Zo werkt de wetenschap met e-Chem aan een schone fabriek  

Tekorten aan olie en gas laten niet alleen de prijzen van gas en benzine maar ook van kunststof, medicijnen en cosmetica stijgen. Om onze maatschappij minder afhankelijk te maken van fossiele bronnen en klimaatverandering tegen te gaan, moet de chemische industrie radicaal veranderen. De afgelopen jaren hebben TU Delft en TNO het fundament gelegd voor schonere productieprocessen voor de chemische industrie. Binnen het nieuwe samenwerkingsverband
e-Chem zetten ze de volgende stap: het daadwerkelijk bouwen van de schone fabriek van de toekomst.

In 2050 zouden we volgens het in 2015 gesloten Klimaatakkoord van Parijs een CO₂-neutrale samenleving moeten hebben. Dat halen we niet zonder een ingrijpende verandering van de chemische industrie. Eén van de opties is om CO₂ uit de lucht te halen en met behulp van duurzaam opgewekte elektriciteit om te zetten in grondstoffen voor de productie van onder andere plastics en brandstoffen. Om deze voorgestelde verduurzaming van de chemische industrie te versnellen, slaan e-Refinery (TU Delft) en VoltaChem (TNO) – twee grootschalige onderzoeksprogramma’s op het gebied van de elektrificatie van de chemische industrie – de handen ineen binnen het programma
e-Chem.

Ruud van Ommen (e-Refinery) en Martijn de Graaff (VoltaChem)

‘De elektrificatie van de chemische industrie biedt grote kansen voor Nederland om zich te ontwikkelen tot dé leverancier van high end systemen voor de energietransitie. En waar kun je dat soort oplossingen beter ontwikkelen dan hier in Delft, vlak naast de Botlek, het grootste petrochemische cluster in Noordwest-Europa? Samen met andere kennisinstellingen en de industrie gaat e-Chem nu bouwen aan grootschalige installaties die op industriële schaal en tegen concurrerende prijzen CO₂ uit de lucht – met behulp van elektrolyse – omzetten in drie basisbouwblokken voor de chemische industrie: methanol, ethyleen en kerosine. We zijn de eerste partij die gaat bouwen aan deze grootschalige installaties. We gaan het nu gewoon doen en al doende leren we, dit is dé aanpak waardoor we kunnen versnellen.’

Elektrolyse

Het principe van elektrolyse is al langer bekend. Je neemt een bak met een vloeistof die elektriciteit geleidt. Hier stuur je het gasvormige CO₂ doorheen. In de bak steek je twee metalen platen, bedekt met een katalysator. Daaroverheen zet je een elektrische spanning. Er gaat een elektrische stroom lopen van de ene plaat naar de andere, dwars door het gas/vloeistof mengsel. Die stroom zorgt ervoor dat de chemische bindingen tussen de koolstof en het zuurstof, en tussen de moleculen waaruit de vloeistof bestaat, worden verbroken en dat je er nieuwe stoffen mee kunt vormen.

Voordat deze technologie op grote schaal kan worden toegepast in de chemische industrie, moeten er nog wel enkele uitdagingen worden overwonnen, vertellen Ruud van Ommen en Martijn de Graaff. ‘We gaan installaties bouwen die 50 tot 100 liter product per dag opleveren. Daarvoor moeten we systemen ontwerpen die stabiel zijn, wat betekent dat ze maanden of jaren achter elkaar met dezelfde kwaliteit en snelheid producten blijven maken. Dat is nu nog niet mogelijk. Daarnaast willen we door windmolens of zonnepanelen opgewekte elektriciteit gebruiken. Maar dat aanbod is grillig. Hoe ontwerp je een proces dat daarmee om kan gaan? En wat betekent dat fluctuerend stroomaanbod voor de productiecapaciteit van zo’n fabriek?’

Ook het opschalen van de technologie zelf is makkelijker gezegd dan gedaan, legt Van Ommen uit. ‘Bij traditionele chemische processen maak je gewoon je reactorvat groter. Bij een elektrochemisch proces zit je om technische redenen met vaste afstanden tussen de twee metalen platen, en met een maximale hoogte van het reactorvat. Je kunt dus alleen opschalen door meerdere platen te gebruiken, of door de platen breder te maken. Maar wat betekent dat voor de hoeveelheid stroom die door je reactievloeistof loopt, en voor de temperatuurverdeling tijdens de reactie? Van welk materiaal moet je de katalysatoren voor de reacties maken, en zijn die materialen wel in voldoende hoeveelheid te verkrijgen? Voor dat soort praktische vragen vinden we binnen e-Chem sneller antwoorden.’

Kansrijke routes naar succes

De TU Delft heeft binnen e-Refinery ervaring opgedaan met fundamenteel en toegepast onderzoek naar materialen, processen en reactoren op alle lengteschalen, van het atomaire niveau tot aan de reactorschaal. TNO heeft uitgebreide ervaring met het testen in de praktijk en onderwerpen als levenscyclusanalyse en business modellen. Door die kennis en kunde aan elkaar te knopen, willen beide partijen binnen een paar jaar komen tot demonstratieopstellingen die de industrie ervan overtuigen om in deze technologie te investeren.

De onderzoeksagenda zal zich richten op de meest kansrijke routes naar succes. De Graaff: ‘Het is bijvoorbeeld een bewuste keuze om als grondstof CO₂ te gebruiken uit de lucht. Omdat fabrieken nu al bezig zijn om het CO₂-gehalte van hun rookgassen te verlagen, voorzien wij dat die bron van CO₂ in de toekomst langzaam zal opdrogen.’ Ook de keuze voor de producten methanol, ethyleen en kerosine is geen toevallige. De Graaff: ‘Ethyleen en methanol hebben heel veel toepassingsmogelijkheden, variërend van plastics tot pillen. Ook bij brandstoffen hebben we gekeken waar de meest veelbelovende business case zit. Voor personenvervoer zijn er vergevorderde opties om over te stappen op batterijen of op waterstof. Maar voor de luchtvaart blijft kerosine waarschijnlijk nog lang onvervangbaar. Een schoner productieproces is daar dus ook zeer gewild.’

e-Chem is ontstaan vanuit een gedeelde ambitie om de transitie van een op fossiele grondstoffen gebaseerde chemische industrie naar een op duurzame elektriciteit en CO₂ gebaseerde sector te versnellen, benadrukken ze eensgezind. ‘Dat gaat de markt zelf niet doen. En dat gaan wij ook niet met twee partijen voor elkaar krijgen. We nodigen andere academische en industriële partners dan ook met klem uit om zich bij ons aan te sluiten.’