Plasmatechnologie wordt gezien als ‘game ‘changer’ als het gaat om elektrificatie van processen in de chemische industrie. Opschaling van plasmatechnologie tot industriële schaal is echter nog onbekend terrein. In het Brighsite Plasmalab wordt hard gewerkt om bestaande plasmatechnologie te optimaliseren en nieuwe plasmaprocessen te ontwikkelen. De volgende belangrijke stap in het traject van opschaling is de bouw van een bench scale-opstelling voor de omzetting van methaan naar acetyleen en waterstof.
In 2050 moet de chemie in Nederland klimaatneutraal zijn. De inzet van groene elektriciteit speelt hierbij een sleutelrol. Brightsite focust zich onder meer op plasmatechnologie, een efficiënt elektrisch proces voor het splitsen en synthetiseren van moleculen. Met plasmatechnologie kan, gebruikmakend van elektriciteit opgewekt uit duurzame energiebronnen, methaan omgezet worden in waterstof en hoogwaardige koolwaterstoffen zonder dat er CO2 vrijkomt (zie kader ‘Wat is plasmatechnologie?’). Het proces van methaanvalorisatie met behulp van plasmatechnologie is een bestaand proces, in Duitsland ontwikkeld: het Hüls-proces. Dit proces, waarin methaan omgezet wordt in waterstof en acetyleen, draait op commerciële schaal (10MW per reactor, in een set van 4) in Duitsland. “We verwachten dit proces met de nieuwste inzichten efficiënter te kunnen inrichten, streven naar betere selectiviteit en kijken of we met minder energie toekunnen. Wel moesten we vanaf ‘scratch’ beginnen”, zegt Dirk van den Bekerom, plasmatechnologie expert van TNO, betrokken bij het Brightsite Plasmalab.
Cruciale stap richting toepassing
“Via haalbaarheidsstudies, procesverbeteringen en fundamenteel onderzoek werken we in het Brightlands Plasmalab aan de industriële opschaling van plasmatechnologie. Dat begint bij fundamenteel onderzoek op kleine schaal en bij een lage Technology Readiness Level (TRL). De volgende stap is toegepast onderzoek op bench scale om daarna toe te werken naar de realisatie van een pilotplant en mogelijk nog een demoplant om uiteindelijk de stap naar een commerciële plant te kunnen maken (zie Figuur 1)”, vertelt Wilbert Derks, vanuit Sitech actief als projectmanager bij het Brightsite Plasmalab. “Inmiddels is het onderzoek naar de omzetting van methaan op labschaal succesvol verlopen en zijn we toe aan de bench scale, de belangrijke tweede stap. Waar in de labopstellingen (1-10kW), veelal onder vacuüm, fundamentele principes verkend en concepten bewezen worden die essentieel zijn voor het fundamentele begrip van de technologie, richten we ons in deze stap op valideren en schaalbaarheid. We proberen het proces nu al net zo te runnen als het uiteindelijk op commerciële schaal moet gaan. Een eerste cruciale stap naar toepassing”, aldus Derks.
Dirk van den Bekerom, plasmatechnologie expert van TNO
“Er zijn twee technologieën waarop we ons focussen: arc-technologie en microgolfplasma. Met name arc heeft toekomst; het is een degelijke, robuuste technologie die beter op te schalen is. En de basis van de bench scale reactor (50kW) die we nu bouwen”, vult Van den Bekerom aan.
(Figuur 1)
Leren van bench scale
“Als we de stap naar pilotplant (TRL 6, 7) gaan maken, is de fase aangebroken om de stap naar buiten, uit het Brighsite Plasmalab, te maken. En dan zal Brightsite spin-out Thoriant de handschoen verder opnemen”, legt TNO-er Nicoleta Voicu uit, betrokken als projectmanager plasma. “Thoriant zal de vorming van waterstof en acetyleen met behulp van arc-technologie op een schaal van 500 kW uit gaan voeren. Dit vergt een scale-up met een factor 10 in vergelijking met de 50kW-reactor die we nu maken. In deze volgende, geavanceerde fase zal de technologie in een relevante omgeving, dichter bij commerciële toepassing, gedemonstreerd worden. Daarbij is de informatie die we opdoen met onze bench scale-opstelling onmisbaar. In elke stap leren we veel en dat kan vervolgens meegenomen worden naar de volgende stap”, benadrukt Voicu.
Derks: “Onze set-up is wereldwijd uniek, een high power plasma arc voor methaan plasmapyrolyse. Naast de tests die we uitvoeren met de arc-reactor, bouwen we parallel een calculatiemodel, waarmee we proberen te voorspellen en verklaren wat uit de reactor komt. We gaan verschillende configuraties testen en vergelijken met het model. Door deze twee te combineren kunnen we theorie (model) en praktijk verbinden.”
Alle partijen op één lijn krijgen
“De grootste uitdaging in deze fase zat in het design van de ARC-reactor. We zijn nu, na twee jaar, bijna klaar met de bouw ervan. We verwachten de reactor binnenkort operationeel te hebben. Omdat het een zeer complex proces is, waarbij verschillende partijen met specifieke expertises zijn betrokken, was het belangrijk om alle deelnemers op één lijn te krijgen en houden. Bij deze nieuwe set-up zijn onder meer plasmatechnici, engineers, fabrikanten en veiligheidsdeskundigen betrokken. Naast Brightsite-partners Sitech, TNO, Maastricht University (UM) en Brightlands Chemelot Campus zijn ook diverse andere partijen cruciaal, zoals Elektravon, BAM, Kuijpers, RVO, Ebert Hera, Array, PyroGenesis Canada en OCI. Door de verschillende culturen is het best lastig om te zorgen dat je dezelfde taal spreekt. Maar inmiddels begrijpen we elkaar en is het voor iedereen helder wie welke rol heeft. Het is een spannend project, maar zeer waardevol voor alle partners”, meent Voicu.
Sitech brengt met name kennis in over opschaling en engineering. TNO zal verantwoordelijk zijn voor dagelijkse gebruik van de ARC-reactor en met een team onderzoekers de resultaten interpreteren. En OCI heeft geïnvesteerd omdat ze dit proces als een van de opties voor toekomstige waterstofbronnen voor hun plants zien.
Het kernteam bij de 50 kW bench scale reactor in het Brightsite Plasmalab: v.l.n.r Nicoleta Voicu (projectmanager plasma van TNO), Dirk van den Bekerom (plasmatechnologie expert van TNO) en Wilbert Derks (projectmanager Brightsite Plasmalab van Sitech)
Methaan hoogwaardig benutten
Waarom juist methaan omzetten met behulp van plasmatechnologie? “In de toekomst zullen fabrieken zoals naftakrakers blijven, maar moet de CO2-uitstoot naar beneden. Waar methaan – dat als bijproduct (10%) vrijkomt in het kraakproces – nu wordt ingezet voor de verhitting van het kraakproces, zal in de toekomst elektriciteit gebruikt worden als energiebron. Als kraakinstallaties elektrisch worden verhit, dan is de geproduceerde methaan beschikbaar voor andere, waardevolle bestemmingen. Met behulp van plasmatechnologie kunnen we methaan optimaal benutten”, licht Voicu toe. De focus ligt nu dan ook op de vorming van acetyleen, en een volgende stap zou het rechtstreeks omzetten van methaan naar ethyleen kunnen zijn. Maar er zijn meerdere mogelijkheden met plasmatechnologie. Het is niet alleen toe te passen op koolwaterstoffen, maar ook binnen de stikstofketen. Zo wordt in het Brightsite Plasmalab, dankzij een toegekende MOOI-subsidie (Missiegedreven Onderzoek, Ontwikkeling en Innovatie), tevens gewerkt aan zogenaamde stikstoffixatie. Deze onderzoekspoot wordt, net als methaan, op meerdere schalen tegelijk ontwikkeld.
Wat is plasmatechnologie?
Plasmatechnologie heeft de potentie chemische processen te elektrificeren met (groene) stroom en waterstof en grondstoffen te produceren voor de chemische industrie zonder dat er CO2 vrijkomt. Plasma wordt ook wel de vierde aggregatietoestand genoemd, naast vast, vloeibaar en gas. Wanneer een gas in een voldoende sterk elektrisch veld wordt gebracht ontstaat een toestand waarin gasmoleculen ioniseren. Dit geïoniseerde gas bestaat uit gasmoleculen en reactieve deeltjes zoals ionen, elektronen en radicalen. Deze combinatie van reactieve deeltjes maakt (nieuwe) chemische reacties mogelijk. In het hart van deze elektrische vlam, het hart van de plasmawolk, is de temperatuur heel hoog. Onder deze omstandigheden kunnen zeer snel moleculen gesplitst en gevormd worden. En omdat een plasma gevormd wordt met elektrische energie is het proces erg duurzaam wanneer er groene elektriciteit wordt gebruikt.
Over het Brightsite Plasmalab
Het Brightsite Plasmalab is een uniek lab waar Brightsite partners UM, TNO en Sitech, samen met studenten en bedrijven, bestaande plasmatechnologie optimaliseren en nieuwe plasmaprocessen ontwikkelen. Door de mogelijkheden van plasmatechnologie te combineren met innovatieve state-of-the-art technologieën en daarnaast fundamenteel onderzoek uit te voeren verwachten we belangrijke doorbraken in duurzaamheid te kunnen maken. Het hoogwaardig omzetten van methaan is een van de pijlers van Brightsite op het gebied van plasmatechnologie. De focus ligt eerst op omzetting naar acetyleen en de volgende stap zou het rechtstreeks omzetten van methaan naar ethyleen kunnen zijn. Er wordt tevens gekeken naar andere mogelijkheden voor de toekomst.