Achtergrond

 

De opmars van de elektronen

Elektrificatie en elektrochemie bepalen de komende jaren steeds meer het gezicht van investeringsprojecten in de procesindustrie. Op de korte en middellange termijn gaat het vooral om de vervanging van fossiele brandstoffen door duurzame elektriciteit. En groene waterstofprojecten worden steeds talrijker. Pas later volgen mogelijk complexere elektrochemische processen.

Wim Raaijen

geanimeerde-knop

Elektrificatie van fabrieken en elektrochemische processen staan momenteel volop in de aandacht. Professor Marc Koper van de Universiteit Leiden vindt dat een logische ontwikkeling. ‘De enige manier waarop we onze maatschappij kunnen verduurzamen is door over te schakelen op groene stroom. Dan moeten we echt zoveel mogelijk elektrificeren. Ook grote chemische productieprocessen bijvoorbeeld’, stelt de hoogleraar elektrochemie onlangs in ons blad Petrochem.
De huidige aandacht voor waterstof werkt daarbij zeker versterkend. Volgens Koper zal waterstof een belangrijke rol spelen bij de grootschalige opslag van energie en ook als grondstof en hulpstof in de chemie. ‘Ik denk dat waterstof uiteindelijk alleen via de elektrochemische route gemaakt wordt. Op de kortere termijn kunnen we misschien niet om de blauwe route heen, waterstof uit aardgas waarbij de CO2 ondergronds wordt opgeslagen, maar elegant is die natuurlijk niet.’
Een belangrijke factor is ook dat duurzaam opgewekte stroom steeds goedkoper is geworden. Voor elektrochemische processen is veel elektriciteit nodig. ‘Begin jaren zeventig hadden experts hun hoop gevestigd op kernenergie. Maar in de decennia daarna leek deze route steeds minder voor de hand te liggen.’ Pas de laatste jaren lijkt het antwoord zichzelf te vormen. ‘Wind- en zonne-energie zijn sneller dan verwacht veel goedkoper geworden.’ Dat ook heeft de populariteit van elektrificatie en elektrochemie een extra impuls gegeven.

Elektrificatie
Elektronen worden dus belangrijker voor de chemische industrie. Wel is het belangrijk om daarbij een onderscheid te maken tussen elektrochemie en elektrificatie. Bij elektrochemie gaat het om de processen zelf, de chemische reacties. Elektrochemische processen kunnen duurzamere alternatieven bieden voor bijvoorbeeld hoge-temperatuur-processen, die nu veelal gangbaar zijn in de chemie.
Bij elektrificatie gaat het eerder om een alternatief voor de energie die wordt gebruikt in de chemische fabrieken. Steeds meer onderdelen van chemische installaties worden elektrisch aangedreven in plaats met name aardgas. Voordeel daarvan is dat er minder onderhoud nodig is, maar ook dat gemakkelijker duurzame bronnen zijn aan te wenden. Elektrificatie is al een tijdje gaande en verschillende concerns experimenteren inmiddels met elektrische fornuizen en krakers.

Professor Marc Koper: ‘Op de kortere termijn kunnen we misschien niet om de blauwe route heen, maar elegant is die niet.’

Adobestock

BASF onderzoekt hoe het in Antwerpen binnen tien jaar de fossiele krakers kan vervangen door elektrische ovens.

Adobestock

Een ambitieus voorbeeld is dat Sabic een polycarbonaatfabriek in Cartagena (Zuid-Spanje) vanaf 2025 volledig op zonne-energie wil laten draaien. Als eerste grootschalige chemische productiesite ter wereld. Naast de site komt een fotovoltaïsche installatie met een capaciteit van 100 MW. Maar liefst 263.000 panelen worden op grond geplaatst. Voordeel is natuurlijk dat zonne-energie in het zonovergoten Zuid-Spanje zeer goedkoop is per kilowattuur.

Elektrische ovens
Afgelopen mei kondigden RWE en BASF een miljardenproject aan op dit vlak. Met de bouw van een twee gigawatt offshore windpark in het Duitse deel van de Noordzee willen ze de gigantische chemische site van BASF in het Duitse Ludwigshafen voorzien van groene elektriciteit. Ook moet een driehonderd megawatt elektrolyzer de productie van groene waterstof mogelijk maken. Het gaat om een investering van vier miljard euro. Het doel van het project is om de productieprocessen voor basischemicaliën te elektrificeren. BASF wil in 2050 klimaatneutraal zijn. In 2030 wil het chemiebedrijf wereldwijd 25 procent minder CO2 uitstoten dan in 2018.
Ook in Nederland en België is elektrificatie in opmars. Daarbij speelt BASF wederom een opmerkelijke rol. In juni dit jaar bereikte energiebedrijf Vattenfall met BASF overeenstemming over de verkoop van 49,5 procent van het offshore windpark Hollandse Kust Zuid. De bouw daarvan startte in juli 2021 en het park is naar verwachting in 2023 volledig operationeel. Het is dan met 140 windturbines en een totaal geïnstalleerd vermogen van 1,5 gigawatt het grootste offshore windpark ter wereld.
Het park moet onder andere de Antwerpse locatie van BASF van duurzame stroom voorzien. Verregaande elektrificatie van de fabrieken lijkt daarom de volgende stap. Zo onderzoekt de chemiereus hoe het in Antwerpen binnen tien jaar de fossiele krakers kan vervangen door elektrische ovens.

Testreactor
In Nederland onderzoeken verschillende chemiebedrijven en -clusters de mogelijkheden van elektrificatie. Met name het Limburgse Chemelot zet er in haar plannen zwaar op in. Het chemiecluster verwacht dat haar elektriciteitsverbruik in 2050 minstens is verviervoudigd. Dat vraagt niet alleen om enorme aanpassingen van de productie-installaties, maar ook om een flinke verzwaring van het elektriciteitsnet naar Chemelot. En natuurlijk om een groei van – het liefst duurzame – opwek van elektriciteit.
Verschillende concerns onderzoeken momenteel de mogelijkheid van elektrisch kraken. Dow en Shell werken bijvoorbeeld samen om de technologie voor de elektrificatie van ethyleenstoomkrakers te versnellen. Innovatieprojectteams in Amsterdam, Terneuzen en Texas richten zich op het ontwerpen en opschalen van ‘e-cracker’-technologieën. De uitdaging is om deze route technologisch en economisch haalbaar te maken. Het meest recente nieuws is dat de twee giganten een “multi-megawatt” proefinstallatie willen bouwen voor elektrisch kraken. Deze zou in 2025 op moeten starten.
Reguliere stoomkrakers bereiken hun hoge temperaturen door het verbranden van aardgas of restgassen die vrijkomen elders in de raffinage van aardolie. Dow en Shell willen de branders vervangen door een elektrisch verwarmingselement. Uitgaande van CO2-neutrale elektriciteit helpt dat de uitstoot van de etheenproductie sterk te verlagen. De etheen zelf zal als deze elektrisch gekraakt is overigens nog steeds een olieproduct zijn.
Shell en Dow zijn niet de enigen met plannen voor een proefinstallatie op dit vlak. Het Finse Coolbrook maakte eind vorig jaar bekend twaalf miljoen euro te investeren in een testreactor voor het elektrisch kraken van nafta. De testreactor wordt op de Brightlands Chemelot Campus in Geleen gebouwd.

Elektrochemie
Bij elektrochemie draait het dus om alternatieven voor traditionele chemische processen. Veruit het meest besproken is de groene route om waterstof te maken, via elektrolyse van water. Enkele – vaak minder bekende – industriële processen zijn al sinds jaar en dag elektrochemisch. Zo zijn bij de productie van chloor uit keukenzout elektrolyzers niet weg te denken. Ook bij de productie van aluminium uit bauxiet en bijvoorbeeld siliciumcarbide uit cokes en zand gebruiken de chemische processen enorme hoeveelheden elektronen.
Voor de productie van veel basischemicaliën worden vooralsnog andere wegen bewandeld. Het gaat vaak om processen die veel warmte nodig hebben en veel CO2 uitstoten. In de zoektocht naar schonere productiemethoden richten chemiebedrijven zich steeds meer tot de elektrochemie. Daarbij lijkt de productie van groen waterstof voor 2030 al een aardige vlucht te nemen. Tal van projecten zijn inmiddels aangekondigd, waarbij Nederland Europees gezien wel koploper is. Echter van nog maar weinig grootschalige projecten is een finale handtekening gezet. Het duurt naar verwachting niet lang meer.

Complexer
Volgens professor Marc Koper is op de middellange termijn vooral de elektrochemische omzetting naar waterstof kansrijk, en misschien ook mierenzuur. Omdat het hierbij om relatief eenvoudige, efficiënte reacties gaat. Bij de elektrolyse van water tot waterstof en zuurstof is op moleculair niveau een overdracht van slechts twee elektronen nodig, stelt hij. ‘Daardoor kan die reactie snel en zonder veel efficiëntieverlies worden uitgevoerd. Bij de overdracht van meer elektronen wordt de reactie toch complexer. Misschien dat die routes uiteindelijk wel interessant worden in de chemie, om bijvoorbeeld op een elektrochemische wijze ethyleen te maken of methanol. Chemische bouwstenen mogen doorgaans meer kosten dan energiedragers.’

In de zoektocht naar schonere productiemethoden richten chemiebedrijven zich steeds meer tot de elektrochemie.

Coolbrook

e-Refinery

Een interessant programma op het gebied van elektrochemie is e-Refinery. De TU Delft werkt daarin met verschillende partners aan elektrochemische processen, waarmee CO2 en water kunnen worden omgezet in koolwaterstoffen en chemische bouwstenen zoals bijvoorbeeld etheen.
Het e-Refinery project omvat veel disciplines, van fundamenteel materiaalonderzoek, tot een basisontwerp van een volledig 100 kW-systeem over vijf jaar. Het project richt zich in eerste instantie op de productie van etheen, maar dezelfde technologie kan ook bouwstenen als methaan, methanol, koolmonoxide en ammoniak elektrochemisch produceren.

Video
Share

Your name

Your e-mail

Name receiver

E-mail address receiver

Your message

Send

Share

E-mail

Facebook

Twitter

Google+

LinkedIn

Sign up

Sign up