Achtergrond

Plasma gaat chemische industrie verduurzamen

De chemie is een grote uitstoter van kooldioxide. Met plasmatechnologie kunnen chemische productieprocessen CO2-vrij worden gemaakt. Tevens kan methaan dat onvermijdelijk als restproduct ontstaat worden omgezet in waterstof of ethyleen. Het Brightsite Plasmalab in Geleen werkt aan de optimalisatie van het plasmaproces en de techniek voor een industriële toepassing. De verduurzaming van de chemie is in zicht.

In 2050 moet het gebruik van fossiele brand- en grondstoffen uitgebannen zijn. Ook de chemie staat voor die duurzaamheidstransitie. Op dit moment zijn naftakrakers en ammoniakfabrieken berucht om hun hoge uitstoot van kooldioxide. Toch is het perspectief er al wel en daarin speelt plasmatechnologie een belangrijke rol.

Plasma is – naast vaste stof, vloeistof en gas – de vierde aggregatiefase. Plasma is de fase waarin een stof zo sterk verhit wordt dat ze elektrisch geleidend wordt. Wanneer dan een elektrische ontlading plaatsvindt, loopt de temperatuur in het hart van de plasmawolk hoog op (in de orde van duizenden graden Celsius). Onder deze omstandigheden kunnen zeer snel moleculen gesplitst en gevormd worden. Door de ‘plasmavlam’ op te wekken met groene stroom ontstaat een CO2-vrij productieproces.

Hüls-proces optimaliseren

Plasmatechnologie is niet nieuw. Al in de jaren dertig van de vorige eeuw introduceerde de Duitse firma Hüls het plasmaproces voor de productie van waterstof en acetyleen uit methaan. Het Brightsite Plasmalab op de Brightlands Chemelot Campus in Geleen is in 2021 opgericht om het Hüls-proces te optimaliseren en door te ontwikkelen voor een brede en duurzame toepassing in de chemische industrie. “De Hüls-technologie is nooit wezenlijk veranderd”, zegt Hans Linden, vanuit TNO bij het Plasmalab programmaleider voor het elektrificatieprogramma van de chemische industrie. “De fabriek is in de jaren negentig een keer vernieuwd en draait nog steeds. Met de huidige stand van de techniek kunnen we met het plasmaproces stappen verderzetten. Wat wij willen, is de technologie optimaliseren en geschikt maken voor de elektrificatie en het circulair maken van verschillende chemische productieprocessen die veel energie vergen. We combineren daartoe hightech apparatuur met chemie.”

© Plasmalab. Hans Linden. Op de achtergrond een plasmasysteem voor onderzoek naar methaanvalorisatie.

Experimenten en modelleerwerk

Het Brightsite Plasmalab is een samenwerking tussen Maastricht University, TNO, Brightlands Chemelot Campus en Sitech Services. Kenniscentrum Brightsite richt zich op de verduurzaming van de chemische industrie, zoals die onder andere op het Chemelot Industrial Park in Geleen te vinden is. “In het Plasmalab lopen nu eigenlijk twee typen projecten naast elkaar. In het ene type project ontwikkelen we het plasmaproces verder. We kijken naar de fundamentals: op welk moment van het proces vormt zich welke verbinding? Daar werken we aan met experimenten en daarnaast rekenen we veel: modelleerwerk. Dat gaat over de reactiekinetiek, de stromings- en temperatuurprofielen, alles om het proces zo goed mogelijk te begrijpen en daarmee in de hand te kunnen houden. In het andere type project ontwikkelen we de hightech apparatuur die nodig is om naar een industriële toepassing te gaan.”

Milliseconden

Linden legt uit wat het in de hand houden van het proces inhoudt: “Het is niet moeilijk de reactie op gang te brengen, want de temperatuur heb je, het gaat erom op tijd te stoppen. Je hebt het over milliseconden waarin reacties moeten verlopen. Dus het afkoelen en het homogeen houden van het mengsel – dat is de uitdaging.”

“Als je bijvoorbeeld methaan lang genoeg in plasma brengt, valt het steeds verder uit elkaar en houd je alleen koolstof en waterstof over. Daar is trouwens ook vraag naar: er zijn wereldwijd genoeg bedrijven die dat doen. Maar dat is niet wat wij willen. Want wat gaan we met al die koolstof doen? Koolstof in de vorm van Carbon Black wordt onder andere gebruikt door de autobandenindustrie, maar dat is een beperkte markt. Als je kijkt naar de hoeveelheid methaan die in de chemische industrie als restgas vrijkomt, kunnen we ons beter richten op de omzetting naar ethyleen en waterstof, als de grondstof voor respectievelijk kunststoffen en kunstmest.

Het is niet moeilijk de reactie op gang te brengen, het gaat erom op tijd te stoppen.”

Hans Linden, programmaleider voor het elektrificatieprogramma van de chemische industrie bij het Plasmalab

“Wat we aan het Hüls-proces verbeteren, is nog betere selectiviteit van eindproducten, betere equipment en grotere procesefficiency. In plaats van acetyleen en waterstof maken we ethyleen en waterstof. Ethyleen maken is nog weer wat lastiger, omdat de reactietijd nog korter moet zijn dan voor acetyleen.”

Duurzaam valoriseren

Ook als fossiele methaan niet meer nodig is voor de verwarming van processen, ontstaat het nog wel onvermijdelijk als bijproduct van koolstofchemie. Dit is met name het geval bij naftakrakers die nafta (destillaat van ruwe olie) ‘kraken’ in allerhande koolwaterstoffen als grondstoffen voor onder meer plastics. Bij de productie van ethyleen (etheen) bijvoorbeeld komt veel methaan – een aanzienlijk sterker broeikasgas dan kooldioxide – vrij. Binnen de huidige productieprocessen wordt het restgas methaan als brandstof voor de eigen processen benut, maar dat levert dan toch kooldioxide op. Het duurzaam valoriseren van methaan is dus onlosmakelijk verbonden met het doel van de elektrificatie van het proces: vorming en uitstoot van kooldioxide voorkomen.

© Plasmalab. Plasma.

In het Plasmalab is de afgelopen drie jaar geëxperimenteerd met installaties in oplopende schaalgrootte, vertelt Linden. “Op dit moment zijn we bezig bedrijven en investeerders bij elkaar te krijgen om op Chemelot een pilotinstallatie met een vermogen van 500 kW te bouwen. Dat gaat over veel geld. Met deze installatie komen we een stap dichter bij de industriële schaal. Eerst gaan we hier nog weer veel van leren, bijvoorbeeld over de standtijden van materialen en hoe vaak onderhoud nodig is. Vanuit de kennis uit de pilotinstallatie kun je de fabriek definiëren en engineeren. Dan gaan we nog een factor 10 tot 20 groter.” In de pilotinstallatie zal in eerste instantie toch acetyleen worden gemaakt (zoals in het Hüls-proces). Als dat goed loopt, wordt overgeschakeld op ethyleen.

Naar een circulaire chemie

Methaanvalorisatie is de eerste van vier projectpoten van de plasmatechnologie in het Plasmalab, vertelt Linden. De andere drie zijn: stikstoffixatie, CO2-valorisatie en kunststofrecycling. Via plasma stikstof omzetten in stikstofoxide als tussenproduct voor de kunstmestproductie geeft weer andere kinetiek, andere processen en vereist aangepaste apparatuur met wellicht andere dimensies dan het huidige project met methaanomzetting. Hetzelfde geldt voor CO2-valorisatie en plasticrecycling. Bij elkaar vormen deze vier chemiepoten de schakels van een circulaire chemie, zowel in energie als grondstoffen.

Groene stroom

Plasma als vehikel om te elektrificeren zonder uitstoot van kooldioxide heeft uiteraard als voorwaarde dat de benodigde stroom groen is, anders blijft een CO2-voetafdruk bestaan. Of er genoeg groene stroom beschikbaar zal zijn, is een vraag die je voor elke elektrificatie kunt stellen, aldus Linden. “Als je het vergelijkt met de grote waterstof-elektrolyzers die we in Nederland ook hebben, dan is bij plasmatechnologie thermodynamisch gezien veel minder energie nodig. Je moet dus goed nadenken waar je de groene stroom voor wil inzetten. Iedereen wil blijven beschikken over kleding, tal van dagelijkse spullen waar we aan gewend zijn en meestal ook een auto. De bouwstenen voor al die producten kan de chemie met plasmatechnologie blijven maken zonder uitstoot van kooldioxide en uiteindelijk ook met gerecyclede grondstoffen.”

“Nederland moet zorgen dat deze nieuwe technologie beschikbaar is en uitgerold kan worden als de markt er klaar voor is. 2050 lijkt nog ver weg, maar als je bedenkt dat de huidige chemische processen over tientallen jaren zijn geëvolueerd en geoptimaliseerd, moeten er echt grote stappen worden gezet. Willen we een verduurzaamde chemie houden, dan moeten we hierin het voortouw nemen. Internationaal gezien zijn er veel startups die met plasmatechnologie bezig zijn, maar niet met waar het Plasmalab zich op richt: de grote volumes van de chemische industrie en de daarvoor noodzakelijke schaalbaarheid van de techniek. Met de technologie daarvoor lopen wij voorop.” Op weg naar een circulaire chemie.

Verdieping: hoge plasmaenergie

Plasma komt in de natuur voor als bliksem en noorderlicht. Kunstmatig opgewekt plasma kan benut worden als warmtebron met velerlei toepassingen, zoals plasmalassen, plasmaspuiten en plasmasnijden. In de glasindustrie wordt de hoge energie van plasma gebruikt om warmtereflecterende dunne lagen op HR-glas aan te brengen. Net als bij plasmaspuiten verdampen de deeltjes die vervolgens condenseren op het doeloppervlak. Ook de experimentele kernfusie werkt met plasma. In een tokamak-reactor houden magnetische velden het extreem hete plasma bijeen. “Wij zijn niet alleen bezig met plasma als verwarmingsbron maar laten er chemische reacties in verlopen”, benoemt chemisch ingenieur Hans Linden het onderscheidende gebruik van plasmatechnologie waarop het Brightsite Plasmalab zich richt.


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.


 

Onderwerp: Energie

Meer relevante berichten

Nieuwsbrief

Relevante berichten
×