Materials solutions

Thema:
Flexibele en vrije-vorm producten

Materials solutions is expert in de ontwikkeling van innovatieve nanomaterialen, nanogestructureerde coatings en polymere nanocomposieten. Deze materialen zijn een uitkomst bij supersnel industrieel 3D-printen, warmte opslaan in moleculen, het opsporen van vluchtige organische stoffen en nog veel meer. Binnen materials solutions vallen 4 expertises: materiaalonderzoek voor geo energy, chemical sensing, photons-to-chemicals en thermochemische materialen.

De expertisegroep ontwikkelt innovatieve materialen met geavanceerde functionele eigenschappen. Deze zijn voor een specifieke toepassing geschikt gemaakt door ontwikkeling van de juiste chemische samenstelling en het ontwerp van nano- en/of microstructuren. Een zeer belangrijk onderdeel van de werkzaamheden is een technisch efficiënte en kosteneffectieve productie op industriële schaal.

Bij de ontwikkeling van geavanceerde materiaaleigenschappen combineert de expertisegroep verschillende disciplines: colloïdchemie, nat-chemische coatings en polymere materialen, modellering van materialen en heterogene katalyse.

Toepassingsgebieden van Materials Solutions

De expertisegroep concentreert zich op dit moment op de ontwikkeling van innovatieve materialen voor:

  • het verbeteren van de veiligheid en/of doelmatigheid van geothermische energie (markttoepassingen: energie, milieu)
  • het detecteren van chemische stoffen (markttoepassingen: energie, gezondheidszorg, milieu, defensie en veiligheid)
  • de synthese van chemicaliën en brandstoffen door zonlicht (markttoepassingen: duurzame chemische industrie)
  • de opslag van warmte in chemische verbindingen (markttoepassingen: bouw en infrastructuur, energie)
  • de regeling van de energieflux door gebouwschillen (markttoepassingen: duurzame chemische industrie, bouw en infrastructuur)
  • het versnellen van industriële 3D-printproductietechnieken (markttoepassingen: flexibele vrije vorm producten, industrie)
  • het verbeteren van de prestaties en recycleerbaarheid van thermoplastische composieten (markttoepassingen: duurzame chemische industrie, auto-industrie)

De warmtebatterij voor in huis

Een mooi voorbeeld van het werk van de expertisegroep Materials Solutions is de warmtebatterij. Samen met de Technische Universiteit Eindhoven ontwikkelden we de eerste echte warmtebatterij voor in huis: compact, verliesvrij, stabiel en betaalbaar.

Materiaalonderzoek voor Geo Energy

Voor Geo Energy doen we materiaalonderzoek op het gebied van ontmanteling en hergebruik, aanslag en afzettingen, geothermische energie en verbeterde oliewinning. De grootste uitdagingen hierbij zijn de zware omstandigheden in de ondergrond. Denk aan temperatuur, druk en chemische condities. Materiaalonderzoek voor Geo Energy richt zich op 4 onderdelen.

Ontmanteling en hergebruik

Natuurlijke afdichting

Oliebronnen dichten we af met cement. Maar krimp tijdens uitharden en trage afbraakprocessen bieden geen stabiliteit op de lange termijn. Daarom ontwikkelen we alternatieve materialen die afgedankte oliebronnen permanent dichten. We werken hiervoor samen met het bedrijfsleven en regelgevende instanties. We onderzoeken bijvoorbeeld de mogelijkheden met natuurlijke afdichtingsmaterialen. Denk aan speciale samenstellingen van klei en zout.

Duurzaamheid

Langetermijnstabiliteit is erg belangrijk voor zowel afdichtingsmaterialen als materialen die in de bron achterblijven na ontmanteling. Daarom onderzoeken we het gedrag van deze materialen op de lange termijn. Ook voeren we tests uit die de mate van stabiliteit op de lange termijn voorspellen.

Depositie

Door wisselingen in temperatuur en druk of combinaties van verschillende vloeistofstromen kunnen bepaalde componenten onoplosbaar worden en neerslaan op een wand van een installatie of in de poriën van een reservoir. We bestuderen de fenomenen van afzettingen op oppervlakken en werken aan de ontwikkeling van economisch haalbare methoden om dit probleem te beperken.

Geothermische energie

Energie winnen uit geothermische bronnen is volop in ontwikkeling. Veel van de daarbij gebruikte technologie is gekopieerd uit de olie- en gasindustrie. Maar de gebruikte energiebronnen vertonen onderling grote verschillen. Zo liggen voor bronnen met hoge enthalpie de temperaturen veel hoger dan die van olie- en gasvelden. Wij ontwikkelen concepten en materialen die onder deze condities goede prestaties leveren.

Verbeterde oliewinning

Voorlopig gebruiken we nog veel olie. Daarom is er nog steeds vraag naar technologie om de oliewinning uit bestaande velden te verbeteren. Wij ontwikkelen hier methodes voor. Uitdaging zijn de extreme condities, zoals velden met een hoog zoutgehalte of hoge temperatuur.

Onderzoek op deze gebieden wordt zowel binnen het raamwerk van internationale consortia als in business-to-businessprojecten uitgevoerd. Wij bieden ondersteuning aan ondernemingen bij hun ontwikkelingen binnen de genoemde aandachtsvelden, meestal exploitatiebedrijven en dienstverleners.

In het algemeen vereist dit onderzoek een multidisciplinaire aanpak. Daarom werken we vaak samen met specialisten van de projectpartners of andere expertisegroepen van TNO. Denk aan Applied Geosciences, Heat Transfer and Fluid Dynamics, Structural Reliability en Structural Dynamics of academische groepen.

Meer informatie

Wil je meer weten over materiaalonderzoek voor Geo Energy? Of wil je een bijdrage leveren? Laat het ons weten en neem contact op met Frank Vercauteren.

Chemical Sensing

De ideale chemische sensor is een goedkoop, draagbaar en gebruiksvriendelijk apparaat. Dit apparaat reageert direct en met perfecte selectiviteit op de beoogde chemische stof (analyt) die in een willekeurige concentratie aanwezig is in een gas of vloeibaar medium. Met als resultaat een meetbaar en onmiskenbaar uitvoersignaal.

Hoewel er de laatste decennia enorme technische vooruitgang is geboekt, hebben de ontwikkelingen nog niet geleid tot de ideale sensor zoals hierboven beschreven. De huidige chemische sensoren zijn complexe elektronische of optische apparaten. Deze zijn doorgaans voor een specifieke toepassing bedoeld en zijn kruisgevoelig voor vele tussenkomende chemicaliën.

Chemische sensoren

De ideale chemische sensor is een goedkoop, draagbaar en gebruiksvriendelijk apparaat. Dit apparaat reageert direct en met perfecte selectiviteit op de beoogde chemische stof (analyt) die in een willekeurige concentratie aanwezig is in een gas of vloeibaar medium. Met als resultaat een meetbaar en onmiskenbaar uitvoersignaal.

Hoewel er de laatste decennia enorme technische vooruitgang is geboekt, hebben de ontwikkelingen nog niet geleid tot de ideale sensor zoals hierboven beschreven. De huidige chemische sensoren zijn complexe elektronische of optische apparaten. Deze zijn doorgaans voor een specifieke toepassing bedoeld en zijn kruisgevoelig voor vele tussenkomende chemicaliën.

Technologie voor chemische sensoren

Binnen de technologie voor chemische sensoren hanteren we 2 benaderingen. Beide zijn gebaseerd op de interacties van de te meten chemische stoffen met een responsief materiaal dat op de sensor is aangebracht:

  1. Goedkope en zeer kleine multi-parametersensoren die verschillende chemische stoffen in een gas of vloeistof detecteren.
  2. Glasvezelsensoren die de aanwezigheid van chemische stoffen op grote afstanden en/of onder extreme condities detecteren.

Een paar voorbeelden van onze technologieën:

  • capacitieve sensoren
  • Fiber Bragg Grating detectie
  • verbeterde oppervlakte infraroodabsorptie
  • scheiding van deeltjes met Virtual Impactors
  • concentrator/responsieve coatings

Markt

De toepassingsgebieden en markten waarvoor de ontwikkelingen rond chemische sensoren zijn bedoeld, lopen zeer uiteen. Maar ze delen hun behoefte aan kleine en goedkope oplossingen. Voorbeelden zijn:

  • energie
  • gezondheid
  • milieu
  • defensie en veiligheid

Meer informatie

Heb je interesse om chemische sensoren te gebruiken? Of wil je weten hoe je detectie van chemische stoffen kunt integreren? Laat het ons weten en neem contact op met Arjen Boersma.

Photons-to-Chemicals

Voor het realiseren van de klimaatdoelstellingen zijn omzetting en opslag van hernieuwbare energie van groot belang. Samen met universiteiten en industriepartners werken we aan de ontwikkeling van nieuwe concepten voor het omzetten van zonlicht in chemische energie. Hierbij zetten we koolstofdioxide en waterstof om in C1-chemicaliën en brandstoffen. Dit gebeurt in een fotokatalytisch proces waarbij katalysator-nanodeeltjes gebruikt worden.

Onze focus binnen Photons-to-Chemicals

We doen onderzoek naar het potentieel van fotochemische watersplitsing om goedkoper H2 te produceren dan via het gebruikelijke traject van elektrolyse. Fotolyse van water biedt goede perspectieven voor de lange termijn voor de kosteneffectieve productie van groen waterstofgas. Waterstofgas is een veelbelovende energiedrager. Maar de huidige productieprocessen voor waterstof zijn niet duurzaam en/of te duur. Het splitsen van water langs fotochemische weg is een alternatief proces. Dit maakt het mogelijk om waterstof uit water te produceren met energie uit zonlicht.

Voor de fotochemische omzetting van CO2 in C1-chemicaliën/brandstoffen met zonne-energie werken we aan de ontwikkeling van een nieuwe generatie fotoactieve materialen om zonnebrandstoffen uit CO2 te produceren. Op basis van de lokale plasmonresonantie van nanodeeltjes worden zogenaamde nanogedispergeerde materialen geproduceerd. Deze hebben een groot dispersieoppervlak en actieve fase die de reductie van CO2 mogelijk maken. Het concept van plasmonkatalyse werd met succes gedemonstreerd door de fotochemische hydrogenatie van CO2 in methaan.

Onze meerwaarde

Het onderzoeksprogramma Energieopslag en - Conversie heeft hechte strategische samenwerkingsverbanden gevormd met belangrijke Nederlandse academische en industriële spelers op het terrein van energieopslag in moleculaire bindingen. Onze expertise en competentie omvat 'materials solutions' zoals de ontwikkeling en karakterisatie van nanokatalysatoren, onderzoek naar chemische conversie, reactiekinetiek en de doelmatigheid van energieomzetting.

Project Lumen

In het INTERREG-project LUMEN werken we samen met universiteiten en het bedrijfsleven. Onze ambitie is om aan te tonen dat we waterstof en CO2, in combinatie met zonlicht, op een commercieel rendabele manier kunnen omzetten in waardevolle en duurzame producten. Eerst werken we aan een demonstrator op labschaal. Met de ontwikkelde demonstrator willen we de technische en commerciële haalbaarheid van het proces aantonen. Het onderzoek binnen LUMEN is de basis voor de toekomstige vertaling naar een industrieel proces en biedt commerciële kansen voor producenten van materialen en apparatuur, de chemische industrie en de energiesector. Lees meer over project Lumen.

Meer informatie

Wil je meer informatie over Photons-to-Chemicals of wil je met ons samenwerken? Laat het ons weten en neem contact op met Pascal Buskens.

Thermochemische materialen

We ontwikkelen stabiele, goedkope en veilige thermochemische materialen (TCM’s) om te gebruiken in systemen voor thermochemische warmteopslag voor huishoudelijke toepassingen. Deze systemen slaan warmte op voor lange perioden zonder verlies aan opslagcapaciteit. Ideaal voor warm water en verwarming in huis. Deze innovatie kan een belangrijke rol gaan spelen in de energietransitie omdat de opslag van warmte tot nu toe een struikelblok was.

Warmte opslaan zonder warmteverlies

Warmte opslaan kan met verschillende technologieën. Op dit moment is verwarmen van water de meest gebruikelijke. Het grootste nadeel van deze methode is het aanzienlijke warmteverlies over langere perioden (weken of maanden). In theorie bieden thermochemische materialen hiervoor de oplossing. Doordat de warmte wordt opgeslagen met een omkeerbare chemische reactie zal de warmte niet vrijkomen zolang de reactie wordt uitgesteld. Dit is eenvoudig te doen door water en zout gescheiden van elkaar op te slaan. Zodra het water en zout met elkaar in contact komen, vindt er een exotherme hydratatiereactie plaats waarbij de opgeslagen warmte vrijkomt.

TCM warmteopslag

Bij Materials Solutions richten we ons op het doorgronden en ontwikkelen van TCM’s. Een belangrijk doel hierbij is een stabiele TCM maken met een redelijke verhouding tussen kosten en baten. Doel van ons onderzoek is om de komende jaren de warmtebatterij verder te ontwikkelen zodat deze technologie het demonstratiestadium ontgroeit en geschikt is voor huishoudelijke toepassingen.

Binnen onze groep hebben we 3 specifieke aandachtsgebieden voor de ontwikkeling van TCM’s:

1. Ready-to-use TCM

De prestaties van het materiaal voor warmteopslag lopen na elke cyclus terug doordat het materiaal uiteenvalt en de doordringbaarheid van het bed vermindert waardoor prestaties op systeemniveau onvoorspelbaar zijn. Voor het creëren van een stabiele TCM kunnen technieken als sproeidrogen, matrix-encapsulatie en 'drum coating' gebruikt worden. De nadruk ligt op een praktische benadering, waarbij vooral de schaalbaarheid van laboratoriumschaal naar industriële schaal van belang is.

2. Fundamenteel onderzoek naar reactiemechanisme

Zonder fundamentele kennis komt er geen technische doorbraak. Daarom werken we nauw samen met onderzoeksgroepen van de Technische Universiteit Eindhoven aan de warmtebatterij in huis. Samen bestuderen we de reactiekinetiek, beginnend op de schaalgrootte van kristallen. Deze werkzaamheden omvatten modellering van enkelvoudige kristallen, korrels en reactorbedden en experimenten op laboratoriumschaal.

3. Ontwikkeling van nieuwe reactorconcepten

De voorziene oplossing voor warmteopslag voor elke willekeurige toepassing zal bestaan uit een combinatie van een stabiel materiaal binnen een specifiek daarvoor ontworpen opslagreservoir. Daarom moeten materiaal en reservoir compatibel zijn. Dankzij de samenwerking tussen experts in reactoren en materiaalexperts kunnen we eventuele beperkingen van reactoren en materialen in een vroeg stadium vastleggen en wegnemen.

Meer informatie

Meer weten?

Wil je meer informatie of ben je geïnteresseerd in warmteopslag voor je verwarmingssysteem? Laat het ons weten en neem contact op met Olaf Adan.

Laat je verder inspireren

8 resultaten, getoond 6 t/m 8

3D-printen: voeding en farma

Informatietype:
Artikel
In onze 2 gloednieuwe additive manufacturing-laboratoria ontwikkelen en experimenteren we om het 3D-printen van voeding en farma te verbeteren. Ontdek hoe.

Proeven met nieuwe generatie zonnewegdek

Informatietype:
Insight
18 november 2021
TNO werkt in het concept SolaRoad aan technieken en constructies waarbij zonnecellen zijn verwerkt in de weg. Lees o.a. over het langste zonnefietspad.

Nieuw innovatiecentrum gebruikt licht om digitale innovatie te versnellen

Informatietype:
Nieuws
28 mei 2021
TNO, PhotonDelta, TU Eindhoven en de Universiteit Twente gaan samenwerken in het nieuwe PITC de ontwikkeling van innovatieve chiptechnologie versnellen.