ERC Advanced Grant voor Hans Kuipers

Door de hevige concurrentie zijn ERC-subsidies moeilijk te krijgen, en dat geldt zeker voor een ERC Advanced Grant. Hoewel het aanvankelijke voorstel van Hans Kuipers aan alle ERC-excellence-criteria voldeed, werd zijn aanvankelijke subsidieaanvraag op een reservelijst voor definitieve toekenning geplaatst. Maar vlak voor het zomerreces was er dan toch goed nieuws voor Kuipers: het onderzoek is gehonoreerd met een ERC Advanced Grant, en het werk kan beginnen.

Voor Kuipers, hoogleraar chemische procestechnologie in de vakgroep Multi-Scale Modeling of Multiphase Flows van de faculteit Chemical Engineering and Chemistry, en verbonden aan het EIRES-instituut voor duurzaamheid, is het zijn tweede ERC Advanced Grant. "Ja, dat is vrij uniek gezien het lage slagingspercentage voor dergelijke subsidieaanvragen", zegt Kuipers. "De eerste ERC Advanced Grant kreeg ik meer dan 10 jaar geleden om te werken aan zogenaamde gas-fluidized bed-reactoren. Nu heb ik financiering gekregen om te werken aan reactoren met drie fasen, zogenaamde Slurry Bubble Columns Reactors (SCBR's)."

Dergelijke reactoren zijn de werkpaarden van de chemische procesindustrie, en Kuipers' groep doet er veel onderzoek naar. "Deze tweede subsidie is een duidelijke erkenning van het excellente onderzoek dat in onze groep wordt verricht", voegt Kuipers toe.

Wat is een meerfasereactor?

Kuipers' onderzoeksvoorstel is gericht op het ontwikkelen van geavanceerde modellen van katalytische driefasenreactoren. "In dergelijke reactoren treden drie fasen (gas, vloeistof en vaste stof) met elkaar in wisselwerking, terwijl er tegelijkertijd katalytische reacties plaatsvinden. Daarbij komt veel warmte vrij", legt Kuipers uit.

In een typische reactor is het de bedoeling dat de verschillende fasen zich met elkaar vermengen, waarbij ook de vaste fase (katalysatordeeltjes) een rol speelt. "Het unieke aspect van het project is om de interacties tussen de verschillende fasen te voorspellen terwijl katalytische reacties plaatsvinden. Hoewel hier internationaal enorm veel onderzoek naar wordt gedaan, zijn er maar een paar groepen actief in het modelleren van complexe katalytische reactoren op meerdere schalen. Het werk dat we in Eindhoven (en daarvoor in Twente) de afgelopen drie decennia hebben gedaan, betekent dat we in de voorhoede staan van de ontwikkelingen als het gaat om het maken en valideren van meerfasenmodellen."

Deze meerfasereactoren bestaan al en zijn actief in gebruik. De ontwikkeling van katalytische meerfasenreactoren kan echter omslachtig en tijdrovend zijn, en sommige reactoren hebben een enorme tankdiameter en hoogte die oploopt tot respectievelijk 15 en 60 meter.

Kuipers legt uit. "De enorme schaalgrootte betekent dat het van cruciaal belang is om betrouwbare ontwerp- en optimalisatieprocedures te hebben. In dit project willen we de state-of-the-art verbeteren door computermodellen te ontwikkelen die zijn gevalideerd met experimenten, wat kan leiden tot enorme besparingen op ontwikkelingstijd en -kosten, en tegelijkertijd de bouw van te grote reactoren vermijden die grondstoffen niet optimaal gebruiken."

Synthetische brandstoffen en de heilige graal

Potentiële besparingen zijn niet alleen interessant voor de chemische procesindustrie, maar ook voor andere industrieën die gebruik maken van deze reactoren. Dat geldt met name voor de grootschalige productie van synthetische brandstoffen, in zogeheten Fischer-Tropsch-reactoren, uit grondstoffen als waterstof (H₂) en koolmonoxide (CO).

"In het Fischer-Tropsch-proces kunnen schone synthetische brandstoffen worden geproduceerd die minder stikstof en zwavel bevatten. Dat is gunstig, want dan produceer je na verbranding veel minder giftige NO_x- en SO_x-verbindingen," aldus Kuipers.

Van modellen naar experimenten

In de eerste fase zullen Kuipers en zijn team numerieke modellen ontwikkelen, terwijl in de tweede fase van het project de experimenten aan de beurt zijn. Kuipers en zijn onderzoeksteam willen dan de numerieke modellen uit de eerste fase van het project valideren.

"Gelukkig hebben we in ons lab niet zo'n enorme reactor nodig. Dat is onbetaalbaar voor een universiteit, en ook niet nodig", zegt Kuipers. "In plaats daarvan bouwen we dus kleine reactoren met een doorsnede van 1 tot 30 cm. Dat is genoeg om de nauwkeurigheid van de numerieke modellen te valideren. Dat is de kern van het werk: eerst begrijpen en voorspellen wat er op kleine schaal gebeurt, en dan de voorspellingen uitbreiden naar productieschaal."

Het plan

Dankzij de nieuwe subsidie kan Kuipers zes promovendi aannemen in verschillende fases van het project. Kuipers: "Ons onderzoek bevindt zich op het snijvlak van drie verschillende disciplines: 40% transportverschijnselen en reactietechniek, 40% wiskunde en multischalige computationele modellering, en 20% chemie en katalyse."

Als alles volgens plan verloopt, beginnen de eerste promovendi op 1 januari 2023 aan het project, maar Kuipers wijst al snel op belangrijke problemen bij het werven van de beste jonge onderzoekers. "Het wordt in ons vakgebied steeds moeilijker om de juiste mensen te vinden. In de procestechnologie krijgen jonge mensen vaak al een baan aangeboden door werkgevers terwijl ze nog in de laatste fase van hun master zitten,” aldus Kuipers.

Ondanks de mogelijke problemen met de werving van de eerste onderzoekers voor het nieuwe project, is Kuipers zeer positief gestemd. "Ik heb goede hoop dat dit project een verschil zal maken bij de ontwikkeling van manieren om onze toekomstige schone brandstoffen te produceren. Bijdragen aan positieve verandering voor de wereld is meer dan ooit een belangrijke motivator voor zowel PhD-onderzoekers als begeleiders. Ik kan niet wachten om met het nieuwe team aan de slag te gaan!"

Voor meer informatie over het project kunt u contact opnemen met Prof. Hans Kuipers via j.a.m.kuipers@remove-this.tue.nl.

Andere recente ERC Advanced Grants

Naast Hans Kuipers hebben Carlijn Bouten en Maurice Heemels dit jaar ook een ERC Advanced Grants ontvangen. Bouten zal haar beurs gebruiken om te bestuderen hoe de organisatie van hartspierweefsel kan worden hersteld bij genezing van de hartspier na verwonding, terwijl Heemels nieuwe regeltechnische paradigma's zal bestuderen die de beperkingen van regelsystemen in toekomstige hightechsystemen moeten doorbreken. Meer over hun onderzoeksplannen is hier te lezen.