De klimaatproblematiek vraagt om andere chemische routes. Daarbij mag de aloude plasmatechnologie best wat meer in het spotlicht komen, stellen professor Gerard van Rooij en projectmanager Hans Linden. Samen met elektrisch kraken kan een plasmareactor straks zo maar voor een dubbelslag zorgen. Methaan uit het kraakproces wordt dan niet langer verbrand, maar omgezet in extra chemische bouwstenen. Op 5 juni begint de Electro Trail Europe bij het plasmalaboratorium van Brightsite op Chemelot.
Wim Raaijen[vc_empty_space]Momenteel gaat veel aandacht uit naar groene waterstof, oftewel de elektrolyse van water waarbij waterstof en zuurstof ontstaat. Volgens projectmanager Hans Linden (TNO/Brightsite) en professor Gerard van Rooij (Universiteit Maastricht) is het maar zeer de vraag of dit een effectieve manier is om in Nederland onze – vooralsnog – schaarse groen opgewekte stroom in te zetten.
Sowieso is het volgens hen beter om naar processen te kijken die tegelijk meerdere, waardevolle producten opleveren en dus meer geld. Elektrolyse van water levert naast waterstof alleen zuurstof op, met nauwelijks enige marktwaarde. Dan is bijvoorbeeld het bestaande elektrochemische proces om chloor te produceren al veel effectiever. Daarbij ontstaat uit pekel naast chloor het eveneens waardevolle natronloog én waterstof.
Bovendien kost de elektrolyse van water heel veel elektrische energie. En dan kun je slimmere keuzes maken, stellen Linden en Van Rooij. Zeker het komende decennium, als er nog veel te weinig groene elektronen beschikbaar zijn om alle elektrificatieplannen in de industrie en daarbuiten te realiseren. Zo biedt plasmatechnologie in de chemische industrie volgens hen veel interessantere mogelijkheden. Allereerst gebruikt die technologie per eenheid product aanmerkelijk minder energie en bovendien is gecombineerde productie van meerdere waardevolle chemische bouwstenen mogelijk. Daardoor betaalt het zich eerder terug, is de verwachting.[vc_empty_space]
Scheiden is leiden
In het plasmalaboratorium van Brightsite op Chemelot wordt bijvoorbeeld onderzocht hoe met plasmatechnologie uit methaan acetyleen of etheen in combinatie met waterstof efficiënt en straks betaalbaar is te produceren. Linden: ‘Met acetyleen hebben we de eerste stappen gezet. We hebben op dat vlak inmiddels plannen voor de bouw van een serieuze pilot plant in Geleen, denk aan afmetingen van ongeveer tien bij vijftien meter. De grote uitdaging is vooralsnog om deze route betaalbaar te maken.’ Van Rooij: ‘Blijft bijvoorbeeld de CO2-prijs stijgen, dan gaat deze route zich op den duur mogelijk wel rond rekenen.’
Dat acetyleen zeer reactief is, biedt enerzijds interessante mogelijkheden voor de chemie, maar daarnaast ook grote uitdagingen voor opslag. Daarom onderzoekt het plasmalaboratorium ook routes om etheen, de meest gebruikte bouwsteen in de huidige chemie, te produceren uit methaan. Voordeel is dat etheen veel handelbaarder is. Linden: ‘We kunnen etheen produceren door een deel van de waterstof te gebruiken om acetyleen te hydrogeneren. Maar dan offer je toch een aanmerkelijk deel van je waterstof op. Mooier is daarom als we in het plasmaproces zelf hoge percentages etheen kunnen produceren. Dat komt heel nauw in de afstelling. En dat is een uitdagende puzzel. Het lukt al wel om mengsels met etheen te maken, maar dat is niet genoeg. Dan moet je achteraf gaan scheiden. En scheiden is leiden, weten we in de chemie.’ Van Rooij: ‘Lukt het om direct etheen te produceren, dan scheelt dat bovendien ongeveer de helft van de benodigde energie. Dan is er ook eerder een business case. Zeker bij hoge energieprijzen.’
Voordeel van etheen is dat veel bestaande chemie is gebaseerd op deze bouwsteen. En doordat het handelbaar is en goed is op te slaan, biedt het ook mogelijkheden voor het balanceren van het elektriciteitsnet. Extra productie op zonnige en winderige dagen, met lage energieprijzen, kan tot interessante kostenvoordelen leiden. Toch begint de interesse voor acetyleen ook te groeien, merken Linden en Van Rooij. Juist omdat deze stof gemakkelijk reageert. ‘Bovendien is de chemie weliswaar gebaseerd op etheen. In China, waar niet aardolie, maar steenkolen vaak als basisgrondstof wordt ingezet, is acetyleen een veelgebruikte grondstof’, stelt Van Rooij.[/vc_column_text][vc_empty_space][vc_column_text]Hans Linden projectmanager TNO/Brightsite:
‘Het lukt al wel om mengsels met etheen te maken, maar dat is niet genoeg. Dan moet je achteraf gaan scheiden.’
[/vc_column_text][vc_empty_space][vc_row][vc_column][vc_column_text]
Tegenhanger
Plasmatechnologie is overigens helemaal niet nieuw. Het wordt bijvoorbeeld al grootschalig toegepast in neonlicht en tl-buizen en al voor de Tweede Wereldoorlog werden plasmareactoren in Duitsland ingezet in industriële processen. En we kennen plasma allemaal ook uit de natuur. Zo is bliksem niets anders dan een gasontlading die ontstaat door een verschil in spanning tussen de wolken en de aarde. En ook het noorderlicht is een vorm van plasma.
Plasma wordt ook wel de vierde aggregatietoestand genoemd, naast vast, vloeibaar en gas. Wanneer een gas in een voldoende sterk elektrisch veld wordt gebracht, ontstaat een toestand waarin gasdeeltjes ioniseren. ‘De combinatie van reactieve deeltjes maakt nieuwe chemische reacties mogelijk’, zegt Van Rooij. In het hart van de elektrische vlam, het hart van de plasmawolk, is de temperatuur heel hoog. In een bliksemschicht kan die oplopen tot 10.000 graden Celsius of zelfs nog hoger.
Dit biedt allerlei mogelijkheden, stelt Van Rooij. ‘Met die energie kunnen moleculen worden gesplitst en gevormd. En omdat plasma wordt opgewekt door elektrische energie zijn dit duurzame mogelijkheden, mits duurzame energiebronnen worden gebruikt. Plasmatechnologie is bovendien een proces waarbij het terugwinnen van energieverliezen gemakkelijker kan zijn dan bij de bekende tegenhanger elektrolyse.’[/vc_column_text][vc_empty_space][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_column_text]
Kunstmest
Dat de relatief oude plasmatechnologie nu veel aandacht krijgt, heeft vooral te maken met de urgentie om uitstoot van schadelijke gassen te reduceren. In plasmareactoren is geen sprake van CO2-vorming. Sterker nog, er worden routes onderzocht waarbij CO2 juist wordt omgezet in bruikbare en waardevolle koolwaterstoffen.
Plasmatechnologie heeft veel potentie over een grote bandbreedte in de industrie. Naast de op koolstof gebaseerde chemie lijken er ook op andere terreinen mogelijkheden. Linden: ‘Wij denken dat plasmatechnologie bijvoorbeeld ook een grote toekomst heeft binnen de stikstofketen voor de productie van ammoniak, kunstmest en melamine. Het is wat ons betreft dé nieuwe chemische procestechnologie gebaseerd op groene elektriciteit.’[/vc_column_text][vc_empty_space][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column width=”1/6″][vc_empty_space][/vc_column][vc_column width=”2/3″][vc_single_image image=”181979″ img_size=”large”][/vc_column][vc_column width=”1/6″][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_empty_space][vc_column_text]Gerard van Rooij professor Universiteit Maastricht:
‘De combinatie van reactieve deeltjes maakt nieuwe chemische reacties mogelijk’
[/vc_column_text][vc_empty_space][vc_column_text]
Dubbelslag
In eerste instantie wordt in het plasmalab van Brightsite vooral gekeken naar toepassing van de technologie bij bedrijven op Chemelot. Linden: ‘Wat zijn de mogelijkheden, wat hebben we aan technologie nodig? En er wordt gekeken naar verschillende feedstocks en eindproducten en niet te vergeten veiligheid en maatschappelijke acceptatie. Willen we grote industriële projecten mogelijk maken, dan moet alles op tijd gereed zijn. Zo moet ook nieuwe equipment worden ontwikkeld.’
Met de speciale aandacht voor omzetting van methaan in etheen of acetyleen, lijkt het plasmalab bovendien te anticiperen op andere ontwikkelingen in de transformatie van de chemie. Gerard van Rooij: ‘Elektrisch kraken krijgt momenteel veel aandacht. In het kraakproces ontstaat veel methaan. In traditionele krakers wordt methaan verbrand om energie te leveren voor het kraakproces. Daarbij ontstaat de enorme CO2-uitstoot. Bij elektrisch kraken wordt de energie straks geleverd door groen opgewekte stroom. Maar nog steeds ontstaan grote hoeveelheden methaan. Als we er straks in slagen om die methaan via plasmaprocessen om te zetten in extra etheen of andere chemische bouwstenen, dan maak je een dubbelslag in de keten.’[/vc_column_text][vc_empty_space][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_column_text]
Derde generatie
Het vinden van businesscases, de eerste-generatie-oplossingen, staat vrij dicht bij de industrie. Het plasmalab is ook al bezig met volgende generaties. In tweede generatie staat het optimaliseren van het proces centraal. Linden: ‘We verwachten met de nieuwste inzichten het proces efficiënter te kunnen inrichten, streven naar betere selectiviteit en kijken of we met minder energie toekunnen. Daarvoor willen we een proefopstelling bouwen op Chemelot.’
De derde generatie staat het verst af van industriële toepassing. Dit meer fundamentele onderzoek ligt vooral in de handen van de Universiteit Maastricht. Daarbij ligt veel focus op het direct produceren van etheen. Van Rooij: ‘Als dat lukt, hebben we iets moois in handen.
Dit artikel is gepubliceerd in Industrielinqs 2023-03 (24/5/2023)
’[/vc_column_text][vc_empty_space][/vc_column][/vc_row][vc_row full_width=”stretch_row” parallax=”content-moving” css=”.vc_custom_1649703092283{padding-top: 20px !important;padding-right: 20px !important;padding-bottom: 20px !important;padding-left: 20px !important;background-color: #f4e5c3 !important;background-position: center !important;background-repeat: no-repeat !important;background-size: contain !important;border-radius: 2px !important;}”][vc_column][vc_column_text]
Electro Trail Europe (Electe23)
[/vc_column_text][vc_column_text]Van 5 tot 16 juni gaan Industrielinqs en VoltaChem samen met een groep studenten en young professionals langs verschillende innovatieve elektrificatie- en elektrochemische projecten in de Europese industrie. Onderweg worden verschillende vlogs en blogs gemaakt. Per trein gaat de groep van het plasmalab op Chemelot naar onder meer BASF Ludwigshafen in Duitsland om een pilot elektrische kraker te zien. In de tweede week gaat de groep onder andere naar het Zweedse Örnsköldsvik waar Ørsted samen met Liquid Wind een grote fabriek bouwt voor de elektrochemische productie van methanol uit CO2 en waterstof. In Kopenhagen sluit de Trail af met verschillende bezoeken, waaronder aan het Solid Oxide Electrolysis Cell testcentrum van technologie-ontwikkelaar Topsoe.
Volg de groep op de Linkedin-pagina Electro Trail Europe (Electe23).[/vc_column_text][vc_empty_space][/vc_column][/vc_row]
