meststof – neerdaalt in gebieden waar hij niet thuishoort. Denk aan natuurgebieden: daar zorgt ongewenste bemesting door ammoniak ervoor dat zeldzame planten die groeien op mestarme of ‘schrale’ gronden verdwijnen. En daarmee ook de dieren die van die planten leven. Zo ontstaat een weinig biodivers ecosysteem, overwoekerd door bramen en brandnetels.”

Het probleem voor de landbouw is dus de ammoniakuitstoot. Waarom spreekt iedereen dan over een ‘stikstofcrisis’? “Daarvoor geef ik even een korte les scheikunde”, lacht professor Martens. “Ammoniak is een verbinding van stikstof- en waterstofatomen. Niet het stikstof op zich is dus de boosdoener. Maar in de industrie en de transportsector heb je ook zoiets als de schadelijke uitstoot van stikstofoxiden of NO_X. Stikstof wordt gezien als gemeenschappelijk in beide crises – vandaar wellicht de benaming.”

Ventilatielucht zuiveren

De uitstoot van ammoniak in de landbouw is streng gereglementeerd door onder andere Europese normen. Die leiden vooral in Vlaanderen en in Nederland tot hoofdbrekens. Dat komt omdat wij en onze noorderburen intensief aan veeteelt doen, met stallen die vaak dicht bij natuurgebied liggen. Landbouwers zijn verplicht om hun stallen te ventileren en ventilatielucht waarin zich ammoniakgas bevindt, te zuiveren met een luchtwasser. Dat kan via een bestaande techniek.

Alleen: die techniek kampt met een aantal problemen. Dat vertelt professor Annemie Bogaerts van de UAntwerpen, die als plasmaspecialiste ook betrokken is bij het onderzoeksproject. “De huidige generatie luchtwassers werkt met zwavelzuur, een bijtend zuur dat landbouwers moeten aankopen. Het ‘vangt’ als het ware de ammoniak, die basisch is, en lost die op in grote volumes water. Zo ontstaat ammoniumsulfaat, dat moet worden opgeslagen in grote tanks. Uitgereden op het land heeft deze oplossing amper bemestingswaarde. Voor boeren is dit een slechte businesscase.”

“De nieuwe luchtwasser die wij ontwikkelen, heeft dat probleem niet. Hij zal werken met salpeterzuur in plaats van zwavelzuur. Als dat eerste reageert met ammoniakgas krijg je ammoniumnitraat: een waardevolle meststof die de boer dus zelf zou produceren met zijn ventilatielucht. Hij kan die bovendien opslaan in kleinere tanks, want bij het proces komt minder water kijken. Dat is mooi, maar voor mij persoonlijk schuilt het écht innovatieve karakter van onze wasser in iets anders.” (lacht)

“De huidige generatie luchtwassers produceert ammoniumsulfaat: een oplossing met een lage bemestingswaarde”

Annemie Bogaerts (UAntwerpen)

‘Bliksem in een buis’

Bijzonder aan de luchtwasser is dat hij wordt uitgerust met een plasmareactor, ontwikkeld door de PLASMANT-onderzoeksgroep van professor Bogaerts (zie kader onderaan, red.). “De reactor zal het benodigde salpeterzuur zelf aanmaken op basis van lucht”, legt ze uit. “Plasma is in feite een gas waar elektriciteit door wordt gejaagd. Zo maak je allerlei chemische reacties mogelijk die anders veel energie vergen. Het gas waar onze reactor elektriciteit aan zal toevoegen, is lucht. Die wordt daardoor omgezet in NO en NO₂: stikstofmonoxide en -dioxide. Opgelost in water vormen die salpeterzuur.”

Martens vult aan: “Om een idee te geven: het plasmaproces is een soort bliksem in een buis. Een belangrijk voordeel van dit proces is dat je het aan en uit kunt zetten met een druk op een knop. Dat maakt ons systeem compatibel met zonne- en windenergie, die niet altijd beschikbaar zijn. Daarnaast zullen landbouwers de wasser kunnen afstemmen op de hoeveelheid ammoniakgas in hun stallen. ’s Nachts zijn er bijvoorbeeld minder emissies dan overdag. En een stal vol jonge dieren, die nog niet zoveel eten, zorgt voor minder uitstoot dan een stal met volwassen vee.”

Ambitieuze timing

Het Leuvens-Antwerpse onderzoeksproject ging begin dit jaar van start. Met een ambitieuze timing, gezien de urgentie van de problematiek. “Het doel is om op twee jaar tijd te evolueren van zeer fundamenteel naar toegepast onderzoek”, zegt Martens. “De voorbije maanden hebben we ons elk apart over het fundamentele luik gebogen. We zijn met computersimulaties aan de slag gegaan om de wasser en de plasmareactor virtueel uit te testen, respectievelijk in Leuven en in Antwerpen. Beide systemen samenvoegen en uitproberen in een labosetting stond voor eind dit jaar op de planning …”

“… maar hebben we in juni al kunnen doen”, pikt Bogaerts in. “We liggen voor op schema. Tijdens de labotest is aangetoond dat ons concept effectief werkt. Het komt er nu enkel op aan om het verder te optimaliseren. Na de zomer staat de eerste demonstratie van de luchtwasser op het programma. Die zal doorgaan in de TRANSfarm-testboerderij van de KU Leuven, waar landbouwers kunnen komen kijken. Zo blijven we ontwikkelingsstappen zetten, met als doel om begin 2024 een marktrijp concept voor te leggen. Dat kan dan door een bedrijf opgeschaald en gebouwd worden.”

Circulaire businesscase

De luchtwasser aansluiten op het ventilatiekanaal van een varkensstal is dus nog niet voor morgen. Maar eens het zover is, zullen landbouwers het hoogtechnologische systeem dan wel kunnen betalen? Professor Martens nuanceert: “Het ammoniakprobleem in de landbouw heeft vandaag een grote maatschappelijke kost. Kijk naar Nederland, waar de overheid honderden miljoenen euro’s investeert in het uitkopen van veeteeltbedrijven. Deze technologie biedt een alternatief voor die dure regeling.”

“Bovendien is ons systeem een circulaire businesscase. Van een problematische afvalstof, ammoniakgas, maak je je eigen waardevolle meststof: ammoniumnitraat. En dat onafhankelijk van de energieprijzen, want de luchtwasser kan draaien op je zonnepanelen. De investering kan met andere woorden zeker rendabel zijn. Nog een voordeel? De kunstmest ontstaat op een meer duurzame manier dan wanneer die industrieel geproduceerd wordt. De huidige wijze waarop chemiereuzen ammoniumnitraat maken, gaat immers gepaard met een enorme CO₂-uitstoot.”

“Onze nieuwe luchtwasser maakt van een afvalstof, ammoniakgas, een waardevolle meststof: ammoniumnitraat”

Johan Martens (KU Leuven)

Samenloop van omstandigheden

Plasmatechnologie koppelen aan een katalysesysteem dat wordt ingezet in de landbouw. Het klinkt als een innovatie die in de sterren geschreven stond. Toch is dit onderzoeksproject eerder toevallig ontstaan. “In het kader van een ander project bracht Johan een bezoek aan ons plasma-lab in Antwerpen”, vertelt Bogaerts. “Daar zag hij de plasmareactoren en raakten we aan de praat over de mogelijkheden ervan. Zo is dit idee gegroeid: uit een toevallige samenloop van omstandigheden.”

Martens: “Ik had bij wijze van spreken nog nooit van plasma gehoord. Het bewijst dat je als wetenschapper je ogen open moet houden, en soms buiten de lijntjes van je eigen onderzoeksveld moet kleuren. Zo komen antwoorden tot stand op vragen waar je misschien niet dagelijks mee bezig bent. Want wie had kunnen denken dat een plasmaspecialiste en een expert in katalyse samen zouden proberen om de stikstofcrisis in de landbouw op te lossen?” (lacht)

“Ook het FWO heeft hier best een belangrijke rol in gespeeld”, besluit Bogaerts. “Om ons project extra te financieren tekenden we in op een thematische oproep rond bio-economie, terwijl wat we doen daar niet zoveel mee te maken heeft. Toch is het beoordelingspanel zo open-minded geweest om ons financiering toe te kennen. Wellicht waren ze even enthousiast over dit onderzoek als wij!”

‘Grote problemen van vandaag oplossen’

De PLASMANT-onderzoeksgroep van de Universiteit Antwerpen, voluit ‘Plasma Lab for Applications in Sustainability and Medicine – ANTwerp’, is een autoriteit op het gebied van duurzame chemie in België. Via plasmatechnologie kunnen immers chemische reacties op gang komen die via klassieke conversiemethoden erg veel energie zouden kosten.

Professor Annemie Bogaerts, hoofd van de onderzoeksgroep, geeft een voorbeeld: “Een waardevolle toepassing van het plasmaproces – naast die in onze luchtwasser uiteraard – is de omzetting van CO₂ naar nieuwe chemicaliën. We weten dat dit technisch gezien kan. Wat we nu bestuderen, is hoe we dit proces zo efficiënt mogelijk kunnen maken.”

“CO₂-conversie is een toepassing waarmee we drie vliegen in één klap kunnen slaan. Er komt minder koolstofdioxide in de atmosfeer terecht, de productie van chemicaliën vergt geen fossiele brandstoffen én het hele proces zou kunnen draaien op hernieuwbare energie. Want een plasmareactor werkt met elektriciteit en kun je eenvoudig aan- en uitschakelen.”

Een tweede onderzoeksfocus van het Antwerpse lab is het inzetten van plasma bij de behandeling van kanker. Bogaerts: “Net als met nucleaire geneeskunde kun je met plasmageneeskunde gericht kankercellen gaan doden en gezonde cellen sparen. Deze toepassing zit nog grotendeels in een vroege onderzoeksfase, al lopen er ook enkele klinische studies. Het is naast de duurzame chemie een veelbelovende toepassing van plasma voor de grote problemen van vandaag.”