Twee essentiële aspecten van de verduurzaming zijn een lagere elektriciteitsprijs en een hogere CO₂-prijs. De ontwikkelingen op die beide fronten beginnen verduurzaming nu langzamerhand in de kaart te spelen. “De elektriciteitsprijs is de afgelopen jaren gemiddeld gedaald”, zegt Ruud van Ommen.

“De CO₂-beprijzing lag tot voor kort niet op een niveau dat hoog genoeg was om echte verandering op gang te brengen. Maar de laatste tijd stijgt de CO₂-prijs. Die stijging zou weleens structureel kunnen zijn. Deze prijsontwikkeling past in de Europese plannen om de prijs de komende jaren stap voor stap naar een hoger niveau te brengen.” Prof. dr. ir. Van Ommen leidt aan de TU Delft de onderzoeksgroep Product & Process Engineering en is sinds 2019 directeur van het Delft Process Technology Insititute (DPTI, zie kader). Aangezien de industrie beseft dat elektrificatie op de lange termijn aan de orde komt, speelt elektrificatie van de procesindustrie sinds een paar jaar een rol in het DPTI-onderzoek. Er is vanuit DPTI zelfs een apart instituut voor e-Refinery opgericht.

Ruud van Ommen: "In een toekomstig energiesysteem met een wisselend elektriciteitsaanbod kan de procesindustrie een bufferrol spelen."

Realistisch

Een groeiend aanbod aan elektriciteit uit zon en wind leidt niet alleen tot een gemiddeld lagere prijs, maar brengt ook sterke prijsfluctuaties in korte tijd met zich mee. Bij harde wind met felle zon kan de prijs negatief worden, terwijl mist en windstilte de elektriciteitsprijzen hoog opstuwen. Wisselende prijzen verhouden zich moeizaam tot de huidige productieprocessen in de chemische industrie, die zo constant mogelijk worden gehouden in de tijd. Stilstand is een crime: het kost na een onderhoudsinterval vaak dagen voordat processen weer op volle kracht draaien.

“De toepassing van elektriciteit voor verwarming is relatief eenvoudig”, zegt Van Ommen. “Daarbij vervang je een fossiele verwarmingsbron door een elektrische en verder verandert er niets aan het proces. De vraag is alleen hoe realistisch en zinvol een dergelijke omslag voor de lange termijn is. In een toekomstig energiesysteem met een wisselend elektriciteitsaanbod zou de procesindustrie een bufferrol kunnen spelen door het overaanbod aan goedkope elektriciteit 'op te slaan' via productieprocessen die bijvoorbeeld duurzame brandstoffen opleveren.

Hoe kunnen de bedrijven maximaal profiteren van momenten met lage of zelfs negatieve elektriciteitsprijzen door hun productieprocessen mee te bewegen met het prijsniveau? Dat is deels een kwestie van software en procescontrole, maar zeker niet uitsluitend. Ook de installaties moeten met zo'n situatie kunnen omgaan. Dat kunnen de huidige installaties niet. Die moeten van opstarten in dagen veranderen naar bij- en afschakelen in uren of zelfs minuten.”

Battolyser  

Zolang installaties dat nog niet kunnen, is een extra technologie die balans creëert aantrekkelijk. Zoals de Battolyser, een energieopslag- en -productiesysteem, uitgevonden door Van Ommen's collega Fokko Mulder, hoogleraar bij de afdeling Chemical Engineering. Inmiddels is uit Battolyser een gelijknamige spin-off ontstaan, die hard werkt aan opschaling. Als de procesinstallaties zelf het wisselende energie-aanbod niet aankunnen, regelt de Battolyser dit voor ze. Het systeem kan elektriciteit opvangen en opslaan wanneer deze goedkoop is en vervolgens waterstof produceren als de batterij volledig is opgeladen. Later kan het systeem de opgeslagen elektriciteit benutten om waterstof te blijven produceren of kan het de opgeslagen elektriciteit gaan afleveren als de prijs hoog is. In principe kunnen conventionele elektrolysers en batterijen dit ook, maar de Battolyser-technologie doet dit beter en daardoor tegen lagere kosten.

Plasmatechnologie

Een verandering die het hart van het chemische proces raakt is de overschakeling van warmte naar elektriciteit om chemische processen op gang te brengen en te houden. Welke reactoren zet je voor deze elektrochemie in en hoe pas je die in in de bestaande processen?

Van Ommen: “Wereldwijd staat elektrokatalyse sterk in de belangstelling. Maar er zijn niet alleen katalysatoren nodig voor elektrochemie. Onderzoek naar reactoren en de benodigde elektrische of membraanscheidingsstappen staat veel minder in de belangstelling. Ook systeemintegratie blijft tot nu toe een ondergeschoven kindje. Juist dit zijn de aspecten die DPTI en e-Refinery hebben opgepakt om elektrochemie op systeemniveau verder te brengen.”

"e-Refinery ziet het als één van zijn belangrijkste opgaven om koolwaterstoffen direct te produceren uit hernieuwbare grondstoffen, CO₂ en stikstof."

Plasmatechnologie is één van de technologieën die aan de orde kan komen bij de elektrificatie van de chemische industrie. “Er zijn heel verschillende plasmaprocessen mogelijk”, zegt Van Ommen. “Je kunt de technologie bijvoorbeeld toepassen bij de oppervlaktebehandeling van polymeren, door bij een temperatuur van zo'n 50 graden Celsius een nanocoating aan te brengen. Van een geheel andere orde is de toepassing van plasma's voor vergisting van biomassa bij een temperatuur van 1000 graden. Een derde toepassing betreft de productie van fijnchemicaliën in een microreactor door middel van plasmatechnologie. Dit zit nog in een heel pril stadium.”

Dat geldt trouwens voor de meeste andere toepassingen van plasmatechnologie, aldus Van Ommen. “Bij de meeste toepassingen spelen nog belangrijke vragen rond de selectiviteit, schaalbaarheid en economische haalbaarheid. Het maakt deel uit van ons onderzoek, maar het is echt iets dat pas voor de langere termijn een rol kan gaan spelen in de procesindustrie.”

Kosteneffectief

Veel relevanter voor de kortere termijn is de vraag hoe je elektrificatie kosteneffectief kunt opschalen. “In de huidige situatie heb je een vat met katalysatorkorrels. Daarvoor geldt: hoe groter het volume in het vat, hoe kosten- en energie-efficiënter het proces zal werken. Bij elektrochemische cellen werkt dat niet zo.”

Enerzijds gaat het opschalen gemakkelijker, het is alleen maar een kwestie van meer cellen inzetten. Maar de keerzijde is volgens Van Ommen dat het kostenvoordeel met de toename van het volume veel kleiner is. “Wat wel kan is door cost down engineering en opschaling een kostendaling van de productie per cel te realiseren, zoals dat ook bij zonnecellen is gedaan.”

De TU Delft draagt aan deze ontwikkeling bij, onder andere door over een paar jaar op de eigen campus een elektrochemische cel operationeel te hebben die uit CO₂ en biogrondstoffen zo’n honderd liter kerosine per dag produceert. Hierbij zijn KLM, Sky Energy, Rotterdam Airport en Schiphol betrokken. “e-Refinery ziet het als één van zijn belangrijkste opgaven om koolwaterstoffen direct te produceren uit hernieuwbare grondstoffen, CO₂ en stikstof. Biologische routes met micro-organismen in combinatie met elektrificatie zijn ook onderdeel van onderzoek”, aldus Van Ommen.

Behalve kerosine komt er zoveel zuurstof vrij uit zulke processen, dat het voor de gebruikelijke toepassingen geen economische waarde meer heeft. Van Ommen: “Daarom betrekken we ook nieuwe toepassingen voor zuurstof bij het onderzoek, zoals milde oxidatie als eerste stap in het proces van biomassaconversie.”

Puntbronnen  

Behalve directe omzetting van CO₂ in producten, is er ook een indirecte route, waarbij CO₂ eerst via elektrokatalyse wordt omgezet in syngas, dat voornamelijk bestaat uit koolmonoxide en waterstof. Dit syngas is vervolgens inzetbaar in talloze gangbare chemische processen. “Deze indirecte route heeft als voordeel dat het sneller grootschalig gerealiseerd kan worden”, aldus Van Ommen. “Het nadeel is dat het uiteindelijk minder efficiënt is dan de directe omzetting, omdat er bij de omzetting van syngas veel warmteontwikkeling plaatsvindt.”

Zo worden in veel gevallen de ontwikkelingen voor de kortere en voor de langere termijn parallel aan elkaar ingezet. Voor de korte termijn gaat de meeste aandacht uit naar het afvangen van CO₂ als grondstof uit 'puntbronnen', oftewel de schoorstenen van industriële processen.

Verschillende e-Refinery-projecten richten zich hierop. Een voorbeeld is het Carbon Capture and Utilisation (CCU) project 'Electro to Chemical Bond' (E2CB), waarbij Shell, Yara, TNO, BASF en Tata Steel betrokken zijn. Van Ommen: “Het zal nog wel even duren, maar op een gegeven moment zijn zoveel processen verduurzaamd dat er onvoldoende puntbronnen beschikbaar zijn. Naar dat moment kijken we vast vooruit door ook 'Direct Air Capture' te onderzoeken, het afvangen van CO₂ uit omgevingslucht.”

DPTI

Het Delft Process Technology Institute (DPTI) is een virtueel instituut dat chemische procestechnologie vanuit allerlei vakgroepen en onderzoeksrichtingen binnen de TU Delft samenbrengt. Het verenigt onder andere kennis vanuit Chemical Engineering, Biotechnologie, Werktuigbouwkunde (Proces en Energie; Logistiek van Bulkmaterialen), Civiele Techniek (Waterzuivering) en Technische Bestuurskunde (Systeemniveau). Gezamenlijk brengen die specialisaties samenhangende kennis richting de chemische industrie.