Onderzoeksgroep

Duurzame Energie- en Lucht- en Watertechnologie (DuEL)

Expertise

Het onderzoek van Prof. Dr. Perreault richt zich op drie peilers: i) de reductie van CO2-uitstoot (zowel via solvent- als via sorbentmethoden), ii) het gebruik van CO2 in een circulaire economie (katalytische gasificatie van afvalplastics en herwinning van monomeren uit industrieel afgekeurde plastics) en iii) de eliminatie van CO2-uitstoot via de elektrificatie van industriële processen (bv. microgolf gebaseerde herwinning van calciumhoudende solventen). De fundamentele concepten van procesintensificatie vormen hierbij een leidraad voor het ontwerp van nieuwe reactoren. Bovendien wordt een sterke nadruk gelegd op energie (door het gebruik van centrifugale krachten, microgolven en niet-thermische plasma’s), functionaliteit (gebruik van multifunctionele reactoren) en tijdsduur (gedwongen pulsaties en/of oscillaties, kortecontacttijdreactoren, enz.). Momenteel past Prof. Perreault de principes van procesintensificatie toe op het ontwerp van innovatieve reactoren voor de vrijzetting van waterstof uit chemische dragers zoals vloeibare organische waterstofdragers (Liquid Organic Hydrogen Carriers of LOHC). Prof. Dr. Perreault zal starten met het onderzoek naar de ontwikkeling en de opschaling van reactoren om zo geoptimaliseerde reactorconfiguraties voor zowel heterogeen katalytische als niet-katalytische reacties te ontwerpen. De voorgestelde methodologie omvat de combinatie van simulaties; multiparameter-, vorm- en topologieoptimalisatie voor turbulente reactiemengsels en de bouw van experimentele prototypes. Deze aanpak zal opkomende technologieën van Vlaamse universiteiten en bedrijven vooruit helpen om te voorkomen dat ze verdwijnen in de zogenaamde “Valley of Death”. Zo worden voorname stappen gezet richting het finale doel: de commerciële toepassing. Het onderzoek zal zich voornamelijk focussen op reactoren met TRL (Technology Readiness Levels) tussen 4 en 7. Prof. Perreault is ook betrokken bij de pre-incubator van de Universiteit Antwerpen, Blue App, als expert in de ontwikkeling van prototypes.

Ontwerp van een multi-fase chemische geëlectrificeerd reactor voor het vrijzetten van waterstof. 01/11/2021 - 31/10/2025

Abstract

De belangrijkste belemmering voor de commerciële inzet van vloeibare organische waterstofdragers (LOHC) is de aanzienlijke warmtebehoefte bij hoge temperatuur voor het vrijkomen van H2. In dit project omzeilen we dit probleem door een duurzame LOHC-dehydrogeneringsstap bij lage (H2 partiële) druk/lage temperatuur te ontwerpen met behulp van reactieve destillatie (RD) in volledige warmte-integratie met industriële restwarmtestromen.

Onderzoeker(s)

Onderzoeksgroep(en)

Super bioversnelde minerale verwering: a nieuwe klimaatrisico-hedging reactortechnologie (BAM) 01/09/2021 - 31/08/2025

Abstract

Conventionele klimaatmitigatie alleen zal niet in staat zijn de atmosferische CO2-concentraties te stabiliseren op een niveau dat compatibel is met de opwarmingslimiet van 2°C van het Akkoord van Parijs. Veilige en schaalbare negatieve-emissietechnologieën (NET's), die actief CO2 uit de atmosfeer verwijderen en koolstof (C) op lange termijn vastleggen, zullen nodig zijn. Snelle vooruitgang bij de ontwikkeling van NET's is nodig, om deze technologieen op grote schaal te kunnen inzetten en de overschrijding van omslagpunten in het aardse systeem te kunnen voorkomen. Toch zijn er nog geen NET's klaar om op een duurzame, energie-efficiënte en kosteneffectieve manier grote hoeveelheden CO2 uit de atmosfeer te halen . BAM! ontwikkelt 'super bio-versnelde mineraalverwering' als een radicale, innovatieve oplossing voor de NET-uitdaging. Hoewel versnelde silicaatverwering (ESW) eerder naar voren werd geschoven als een potentiële NET, is de huidige onderzoeksfocus op 1/ ex natura carbonatatie of 2/ langzame in natura ESW, gelimiteerd in zijn mogelijkheden. BAM! concentreert zich op een ongeëvenaarde reactortoepassing om de biotische verweringsstimulatie te maximaliseren met een lage input van hulpbronnen, en de implementatie van een geautomatiseerd, snel lerend proces dat het mogelijk maakt kritische doorbraken op het gebied van verweringsgraad snel aan te nemen en te verbeteren. De ambitie is om een NET te ontwikkelen dat kan ingezet worden tegen klimaatrisico's op de korte termijn (binnen 10-20 jaar). BAM! bouwt voort op de natuurlijke processen die hebben geleid tot sterke veranderingen in natuurlijke silicaatverwering en verankert deze in een nieuwe reactortechnologie. Het ambitieuze doel is de ontwikkeling van een onmisbare oplossing voor klimaatmitigatie.

Onderzoeker(s)

Onderzoeksgroep(en)

Artificiële chathraten voor veilige opslag, transport en vrijstelling van waterstof II (ARCLATH II) 01/07/2021 - 31/12/2023

Abstract

Het ARCLATH-2 project heeft als doel een antwoord te bieden aan bestaande nadelen inzake veilig transport en opslag van waterstof via het ontwikkelen van een nieuwe concept gebaseerd op clathraten. Na vooronderzoek tijdens het ARCLATH-1 project is bewezen dat dit concept werkt en dat waterstof inderdaad kan opgeslagen worden in clathraten bij technische en economische relevante condities, zoals druk en temperatuur. In dit ARCLATH-2 vervolgproject zal getracht worden de waterstof opslagcapaciteit te maximaliseren bij gelijkaardige druk en temperatuur condities. Tevens zal binnen dit project een praktisch proces ontwikkeld worden voor reversibele waterstofopslag en -afgifte gebaseerd op 'pressure swing cycling' technologie op laboschaal.

Onderzoeker(s)

Onderzoeksgroep(en)

InSusChem - Consortium voor Geïntegreerde Duurzame Chemie Antwerpen. 15/10/2020 - 31/12/2026

Abstract

Dit IOF consortium verbindt chemisten, ingenieurs, economisten en milieu-wetenschappers in een geïntegreerd team om maximale impact te genereren in de duurzame sleuteltechnologieën, materialen en reactoren, die een cruciale rol spelen in een duurzame chemische industrie en in de economische transitie naar een circulaire, grondstofefficiënte en koolstofneutrale economie (deel van de 2030 en 2050 doelen waarin Europa een leidende rol wil spelen). Innovatieve materialen, hernieuwbare chemische grondstoffen, nieuwe/alternatieve reactoren, technologieën en productie methoden zijn essentiële en centrale elementen om dit doel te bereiken. Door hun onderlinge verstrengeling is een multidisciplinaire, gecoördineerde inspanning als team cruciaal om succesvol te kunnen zijn. Bovendien is vroegtijdige voorspelling en identificatie van sterktes, opportuniteiten, zwakten en bedreigingen in levenscyclusanalyse, techno-economische analyse en duurzaamheidsbeoordeling een objectieve en noodzakelijke sleutel om duurzaamheid in te bouwen tijdens de design fase en om effectieve kennis-gedreven beslissingen te nemen en focus te houden op de grootste bijdragen aan duurzaamheid. Het consortium focust op duurzame chemische productie door efficiënt en alternatief energiegebruik, gekoppeld aan circulariteit, nieuwe chemische reactiepaden, technologieën, reactoren en materialen, die toelaten om alternatieve grondstoffen en energie te gebruiken. De kern van technologische expertise wordt ondersteund door expertise in simulaties, techno-economische en milieu impact beoordelingen en onzekerheidsidentificatie om de technologische ontwikkeling te versnellen via kennis gedreven design en vroeg stadige identificatie van sleutel onderzoek nodig voor een versnelde groei en maximale impact op duurzaamheid. Om deze doelen te bereiken, zijn de consortiumleden gegroepeerd over 4 samenhangende valorisatie programma's gefocust op sleutelelementen die de performantie bepalen en de chemische industrie en technologie hun meerwaarde geven en verder doen groeien: 1) hernieuwbare grondstoffen, 2) duurzame materialen en materialen voor duurzame processen, 3) duurzame processen die efficiënt gebruik maken van alternatieve hernieuwbare energie en/of circulaire chemische bouwstenen gebruiken; 4) innovatieve reactoren voor duurzame processen. Daarenboven zijn transversale sleutelexpertises geïntegreerd, die essentiële ondersteuning bieden en data gebaseerde beslissingen mogelijk maken in de 4 valorisatie programma's door simulaties, techno-economische en milieu-impact beoordelingen en onzekerheidsanalyses.

Onderzoeker(s)

Onderzoeksgroep(en)

Stromingsleer-geassisteerd ontwerp van een multi-fase chemische reactor voor het vrijzetten van waterstof. 01/05/2020 - 30/04/2024

Abstract

Dit doctoraatsonderzoek richt zich op het ontwikkelen, optimaliseren en simuleren (via numerieke stromingsleer of computational fluid dynamics, CFD) en het testen van Multi fase chemische reactors voor de geïntensifieerde vrijzetting van waterstof uit vloeibare organische waterstof dragers (liquid organic hydrogen carriers, LOHC). Het ultieme doel van is het gebruik van deze technologie voor scheepsmotoren aangedreven door waterstof. De reactor zal ontwikkeld worden aangepast aan de noden van de dehydrogenatie van LOHC, d.i. een traag endotherm heterogeen katalytisch proces, waarbij grote volumes gas worden vrijgezet. De chemische reactie vereist specifiek: i) een nauw contact tussen de vloeistof en de katalysator, ii) een efficiënte en snelle verwijdering van de waterstof, zonder LOHC mee te nemen, iii) een efficiënte overdracht van warmte om de endotherme reactie aan te drijven zonder te veel thermische stress op de vloeistof te zetten, iv) een korte contacttijd tussen de katalysator en de LOHC, v) de mogelijkheid om hoge stroomsnelheden van LOHC om tegemoet te komen aan de trage dehydrogenatiekinetiek van de LOHC en ten slotte, vi) een compensatie voor het effect van de bewegingen van een varend schip in de gas- vloeistofinterfase. Het ontwerpen van dit ideale toestel staat garant voor een aanzienlijke uitdaging en de perfecte reactor voor deze taak bestaat nog niet. Daarom wordt er gekeken om de geometrie aan te passen, zodat de elementaire stappen van een globale chemische die leiden tot het gewenste eindproduct, worden gepromoot. Als deel van dit onderzoek, zullen de bouwblokken worden neergelegd voor de procedure om geautomatiseerde reactors te ontwikkelen: De optimalisatie van de reactor geometrie zal worden uitgevoerd, gebruik makend van een ingeperkte vorm optimalisatie strategie, vanuit een initieel geparameteriseerde geometrie. De inperkingen van de optimalisatieprocedure zijn de massa, energie en impuls balansen, die numeriek geëvalueerd worden gebruik makend van CFD met de open source code OpenFoam. Een initieel geparameteriseerde geometrie (dus een chemische reactor configuratie om uit te itereren) is nodig. De doctoraatstudent zal eerst de mogelijke reactor configuraties bekijken uit te literatuur, maar de promotor stelt ab initio een veralgemening voor van een gasfase – vaste stof vortex reactor (GVVR) voor. Voor de gebruikte toepassing wordt dit dan een gas – vloeistoffase – vaste stof vortex reactor (GVVVR). Dit type van centrifugale reactor combineert verschillende interessante eigenschappen. Op voldoende hoge omwentelingssnelheid is er geen effect meer van zwaartekracht. De aanwezigheid van een lagedruk zone langs de centrale as laat het toe om een geprefereerde gas uitstroom te hebben. De GVVR is ook een centrifugaal apparaat, dit combineert dus de reactie- en scheidingsfuncties. De parameters die dienen geoptimaliseerd te worden voor deze reactor configuratie zijn het aantal openingen, hun relatieve plaatsing, de hoogte van het apparaat, de diameter van de reactiekamer, de positie en diameter van zowel het instroom- als het uitstroomkanaal van de LOHC. CFD kan nog steeds niet bestaan zonder experimentele validatie, zeker niet in de context van het simuleren van turbulente reactieve stromingen die gebruik maken van het tweestromenmodel (Euleriaanse – Euleriaans benadering). Een setup voor experimentele validatie en demonstratie zal worden gebouwd. De techniek van Particle Image Velocimetry zal worden toegepast om zowel de vloeistofstroom (de vloeistoffase wordt dan gevoed met tracerdeeljes) als het katalysator bed te valideren. Door het interdisciplinaire karakter van het voorgestelde onderzoek, moet de student beschikken over een aanzienlijke kennis in verschillende complementaire onderzoeksvelden – het chemische (chemie en katalyse), het ingenieur technische (CFD), het programmeervaardige (C++®, Python®, CFD) aspect moet beheerst worden op zowel een theoretisch, computationeel als experimenteel vlak.

Onderzoeker(s)

Onderzoeksgroep(en)

Geëlektrificeerde chemische reactor voor snelle vrijzetting van waterstof uit vloeibare organische waterstof dragers (LOHC) voor een generator set. 01/05/2020 - 31/03/2022

Abstract

De haven van Antwerpen is een van de grootste havens van de wereld en heeft zichzelf opgeworpen als een pionier in de Europese waterstofeconomie. Voor het uitrollen van een waterstofeconomie is efficiente opslag van waterstof cruciaal, huidige systemen van waterstof opslag zijn gebaseerd op het gebruiken van druktanks (200 tot 700 bar) of het gebruik van vloeibare waterstof (-253 °C). Deze vormen van opslag kunnen tot 30 % van de totale energie opgeslagen in waterstof gebruiken. Een alternatief voor dit systeem is het gebruik van LOHC's (Eng. Liquid Organic Hydrogen Carriers), dit zijn stoffen die waterstof kunnen opslaan tot 7 wt.% waterstof en eenvoudig te transporten en op te slagen zijn in huidige installaties van fossiele brandstoffen. Het moeilijkste aspect van het gebruik van LOHC's is efficiente vrijzetting van de waterstof en op dit vlak is er nog veel vooruitgang te boeken. Met het gebruik van de principes van procesintesificatie wordt er gekeken naar de beste methoden het de problemen rond de vrijzetting van waterstof aan te pakken. In dit project wordt er gekeken naar het gebruik van een centrifugale waterstof reactor. Om de reactor aan te drijven wordt er gekeken naar elektriciteit.

Onderzoeker(s)

Onderzoeksgroep(en)

SILEXOIL (Silica adsorptive in combinatie met vloeistof Extractie voor het verwijderen van oxygenates/nitrogenates uit polyolefine pyrolyse olie/oil). 01/01/2020 - 31/12/2021

Abstract

Op basis van recent ontwikkelde "fysische scheidingstechnieken" wordt een proces ontwikkeld dat toelaat om het gehalte aan heteroatoom bevattende moleculen in pyrolyse olie te reduceren en geschikt te maken voor valorisatie. De methode kan een substituut zijn voor hydrotreatment.

Onderzoeker(s)

Onderzoeksgroep(en)

  • Intelligentie in processen, geavanceerde katalysatoren en solventen (iPRACS)

Synthetische clathraten voor veilige opslag, transport en afgifte van waterstof (ARCLATH). 01/01/2020 - 30/06/2021

Abstract

In dit project wordt een proof-of-concept geleverd voor de opslag van waterstof in clathraten, een schatting gemaakt van het toepassingspotentieel en een interdisciplinair onderzoeksconsortium voor clathraatonderzoek opgericht. De haalbaarheid van waterstofopslag in clathraathydraten zal bestudeerd worden in technisch en economisch relevante omstandigheden van temperatuur en druk. De centrale onderzoekshypothese is om waterstofclathraten te stabiliseren en hun vorming zodanig te katalyseren dat een nieuwe technologie voor waterstofopslag kan ontwikkeld worden. De concrete doelstelling is om 5 wt% en 30 g/l opslagcapaciteit bij temperaturen boven 2C en een druk lager dan 100 bar te bereiken.

Onderzoeker(s)

Onderzoeksgroep(en)