Elektrificatie van de chemische industrie met plasmatechnologie
Introductie
Het project ‘Plasma Conversion of Methane’ maakt deel uit van het Groeifondsprogramma NXTGEN Hightech, dat gericht is op het ontwikkelen van innovatieve technologieën voor een duurzamere toekomst. Tijdens de 2024 AIChE® Annual Meeting in San Diego, het toonaangevende educatieve forum voor chemisch ingenieurs die innovatie en professionele groei nastreven, presenteerde Dirk van den Bekerom van TNO de laatste ontwikkelingen binnen dit project. Zijn presentatie benadrukte de cruciale rol van elektrificatie binnen de chemische industrie om de CO₂-uitstoot te verminderen en bij te dragen aan de klimaatdoelen van 2030 en 2050.
Een duurzame toekomst voor de chemische industrie
De chemische industrie draagt aanzienlijk bij aan de wereldwijde CO₂-uitstoot, waarbij vooral processen zoals naftakraken en waterstofproductie voor meststoffen grote vervuilers zijn. Naftakraken, een endotherm proces dat verwarmd wordt door het verbranden van het bijproduct methaan, produceert ongeveer 1 ton CO₂ per ton olefinen. Wanneer deze processen geëlektrificeerd worden en groene stroom gebruikt wordt, kan de CO₂-uitstoot aanzienlijk verminderd worden. Waterstofproductie voor meststoffen genereert zelfs 9 ton CO₂ per ton H₂. Daarnaast ontstaat er bij de productie van salpeterzuur uit ammoniak ook het bijproduct N₂O, een gas met een broeikaseffect dat 273 keer sterker is dan CO₂. Elektrificatie van deze processen is essentieel om de klimaatdoelen voor 2030 en 2050 te bereiken.
Plasmatechnologie: de kracht van elektrische energie
Plasmatechnologie biedt een innovatieve manier om processen te elektrificeren door elektrische energie direct toe te passen op het procesgas, waarbij een plasmafase ontstaat. Dit is vergelijkbaar met een elektrische vlam die snel zeer hoge temperaturen bereikt. Omdat de warmte lokaal in het gas wordt afgegeven, hoeft de reactor zelf niet opgewarmd te worden. Hierdoor is snelle in- en uitschakeling mogelijk, ideaal om in te spelen op de wisselende beschikbaarheid van hernieuwbare energie. Plasmatechnologie maakt gebruik van gangbare materialen zoals koper en staal en is daardoor niet afhankelijk van kritische grondstoffen. Het NXTGEN Hightech consortium, een samenwerking tussen onder andere Maastricht University, TNO en Sitech Services, werkt aan de opschaling van deze technologie op de Chemelot Campus.
Methaan plasma-pyrolyse: een slimme oplossing voor restmethaan
De plasmatechniek wordt binnen het NXTGEN Hightech consortium als eerste toegepast op methaanpyrolyse, met als doel het overtollige methaan dat ontstaat bij geëlektrificeerde stoomkrakers om te zetten in nuttige producten zoals ethyleen en acetyleen. Door methaan in deze vormen om te zetten, kan het economisch gewaardeerd worden en wordt verbranding vermeden, wat anders de CO₂-reductie teniet zou doen. Een voorbeeld van een bestaande toepassing is het Huels-proces, dat op industriële schaal methaan omzet in acetyleen en waterstof. Het project richt zich op het verbeteren van de productopbrengst en energie-efficiëntie om deze technologie economisch aantrekkelijker te maken.
Nieuwe toepassingen voor plasmaverwerking
Naast methaan kunnen ook andere stabiele moleculen verwerkt worden met plasmatechnologie. Een potentieel gebied is de plasmavorming van stikstof en zuurstof om NOx te produceren als meststoffen. Door NOx direct te produceren, kan de stap van ammoniakproductie, en de daarmee gepaarde uitstoot van N₂O, vermeden worden. Tevens wordt gekeken naar de omzetting van CO₂ in CO en de recycling van plastics.
Opschaling voor industrieel gebruik
In de pyrolyse kunnen verschillende koolwaterstoffen gevormd worden, waarbij ethyleen en acetyleen economisch gezien de voorkeur hebben. Door snelle afkoeling toe te passen, kunnen de reacties selectief worden gestopt op het gewenste product. Voor de opschaling wordt gewerkt met parallelle ontwikkeling op verschillende schalen. Het doel is een efficiënte schaalvergroting van lab- naar industrieel niveau, inclusief een 500 kW proefopstelling voor het Huels-proces en een 50 kW reactor voor het verbeteren van de ethyleenproductie.
Experimenten en numerieke modellen geven inzicht
Experimentele gegevens, zoals chromatografie en laserdiagnostiek, geven inzicht in de optimale omstandigheden voor methaanpyrolyse. Numerieke modellering ondersteunt deze experimenten door het inzicht in chemische reactiemechanismen en de temperatuurprofielen in de reactoren verder te verfijnen.
Conclusie: een groene en circulaire chemische industrie
De chemische industrie moet snel elektrificeren om de CO₂-uitstoot te verminderen. Plasmatechnologie biedt veelbelovende mogelijkheden om stabiele moleculen te verwerken en productloops te sluiten. De technologie wordt binnen Brightsite op industriële schaal ontwikkeld, met als eerste focus de methaanpyrolyse. Door opschaling en samenwerking met kennisinstellingen en de industrie kan deze plasmatechnologie een groene en circulaire chemische industrie mogelijk maken.
Wil je meer weten over dit project? Neem contact met ons op en we verbinden je met de juiste projectpartner.
