Synthesegas afkomstig van industriële productieprocessen wordt met een nieuwe technologie van TNO veel efficiënter gescheiden in waterstof en kooldioxide dan tot nu mogelijk was. De technologie is succesvol getest in een proefopstelling bij een Zweedse staalproducent. Substantieel minder energiegebruik, lagere kosten en de platformfunctie vormen de basis voor een commerciële industriële toepassing.
Bij productieprocessen in onder meer de petrochemie en de staalindustrie komt synthesegas oftewel procesgas vrij. Dit is een mengsel van koolmonoxide (CO) en waterstofgas (H2) en verder water (H2O), kooldioxide (CO2) en veelal stikstof (N2). In de huidige praktijk worden deze procesgassen meestal benut als grondstof en brandstof voor eigen processen of als brandstof geleverd aan een energiecentrale. Dit spaart aardgas uit maar brengt wel kooldioxide in de atmosfeer. De door TNO ontwikkelde platformtechnologie Sorption Enhanced Water Gas Shift (SEWGS) zet synthesegas efficiënt om in kooldioxide en waterstof en vangt beide stoffen gescheiden af.
Aan de basis ligt de al heel lang toegepaste water-gas-shifttechniek (WGS). De chemische reactie hiervan is CO + H2O ⇌ CO2 + H2. Bij deze evenwichtsreactie reageren kooldioxide en waterstof ook weer terug naar koolmonoxide en water. Met de conventionele afvangtechniek wordt door het aldoor toevoegen van stoom (H2O) de ongewenste teruggaande reactie zoveel mogelijk voorkomen. In een eventueel tweede proces van chemische adsorptie en desorptie wordt kooldioxide van waterstof gescheiden en afgevangen. Deze techniek is energie-intensief en niet alle koolmonoxide wordt ermee omgezet.
In het proces
De SEWGS-techniek vereenvoudigt en optimaliseert de omzetting en afvang naar kooldioxide en waterstof tot één proces binnen één reactorsysteem. “Bij TNO zijn we twintig jaar geleden al gaan zoeken naar een manier om alle energie, dus alle koolmonoxide en waterstof, uit het synthesegas te halen en hierbij uitstoot van kooldioxide te voorkomen”, vertelt TNO-ingenieur Soledad van Eijk, die een leidende functie heeft in de doorontwikkeling van deze technologie. “Het meest efficiënt doe je dat door in het water-gas-shiftproces te gaan zitten. In het proces CO2 afvangen wordt ook wel pre-combustion genoemd, naast post-combustion waarbij de CO2 wordt vastgelegd uit rookgassen na het proces. We hebben een adsorptiemateriaal ontwikkeld dat reactief is voor de omzetting van koolmonoxide en waterstof en dat kooldioxide reversibel bindt zodat je het materiaal niet steeds hoeft te vervangen.”
Het adsorptiemateriaal betreft met kaliumcarbonaat verrijkt hydrotalciet, waarvoor na een lange zoektocht de juiste samenstelling werd gevonden. Dit kleimateriaal bindt zure stoffen, dus ook kooldioxide, ook wel koolzuur genoemd. Van Eijk vergelijkt de samenstelling en de werking met maagtabletten, die immers maagzuur binden. Een belangrijke stap in de doorontwikkeling van het adsorptiemateriaal is de toepassing van 3D-printtechnologie, waarmee het de juiste vorm kan worden gegeven. TNO is erin geslaagd de kolommen met het adsorptiemateriaal acht keer compacter te maken.
Het SEWGS-proces vindt plaatst binnen één reactorsysteem, bij een temperatuur tussen de 350-550 °C en een druk van 20-30 bar, en vergt aanzienlijk minder energie dan conventionele afvang van CO2 via het WGS-proces gecombineerd met een aminewasser. Drukverlaging, nadat de waterstof is afgevangen, zorgt er al voor dat CO2 grotendeels loskomt van het adsorptiemateriaal. Het resterende kooldioxide wordt losgemaakt door middel van een stoomspoeling met gebruik van de eigen proceswarmte. Vrijwel alle koolmonoxide wordt uit het synthesegas gehaald en naar kooldioxide en waterstof omgezet.
Revolutionair
De SEWGS-technologie van TNO is in het kader van het Europese STEPWISE-programma als proefproject getest bij het Zweedse onderzoeksinstituut Swerim in samenwerking met de ernaast gelegen staalproducent SSAB. Bij de omzetting van ijzererts tot staal door het toevoegen van heel veel koolstof in hoogovens ontstaat synthesegas. In het bestaande proces van SSAB wordt het procesgas deels gebruikt voor de verwarming van de eigen processen en gaat het overbodige deel naar een energiecentrale. In plaats hiervan verwerkte de SEWGS-reactor – een installatie van tien meter hoog met een diameter van vijftig centimeter en daarin drieduizend kilogram adsorptiemateriaal – achthonderd kubieke meter hoogovengas per uur. Per dag werd hiermee veertien ton CO2 afgevangen. Voor het afvangen van één ton CO2 uit staalgas door SEWGS was 62 procent minder energie nodig dan met de conventionele CO2-afvangtechnologie. Een onafhankelijk Italiaans onderzoeksbureau berekende een kostenbesparing van 28%, resulterend in een kostprijs van 33 euro per afgevangen ton CO2. In aanmerking nemend dat vijftien procent van alle industriële CO2-uitstoot van staalproducenten komt – in Europa zo’n tweehonderd miljoen ton per jaar – kan SEWGS dus van grote betekenis zijn. “In dat perspectief durven wij de technologie wel revolutionair te noemen”, zegt Van Eijk.
CO2-opslag
Nu vangt SEWGS weliswaar kooldioxide af, maar ze reduceert de productie ervan niet. Toch kadert de technologie in de energietransitie en het behalen van de klimaatdoelen, zegt de TNO-ingenieur. “De CO2-uitstoot moet omlaag maar er zijn nu eenmaal sectoren waar dat moeilijk is. Wij denken daarom dat afvangen en permanent opslaan van kooldioxide onderdeel is van de energietransitie en daarvoor is SEWGS de beste techniek. Er wordt ook wel gesproken van transitietechnologie, omdat we op weg zijn naar een situatie van volledige niet-fossiele energie. Maar die benaming is volgens ons niet helemaal juist. Ook als de staalindustrie volledig elektrificeert of volledig op groene waterstof overgaat, is het inherent aan haar producten dat er synthesegas bij ontstaat. Daarvoor blijft onze techniek altijd bruikbaar.”
Hergebruik
Naast Carbon Capture and Storage (CCS) is hergebruik van afgevangen kooldioxide, Carbon Capture and Utilization (CCU), een belangrijke onderzoekslijn bij TNO. SEWGS functioneert daarbij als platform waar technologie voor hergebruik van CO2 op aansluit. In combinatie met de proefinstallatie van Swerim-SSAB werd het afgevangen kooldioxide in een proefinstallatie omgezet in methanol, vertelt Van Eijk. “Wat de proef compleet maakte, is dat de duizend liter methanol die zo per dag uit hoogovengas werd gemaakt, als brandstof is gebruikt door een veerboot.”
Bij Sorption Enhanced DME Synthesis (SEDMES) wordt van kooldioxide en (groene) waterstof gedehydreerde methanol (C2H6O) oftewel dimethylether (DME) gemaakt. DME is onder meer bekend als drijfmiddel van haarlak maar is in toenemende mate interessant geworden als vervanger van LPG en als toevoeging aan diesel. Verder is DME uitstekend bruikbaar als tussenproduct in de zogenoemde methanol-to-chemicals productie van olefines, paraffines en aromaten. Ook bij SEDMES gaat het weer om een evenwichtsreactie die binnen één reactor aflopend wordt gemaakt. Een vast adsorptiemateriaal onttrekt water in de vorm van stoom aan de evenwichtsreactie, wat de terugreactie verhindert. Ook nu weer schuilt de winst in hogere efficiëntie van de conversie van CO2 naar C2H6O.
Ketensamenwerking
Industriële ketensamenwerking is een zeer belangrijk spoor voor SEWGS. Een staalfabriek en een kunstmestfabriek of een andere chemische industrie kunnen met de technologie wederzijds voordeel bereiken. In het procesgas van een staalfabriek – basic oxygen furnace-gas ofwel BOF-gas – zit naast kooldioxide en waterstof ook de juiste verhouding stikstof. De laatste twee kunnen dan als grondstoffen worden geleverd aan de ketenpartner voor de productie van ammonia en urea (kunstmest), terwijl het kooldioxide wordt afgevangen.
Blauwe waterstof
Waterstof is al heel lang een belangrijke grondstof, maar momenteel vooral in trek als nieuwe brandstof of energiedrager. De gerichte productie van waterstof is echter niet per se klimaatvriendelijk ofwel groen vanwege het bijproduct kooldioxide bij de productie uit methaan of het gebruik van niet-groene stroom bij elektrolyse. SEWGS levert blauwe waterstof omdat het vrijkomende kooldioxide wordt afgevangen (bij grijze waterstof gaat kooldioxide de schoorsteen uit). “Zou de fabriek waar synthesegas of ander procesgas gemaakt wordt op bio-energie gaan draaien, dan krijg je ook duurzaam geproduceerde waterstof. De verhouding waarin SEWGS kooldioxide en waterstof produceert, hangt af van het soort industrie. In elk geval is waterstof een substantieel en nuttig bijproduct.”
Commerciële toepassing
TNO heeft met SEWGS al een lang traject afgelegd, maar voorafgaand aan de commerciële toepassing zijn nog een paar stappen te zetten. “We hebben in de loop van jaren door R&D het hele proces zo efficiënt mogelijk gemaakt met het juiste adsorptiemateriaal, de juiste thermodynamische omstandigheden enzovoorts. Het succes met de proefinstallatie bij SSAB geven we nu een vervolg met een installatie die niet één maar drie kolommen heeft. In dit INITIATE-project koppelen we SEWGS aan de productie van ammonia. De volgende stap is een installatie op industriële schaal te bouwen met kolommen van zo’n anderhalf tot twee meter doorsnede bij een hoogte van ongeveer tien meter. Daarna volgt uiteindelijk een volledig commerciële toepassing.”
SEWGS lijkt voor de industrie van grote betekenis te kunnen worden als een energie- en kostenefficiënte afvangtechniek van kooldioxide, met permanente opslag en hergebruik als vervolgopties. En met waterstof als bonus.
Je las zojuist een gratis premium artikel op TW.nl. Wil je meer van dit? Abonneer dan op TW en krijg toegang tot alle premium artikelen.
