De vierde editie van de European Industry and Energy Summit (EIES) vond dinsdag 29 en woensdag 30 november 2022 plaats op de Brightlands Chemelot Campus. Een van de onderdelen tijdens deze bijeenkomst was de finale van een whitepapercompetitie voor young professionals. Het Brightsite team eindigde als tweede met de whitepaper ‘Plasma for methane valorization: the flame that doesn’t burn’
Aan de finale van de whitepaper-competitie namen drie teams van young professionals deel: een team van Rijkuniversiteit Groningen (RUG), een team van TNO en een samengesteld team vanuit Brightsite, Maastricht University (UM) en Sitech, kortweg team Brightsite. Het team dat vanuit Brightsite deelnam presenteerde een investeringsvoorstel op het gebied van plasmatechnologie. Het team bestaat uit Zowi Maijer (Chemical Engineer bij Sitech en betrokken bij Brightsite’s programmalijn 1 en 5), Margherita Altin (promovendus UM, voert computersimulatieonderzoek uit naar plasma bij het Brightsite Plasmalab), Maria Moreira de Azevedo (promovendus UM, focust zich op methaan conversie met plasma bij het Brightsite Plasmalab) en Martijn Ruijzendaal (Onderzoeker bij het Brightsite Plasmalab). “Voor mij is de klimaatuitdaging een belangrijke drijfveer. Het is mooi om te zien hoeveel motivatie er hier op de Chemelot site is om elektrificatie in te zetten om de klimaatproblemen te tackelen. Plasma is een mooie technologie die daaraan kan bijdragen, het is bijzonder daar als promovendus aan mee te werken”, aldus Martijn Ruijzendaal.
Zowi Maijer, Martijn Ruijzendaal, Margherita Altin, Maria Moreira de Azevedo (teamlid, niet in deze foto)
Alternatieve CH4-valorisatie
Het doel van de whitepapercompetitie is het schrijven van een investeringsvoorstel op het gebied van elektrificatie. “Wij zijn alle vier geïnteresseerd in plasma en betrokken bij het Brightsite Plasmalab”, vertelt Ruijzendaal. “Gezien de klimaatdoelstellingen moet de CO2-uitstoot omlaag. De chemische industrie is een van de grote CO2-uitstoters. Binnen deze sector is olefineproductie, de eerste stap in de productieketen van plastic, verantwoordelijk voor een groot deel van de uitstoot. De huidige productie van olefinen is afhankelijk van het kraken van fossiele grondstoffen. Dit gebeurt in stoomovens waar temperaturen tot 850 graden worden bereikt door verbranding van fossiele brandstoffen. Tijdens het proces wordt methaan (CH4) teruggewonnen en ingezet als brandstofgas voor de stoomovens, waardoor emissie in de atmosfeer wordt vermeden. Het overstappen op elektrische krakers, aangedreven met hernieuwbare energie, is een manier om de CO2-uitstoot bij productie van plastic terug te dringen. Implementatie van elektrisch kraken als warmtebron, betekent echter dat het geproduceerde methaan ongebruikt blijft. De ontwikkeling van e-crackers moet daarom vergezeld gaan van technologieën die gebruik kunnen maken van het methaan dat niet langer nodig is om de ovens te verwarmen, om te voorkomen dat het in de atmosfeer terechtkomt. Wij introduceren in onze whitepaper plasmatechnologie als mogelijke oplossing. We vergelijken de economische en ecologische waarde van plasmatechnologie met autothermische reforming (ATR), de leidende technologie die momenteel wordt ontwikkeld om hetzelfde probleem aan te pakken”, legt Zowi Maijer uit.
Via plasma ook koolstof omzetten
ATR – waarbij CH4 wordt gebruikt om H2 te produceren – is qua investeringskosten een kosteneffectieve productiemethode voor blauwe waterstof. Het gebruik ervan in combinatie met e-crackers lijkt daarom aantrekkelijk. Echter, het verschuift het probleem van de CO2-emissies naar een ander stadium van de olefineproductie. CO2 kan via Carbon Capture and Storage (CCS) opgeslagen worden, al brengt dat extra operationele kosten met zich mee en het is geen duurzame oplossing. “ATR redt de waterstof, maar hoe kunnen we tevens de koolstof uit CH4 vangen? Daar komt plasma om de hoek kijken. Ons investeringsvoorstel richt zich, via plasmatechnologie, op hoge temperatuur (>1500K) verwarmen van het overgebleven methaan, waardoor de chemische reacties worden aangestuurd om acetyleen en ethyleen te produceren (zie figuur). Het proces produceert waterstof en, na een hydrogeneringsstap, ethyleen, een bouwsteen voor plastic, zonder CO2-uitstoot”, stelt Ruijzendaal.
Financiële vergelijking
“Waar het voordeel van plasma is dat je naast H2 ook ethyleen als product hebt en dus hoge inkomsten in verhouding tot ATR, is het nadeel de benodigde kosten voor energie. Deze energiekosten zijn bij ATR lager, maar daar zorgen de kosten voor CO2-opslag en -emissie voor extra kosten en zijn de inkomsten lager vanwege het ontbreken van ethyleen als product. In ons voorstel laten we, voor verschillende (prijs)scenario’s voor onder meer CO2 zien dat plasma- en hydrogeneringstechnologie beter presteert dan ATR wat betreft variabele kosten en inkomsten. De kapitaaluitgaven (CAPEX) zijn bij plasma echter relatief hoog. We beschrijven verder wat er nog dient te gebeuren qua ontwikkeling van plasmatechnologie, er is zeker ruimte voor verbetering. In het Brightsite Plasmalab werken we hard aan het optimaliseren van het plasmaproces voor de productie van ethyleen”, benadrukt Maijer.
Waardevolle ervaring
Maria Moreira de Azevedo, PhD student Universiteit Maastricht: ”Ik vond het erg leuk om deel uit te maken van de wedstrijd met betrekking tot de elektrificatie van de industrie. Het was een uitstekende gelegenheid om het brede plaatje van mijn PhD-project te zien en de impact die het kan hebben op de industrie en de maatschappij. Bovendien was het geweldig om als team samen te werken met de Universiteit Maastricht en Sitech services. We konden verschillende standpunten en onze multidisciplinaire achtergronden delen om de white paper te schrijven. In die zin heb ik veel nieuwe dingen geleerd.
Margherita Altin, PhD student Universiteit Maastricht, is het daar geheel mee eens: “Ik vond het erg verfrissend om met ons team deel te nemen aan deze whitepapercompetitie. Normaal focus ik me op een klein stukje en mis je toch het grote plaatje. Hier zijn we echt met het geheel bezig, technologie én de businesscase. Dit helpt me te zien wat voor een effect mijn onderzoek kan hebben”.
ELECTRO Trail Europe 2023
Het winnende team mag volgend jaar met Industrielinqs en Voltachem mee met de ‘Electro Trail Europe (ELECTE)’, een tour door Europa langs verschillende elektrificatie- en elektrochemische projecten in Europa.
BRIGHTSITE PLASMALAB
Het Brightsite Plasmalab is een initiatief van Brightsite, UM en Brightlands Chemelot Campus. Dit unieke lab is de plek waar Brightsite partners UM, TNO en Sitech Services, samen met studenten en bedrijven, bestaande plasmatechnologie gaan optimaliseren en nieuwe plasmaprocessen zullen ontwikkelen.