The great coal gas exchange

Gas from coal layers is potentially a huge source of fossil fuel. If half of the coalbed methane (CBM) worldwide could be produced, proven global gas reserves would increase by 20 to 74 percent. For the Netherlands, coalbed methane amounts to an estimated extra 0.6 to 43 percent of the proven gas reserves. Production of coalbed methane is especially strong in the USA, where it accounts for 10 percent of the natural gas production. However, traditional methods produce less than half of the methane available. In 1998 researchers increased gas production by injecting CO2 into a producing CBM field. But, as Patrick van Hemert points out in his thesis, the effect of CO2-injection cannot be predicted because the processes involved are poorly understood.

First: how much methane can be extracted from coal by flushing it with another gas? To determine this, geochemist Van Hemert took a cylinder of (British) coal, dried it in an oven for two weeks, and then applied a vacuum to it for three days, before saturating it with methane for one week under a pressure of 80 bars. After that, the flushing could begin. Van Hemert connected the flushing gas at one end – it flowed through at a rate of just 1 cubic centimetre per hour. Meanwhile, every 30 minutes he analysed the composition of the out-flowing gas at the other end of the coal cylinder. He discovered that flushing can retrieve 88 percent of the stored methane (he worked with nitrogen and hydrogen, as well as with carbon dioxide). But perhaps ‘flushing’ is not the right word, because the gas exchange is a slow process; it took up to 30 days for the gas to diffuse through the 19-centimetre long coal sample.
The exact way in which a gas like CO2 binds to coal is unknown, but not for a lack of ideas. Van Hemert explains that there are three major theories for this process called ‘sorption’: one theory argues that CO2-molecules will fit in between the long coal polymer chains, another proposes that gas molecules will gather in micropores, and the third surmises that gas molecules will simply form a liquid-like layer around the coal. Van Hemert: “If there are three or more theories explaining the same thing, it means the right theory hasn’t yet been found.”

He adopted a ‘back to basics’ approach and built an instrument (a ‘manometric apparatus’) to actually measure sorption, which he does by adding a known amount of gas to the coal sample in the sample cell and then measuring the pressure. After stabilisation, this pressure is typically lower than it would have been without the sample, because of the gas ‘sorbed’ by the coal. The amount of sorption can be derived from the pressure in the sample cell.
The principle may be simple, but the practice is long and hard. The manometric instrument needs to be virtually leak-free because of the small volumes, high pressures and long durations involved (leakage was measured with helium before and after each experiment). After each gas injection the sample needs about three days to stabilise. A typical sorption diagram with 20 points therefore takes two months to complete. This means that not enough measurements could be made to experimentally determine which of the competing theories best describes sorption.

Another unknown is the carbon balance of the process: if you inject CO2 into a coalbed and burn the methane that comes out, you also release CO2 into the atmosphere. So what is the correct balance? Does the climate profit too, or just the gasman? Theoretically, a little more CO2 is stored than methane won. But a better theory is needed to make adequate predictions. 

Patrick van Hemert: ‘Manometric determination of supercritical gas sorption in coal’, received his PhD degree on September 1, 2009, supervised by Prof. Dr. J. Bruining.

In de FedEx-doos die zijn buurman ’s avonds kwam brengen zaten niet één, maar twee medailles. Een bronzen plak, zo groot als een bierviltje en een halve centimeter dik. En, in een fraai houten kistje, een identiek exemplaar van puur goud. En dat terwijl Albert Theuwissen (leerstoel elektronische instrumentatie bij Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica) niet eens lid is van de SMPTE (Society of Motion Pictures and Television Engineers uit de Verenigde Staten). Deze organisatie kende hem de Fuji Gold Medal Award toe vanwege zijn rol in het onderzoek, ontwikkeling en opleiding in het vakgebied van charge coupled devices (CCD’s) voor televisiecamera’s.
In zijn werkkamer staat een historische televisiecamera op een statief. Twintig jaar geleden gold deze Philips-camera (later Thomson geheten) als topstuk. Theuwissen, die in 1983 na zijn promotie aan de KU Leuven bij Philips kwam werken, ontwierp er de CCD-beeldsensor voor, die nog steeds functioneert. Over het uiterlijk van de camera is hij minder te spreken: “Hij ziet er niet uit als model, het is eerder een schoenendoos.”
Chips voor fotocamera’s kwamen pas tien jaar later op de markt, in de tweede helft van de jaren negentig. Maar daarna ging het snel met de megapixels. Volgens Theuwissen is die enorme ontwikkeling vooral aangezwengeld door de opkomst van de mobiele telefonie met ingebouwde camera’s. Het gaat hier om een onvoorstelbare markt. Theuwissen: “Nokia bouwt iedere dag een miljoen camera’s in. Maar bedrijven als Nokia, Sony Ericsson en Motorola zijn zo machtig, dat ze behalve de afmetingen en de specificaties ook de maximale prijs opgeven die ze wensen te betalen. Als leveranciers een euro winst weten te maken op zo’n chip, dan verdienen ze fors. Maar als ze er een cent op verliezen, dan is het snel over. Het is dansen op een flinterdun koordje.”

Overigens zijn gsm-camera’s vaak met andere beeldchips (CMOS) uitgerust dan foto- en videocamera’s. Het gerucht gaat dat CMOS-chips (complementary metal oxide silicium) de CCD’s zouden gaan verdringen omdat ze goedkoper zouden zijn en veel minder stroom verbruiken. Theuwissen nuanceert dat. “Als je met CMOS-mensen praat, zeggen ze dat CCD’s last hebben met ladingtransport over de chip. Maar tegenwoordige CCD’s doen duizenden transporten voordat de foto klaar is en er is geen kat die daar problemen mee ziet. Omgekeerd zeggen CCD-jongens dat CMOS een hogere ruis heeft. Ook dat geldt niet altijd meer.”
Vast staat dat wel een CMOS-sensor ongeveer drie maal minder stroom verbruikt dan een vergelijkbare CCD en dat de marktgroei in beeldchips voornamelijk uit CMOS-chips bestaat. Als extra voordeel van CMOS-chips wijst Theuwissen op de mogelijkheid om elektronica op de beeldchip en desnoods in de pixels op te nemen. Dat schept mogelijkheden voor elementaire beeldverwerking, zoals die ook in het oog plaatsvindt.
Een voorbeeld is een betere weergave van wolkenluchten en doortekening in schaduwpartijen. In vaktermen heet dat ‘dynamisch bereik’. Door inbouw van condensatoren naast de pixels zou het dynamisch bereik kunnen verbeteren, waardoor het beeld ‘zachter’ wordt.

Een ander punt van aandacht is de gevoeligheid. Er komen steeds meer pixels op een chip, maar die worden daardoor wel steeds kleiner (tot 1,5 micrometer bij mobieltjes en 5 micrometer bij fotocamera’s) waardoor ze steeds minder licht opvangen. “Mensen merken vaak pas thuis dat hun nieuwe camera minder gevoelig is dan de vorige.” Om dat op te lossen worden nu extreem dunne chips ontwikkeld (enkele micrometers dun) die het licht aan de achterkant opvangen. Dat zou de gevoeligheid twee keer groter kunnen maken.
De ontwikkeling van beeldchips is een mooi vak, vindt Theuwissen. Halfgeleiderfysica, elektronica, optica, beeldverwerking: alles komt er bij elkaar. Met als eindresultaat een plaatje dat je mensen kunt laten zien. “Maar de esthetiek, daar heb ik minder verstand van. Ik kan geen mooie foto’s maken.”

www.harvestimaging.com