Best practice: Van methaan naar waterstof

Waterstof is een potentiële brandstof waarvan ongelimiteerde hoeveelheden beschikbaar zijn. Prof. dr. Geert-Jan Kroes, hoogleraar theoretische chemie aan de Universiteit Leiden, onderzoekt een cruciaal onderdeel in de productie: de dissociatie van methaan op metalen oppervlakken. Hij kreeg hiervoor 25 miljoen core-uren toegewezen op Cartesius.

Water op metalen plaat

Waarom is methaan interessant?

Geert-Jan Kroes doet onderzoek naar dissociatie van methaan op metalen oppervlakken. Wat houdt dat precies in? “Methaan is een molecuul met vijf atomen”, legt Kroes uit. “Er zijn verschillende redenen waarom methaan interessant is. Het zit in aardgas, het is een broeikasgas en je kunt het gebruiken om waterstof te maken. De commerciële manier om waterstof te maken is met steam reforming. Je laat dan methaan met water reageren over een nikkel katalysator; bij die reactie komt waterstof vrij. De snelheid bij die reactie wordt bepaald door de reactie waarbij het methaan op het metaaloppervlak uiteenvalt in een CH3-groep en een H-atoom. In ons onderzoek proberen we die reactie zo goed mogelijk te modelleren met verschillende metaaloppervlakken.”

“We moeten de interactie tussen het metaaloppervlak en het molecuul goed beschrijven om nauwkeurige resultaten te krijgen”

Chemische nauwkeurigheid

Het onderzoek vergt een substantieel deel van de jaarcapaciteit van Cartesius. Wat maakt het rekenen zo complex? “We moeten de interactie tussen het metaaloppervlak en het molecuul goed beschrijven om nauwkeurige resultaten te krijgen”, zegt Kroes. “Een metaaloppervlak heeft veel gedelokaliseerde elektronen. We moeten een groot systeem modelleren om de krachten te berekenen die het oppervlak uitoefent op het molecuul. Daarvoor gebruikt men de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT), die efficiënt is qua rekentijd, maar niet erg nauwkeurig. Wij willen in onze berekeningen werken met zogenoemde chemische nauwkeurigheid, dat is een foutmarge van maximaal 1 kilocalorie per mol. Maar met de DFT komen we niet verder dan 4 à 5 kcal/mol. Daarom werken wij semi-empirisch, we nemen een dichtheidsfunctionaal met een aanpasbare parameter. We moeten dan berekeningen doen waarmee we proberen die parameter te fitten aan experimenten.” Een ander probleem is dat je bij dit type reactie werkt met een molecuul dat qua massa in de buurt komt van de oppervlakteatomen, aldus Kroes: “Dat betekent dat het molecuul energie kan overdragen als het met het oppervlak botst. We moeten daarom een methode gebruiken waarin we de krachten die op het molecuul werken, uitrekenen terwijl we de bewegingsvergelijking oplossen. Je moet de krachten dus voor elke tijdstap afzonderlijk uitrekenen.”

"Cartesius is met een plek in de top-50 zeker geen slechte machine. Maar elke rekenaar zal zeggen: die machine moet veel groter."

Cartesius

Wat vindt Kroes van Cartesius? “Dat is een beetje een schot voor open doel. Cartesius is met een plek in de top-50 zeker geen slechte machine. Maar elke rekenaar zal zeggen: die machine moet veel groter. Het zou fantastisch zijn als Nederland een Tier-0-machine zou hebben, net als Italië. Dat is wel een groter land, maar aan de andere kant hebben wij een economie die het beter doet."