“We hebben vandaag een grote stap vooruitgezet richting decarbonisatie van één van de sleutelprocessen van onze industrie”, zei Thomas Casparie, senior vice president van Shell Chemicaliën en Producten op 16 juni bij de opening van de e-cracking furnace experimental unit op de Energietransitie Campus Amsterdam. Deze unit is een initiatief van een consortium van Shell, Dow, TNO en ISPT en is een stap in de richting van elektrificatie van een van de meest koolstof-intensieve installaties binnen de petrochemische industrie: de (stoom)kraker.

Shell en Dow ondertekenden in 2020 een ontwikkelingsovereenkomst om de meest veelbelovende elektrificatie-routes te definiëren. “Deze eerste experimentele eenheid is het resultaat van hard werk door experts bij Dow en Shell”, vertelt Stephen Fowler, vice president Chemie, Downstream Processing en Bio Technologie bij Shell. “Specialisten in stoomkrakers, elektrotechniek, procesintensificatie, modellering en metallurgie werkten interactief en intensief samen. Hieraan werd het vakmanschap van specialisten in het bouwen van experimentele faciliteiten toegevoegd. Dat heeft tot het ontwerp en de bouw van de eenheid op de Energietransitie Campus Amsterdam geleid.” De opstelling is gerealiseerd met drieënhalf miljoen euro subsidie vanuit het MOOI-programma van de rijksoverheid.

Cruciale koelfase

Het conventionele stoomkraken van aardolieproducten (nafta) en aardgasproducten (ethaan, butaan, propaan) tot onder andere etheen, buteen en propeen is de afgelopen zeventig jaar uitgeoptimaliseerd. De kraker brengt de grondstof naar 550 tot 600 graden Celcius. Halverwege dat proces voert de installatie stoom toe. Dat mengsel wordt in de convectie-sectie langs een serie warmtewisselaars geleid. De volgende stap is de reactiesectie, waar het mengsel in buisreactoren een fractie van een seconde naar 800 tot 850 graden wordt opgevoerd en daarna even snel weer afgekoeld. Deze koelfase is volgens senior technology manager Kees Biesheuvel van Dow Chemical cruciaal en laat zich vergelijken met een stoelendans: “De moleculen worden gedwongen om met z’n tweeën op één stoel te gaan zitten, oftewel dubbele verbindingen aan te gaan, en zo bijvoorbeeld etheen te vormen. In de rest van de fabriek wordt het ontstane halffabrikaat vervolgens met allerlei scheidingstechnieken omgezet in het bedoelde product. In een vergelijking met postlogistiek: het juiste molecuul in het juiste vakje.”   

Het endotherme proces kent inmiddels 96 procent efficiëntie en een lage CO₂-uitstoot gerelateerd aan de energie-inhoud. “In essentie komt het huidige proces neer op het onttrekken van waterstof en methaan aan de grondstof. Deze restproducten dienen vervolgens als brandstof om het proces aan de gang te houden.”   

Energie compenseren

Voor vermindering van de CO₂-uitstoot bij het stoomkraken zijn er drie opties. De eerste: afvangen van de CO₂ aan de schoorsteen. Optie twee: het methaan omzetten naar waterstof en de CO₂ die zich bij de productie hiervan vormt afvangen en opslaan, de waterstof kan dan als brandstof voor het kraken worden ingezet. Er komt dan bij verbranding alleen waterdamp vrij. Biesheuvel: “Maar optie drie is toch wel de ultieme: etheen produceren met behulp van duurzame elektriciteit: e-Cracking. Dat is de weg die we momenteel ontwikkelen en testen.”

De kraker

Aan de basis van de huidige chemische industrie staan de FCC-krakers (fluid catalytic cracker) waarmee een raffinaderij de zwaardere koolwaterstoffen uit ruwe aardolie met behulp van een katalysator en waterstof omzet in lichtere koolwaterstoffen, zoals paraffine, kerosine, benzine en nafta. Een LHC-kraker (light hydro carbons), doorgaans stoomkraker genoemd, zet de nafta om in etheen, propeen en butadieen, de zogeheten olefinen, en in de zogenoemde cyclische verbindingen benzeen, tolueen en xyleen. Deze grondstoffen worden verder in de chemieketen verwerkt tot bijvoorbeeld plastics, latex en synthetisch rubber. Heel veel dagelijkse producten, van verpakkingen en sportschoenen tot mondkapjes en contactlenzen, zijn terug te herleiden tot dit proces.

Deze elektrische optie verschilt fundamenteel van wat Dow nu in de fabrieken doet, wat de opgave spannend en uitdagend maakt. Biesheuvel: “We weten hoe we fossiele grondstoffen tot de vereiste hoge temperaturen moeten brengen. Maar hoe doe je dat met elektriciteit?” Bij elektrificatie valt de mogelijke herbenutting van de waterstof en methaan in hetzelfde proces weg, dus elektriciteit moet ook die energie compenseren. Biesheuvel: “Hoe regel je de voorverwarming? Hoe zorg je daarna voor de razendsnelle opwarming en afkoeling in de buisreactoren? Zo zijn er talloze procestechnologische, elektrotechnische en materiaaltechnologische vraagstukken. Daarnaast is er de organisatorisch-logistieke opgave om de elektriciteitsinfrastructuur voor installaties van gigawatts te realiseren.”

Dit alles onder de randvoorwaarde dat de installatie een door en door betrouwbaar product van de juiste kwaliteit oplevert. Fowler benadrukt dit aspect: “Voor de reactietemperatuur van 850 graden ligt de temperatuur in de ovens ver boven de 1200 graden Celsius. Het is cruciaal dat deze omstandigheden veilig en betrouwbaar worden bereikt. De belangrijkste uitdagingen zijn dan ook het voldoen aan de eisen aan energie-input en het garanderen van temperatuur-uniformiteit en betrouwbaarheid van alle onderdelen.”

Twee sporen

Het consortium gaat de openstaande vragen langs twee sporen beantwoorden. De eerste invalshoek is hoe je de huidige stoomkrakers zou kunnen elektrificeren. De tweede benadering is hoe je een elektrisch kraakproces vanaf nul zou ontwerpen. “Beide benaderingen zijn relevant”, zegt Biesheuvel. “Er staan al heel veel stoomkrakers, wat zou het betekenen als je die ombouwt tot elektrische stoomkrakers? Daarnaast is de vraag hoeveel beter een volledig op elektriciteit ontworpen installatie zou zijn.” Een elektrische kraker kan theoretisch nog efficiënter dan een gasgestookte stoomkraker zijn. “Elektrisch biedt kansen, maar kun je die ook grijpen? Kun je de theorie ook in praktijk omzetten? Daarover zijn we gematigd optimistisch, maar een voldongen feit is het zeker niet.”

De experimentele unit, die werkt in het bereik van 10 tot 100 KW ingangsvermogen, is een goede weergave van het verwarmde oppervlak (stralingsgedeelte) van een conventionele oven. De proceszijde is vereenvoudigd om makkelijker en nauwkeuriger gegevens te kunnen genereren. Fowler: “Komend jaar zal de unit dienen om ons theoretisch elektrificatiemodel te testen. Dat model is ontwikkeld voor de aanpassing van de huidige gasgestookte stoomkrakers.” Het elektrificatiemodel is gebaseerd op theoretische aannames over de temperatuurprofielen en het warmte-inbrengprofiel voor het gekozen elektrische verwarmingsconcept. “De fysieke installatie zal ons gegevens verschaffen om deze veronderstellingen te valideren of te corrigeren. Dit is belangrijk om de vereiste warmtebelasting in het proces te krijgen.”

Kennisfundament

De voortdurende cyclus van testen, ontwerpen en modelleren, compleet met digital twins (digitale representaties van de fysieke werkelijkheid) van de chemische, mechanische en elektrotechnische aspecten, moet een kennisfundament over de essentie van het kraakproces opleveren, zowel voor het concept ‘elektrificatie bestaand’ als voor ‘volledig nieuw’. Fowler: “Het is ons uit de eerste resultaten al duidelijk dat de installatie veel inzichten oplevert.” Voor verdere inzichten in de fundamentele warmteoverdrachtsfysica worden ook links naar de technische universiteiten opgezet.

Als de gegevens van de unit het model hebben helpen valideren, kan het elektrificatieprogramma naar de volgende fase. Die omvat het ontwerp en de bouw van een multimegawatt-proefinstallatie. “Die kan, afhankelijk van de investeringssteun, in 2025 van start gaan”, aldus Fowler. Die proeffabriek zal hoogstwaarschijnlijk worden gebouwd op een operationele locatie en zal worden aangesloten op een bestaande faciliteit. Specifieker dan dit Fowler op dit moment nog niet zijn. Biesheuvel voegt eraan toe: “Die pilotplant zal in het meest optimistische geval vervolgens een aantal jaren zijn robuustheid moeten bewijzen voordat een operationele installatie van nog eens ongeveer een factor honderd groter aan de orde kan komen.”

Volgens Fowler zal uiteindelijk een combinatie van nieuwe technologieën, grondstoffen en energiebronnen nodig zijn voor een koolstofvrije chemische industrie. “Het areaal aan bestaande chemielocaties is complex en gevarieerd. Het tijdstip van beschikbaarheid van groene elektriciteit, groene waterstof, alternatieve grondstoffen en nieuwe technologieën wordt heel belangrijk. Daarnaast moet er nog een bestemming worden bepaald voor het huidige stookgas en de stoom. Die puzzel valt waarschijnlijk voor elke locatie anders uit.”

Shell, Dow, TNO en ISPT

De samenwerking tussen Shell en Dow bundelt hun complementaire expertise om de emissiedoelstellingen van beide bedrijven voor 2050 – netto nul-emissie – te halen. In 2021 sloten TNO en ISPT zich aan om de vooruitgang op korte termijn en doorbraken op langere termijn te versnellen. TNO heeft diepgaande kennis over toepassingen voor warmteoverdracht bij hoge temperaturen. Bovendien speelt de organisatie een leidende rol bij het identificeren van innovatieve elektrische technologieën voor industrietoepassingen. ISPT richt zich op de systeemintegratie van voorkeursconcepten. Daarbij wordt de dynamiek van doorbraaktechnologieën voor de energietransitie verbonden met die van nutsvoorzieningen en chemische infrastructuur.

Meer consortia

Het Dow/Shell/TNO/ISPT-consortium is niet het enige dat bezig is met de ontwikkeling van een stoomkraker op elektriciteit. In het Duitse Ludwigshafen werken BASF, SABIC en Linde er samen ook aan. Daarnaast is ‘Cracker of the future’, waarin Total Energies, Borealis, Repsol en Versalis (ENI) de technologie ontwerpen. Biesheuvel: “In Europa is de urgentie in verband met het nieuwe ETS en met ‘Fit for 55 nu’ al groot. Dat verklaart waarom deze ontwikkelingen zich allemaal in het extreem grote Noordwest-Europese chemiecluster concentreren. Het zou kunnen dat de VS binnen enkele jaren volgen, maar in de huidige consortia zijn veel wereldspelers al vertegenwoordigd.”

Normaal leggen chemiemultinationals een dergelijke procestechnologische vraag bij hun toeleveranciers neer. “Nu nemen zij zelf het voortouw”, zegt Biesheuvel. “Dat komt omdat dit niet hetzelfde is als een kraker bestellen. Deze technologie is nog niet zo ver dat zij een passend antwoord kunnen geven op onze algemene vraag. Bovendien hebben we als Dow en Shell intern al veel denkwerk verricht. We betrekken overigens wel ook toeleveranciers als hun kennis en expertise van meerwaarde is.”