TU Delft brengt elektrificatie van de chemische industrie in stroomversnelling

De wetenschappers van het e-Refinery initiatief, vorig jaar gelanceerd door de Technische Universiteit Delft, werken aan een radicale aanpassing van de nu nog op fossiele grondstoffen gebaseerde chemische industrie naar een op elektriciteit gebaseerde duurzame productie van chemicaliën en brandstoffen. Wat het initiatief uniek maakt, is de grensoverschrijdende aanpak: door verschillende wetenschappelijke disciplines bij elkaar te brengen, wordt de transitie versneld. Er is haast bij: onze chemiesector zal zijn traditionele grondstoffen en energiebronnen tijdig moeten vervangen door duurzame varianten als ons land in 2050 CO₂-neutraal wil zijn. Vanwege de schaal en complexiteit van de uitdaging moeten we nu al ver vooruitkijken. Dat is precies wat recente publicaties vanuit e-Refinery doen: in de afgelopen weken publiceerden onderzoekers over de opschaalbaarheid van duurzame chemische productieprocessen op basis van elektriciteit en over de koolstofvoetafdruk van nieuwe technologieën.

Grote ambities

De doelstellingen van het internationale klimaatakkoord van Parijs of die van haar Nederlandse zusje, het recent gepresenteerde klimaatakkoord, zijn op z’n minst ambitieus te noemen. Ten opzichte van het niveau van 1990 moet de uitstoot van broeikasgassen in 2030 met 49% en in 2050 met maar liefst 95% verminderd zijn. Dit heeft niet te onderschatten gevolgen voor onze chemische industrie. De chemische processen waar deze industrie nu op grote schaal gebruik van maakt, zullen fundamenteel moeten veranderen; we zullen moeten zoeken naar een hogere efficiëntie, meer hergebruik, andere grondstoffen en andere bronnen van energie.

Elektrificatie

Alle opties om dat voor elkaar te krijgen, worden momenteel bekeken, maar duidelijk is dat elektrificatie van de chemische productieprocessen noodzakelijk zal zijn. Hier speelt het vakgebied van de elektrochemie een belangrijke rol, aangezien het draait om het maken van chemische verbindingen met behulp van elektriciteit. Dit biedt niet alleen kansen voor de grootschalige productie van organische stoffen zonder fossiele brandstoffen te hoeven verbranden, maar ook voor de grootschalige opslag van energie in tijden dat duurzame energiebronnen meer produceren dan er nodig is. Bijvoorbeeld, met behulp van elektriciteit kan CO₂ uit de lucht tezamen met water omgezet worden in eenvoudige moleculen die als grondstof dienen voor de productie van brandstoffen of plastics. Dit proces is een voorbeeld van elektrolyse. Wetenschappers zijn volop bezig om dergelijke chemische processen te bestuderen en te verbeteren. Er wordt hard gewerkt aan katalysatoren, materialen en apparaten die de elektrolyse goedkoper maken.

Enorme schaal

Dit werk vindt nu vooral plaats op laboratoriumschaal. Er is dus nog een lange weg te gaan. Wie op bezoek gaat in een van de Nederlandse chemieclusters, bijvoorbeeld in de Europoort/Botlek, of de Eemshaven, zal zich snel realiseren dat de enorme schaal waarop de chemische industrie produceert een snelle en pijnloze transitie onmogelijk maakt. Er zijn hoge kosten mee gemoeid. En als die transitie in 2050 voltooid moet zijn, dan moeten de chemische fabrieken van de toekomst al vanaf 2040 of zelfs 2030 gebouwd gaan worden. Er blijft daarmee maar weinig tijd over om nieuwe chemische processen te ontwikkelen, uit te testen en op te schalen.

Als we niet tijdig gaan testen op een relevante, grote schaal, dan ontwikkelen we misschien elektrolyseroutes die helemaal niet opgeschaald kunnen worden. Als we op tijd de gewenste katalysatoren willen vinden, dan moeten we vooruitdenken.
― Dr. Thomas Burdyny, TU Delft

Gemeenschappelijke aanpak

Nederland kan niet achteroverleunen en vertrouwen op de vele kleine stapjes vooruit die wetenschappers wereldwijd momenteel zetten. In plaats daarvan moet ons land zevenmijlslaarzen aantrekken en weloverwogen grote stappen zetten. Die stappen kunnen de individuele belanghebbenden —overheden, bedrijfsleven, academische disciplines— niet zonder elkaar zetten.

Het Delftse e-Refinery initiatief is vorig jaar in het leven geroepen om de richting te wijzen voor die aanpak. Binnen e-Refinery werken zo’n veertig wetenschappers van de Faculteiten Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek & Technische Materiaalwetenschappen (3mE), Technische Natuurwetenschappen (TNW), Electrotechniek, Wiskunde en Informatica (EWI) en Techniek, Bestuur en Management (TBM), samen om multidisciplinair onderzoek mogelijk te maken, niet alleen op laboratorium- maar ook op veel grotere schaal. De afgelopen weken kwamen wetenschappers van e-Refinery met nieuwe resultaten.

Toekomstige katalysatoren

Zo geven werktuigbouwkundig ingenieur Dr. Thomas Burdyny en scheikundig ingenieur Dr. Wilson Smith in het tijdschrift Energy & Environmental Science adviezen over het testen van toekomstige katalysatoren. Burdyny: “De ontwikkeling van nieuwe katalysatoren is essentieel voor onze zoektocht naar een vorm van elektrolyse die efficiënt is op grote schaal. Alleen met de juiste katalysator kunnen we CO₂ uit de atmosfeer halen en in onze economie pompen. Uit ons onderzoek blijkt nu dat de schaal waarop het chemische proces wordt toegepast (in vaktermen: de stroomdichtheid) van invloed is op parameters die de efficiëntie van het proces als geheel bepalen. Met andere woorden, als we niet tijdig gaan testen op een relevante, grote schaal, dan ontwikkelen we misschien elektrolyseroutes die helemaal niet opgeschaald kunnen worden. Als we op tijd de gewenste katalysatoren willen vinden, dan moeten we onder industriële condities testen.”

Dr. Wilson Smith

Negatieve emissies

Ook recente resultaten van energiewetenschapper Prof.dr.ir. Andrea Ramirez Ramirez (eveneens gepubliceerd in het tijdschrift Energy & Environmental Science) proberen toekomstige ontwikkelingen in goede banen te leiden. Zij inventariseerde hoe zogenaamde ‘negatieve-emissietechnologieën’ hun koolstofvoetafdruk bepalen.

Ramirez Ramirez: “Er is veel aandacht voor technieken die meer broeikasgassen verbruiken dan dat ze uitstoten, en daarmee een ‘negatieve emissie’ hebben. Maar vanwege de grote verschillen in de beoordeling van de koolstofvoetafdruk lopen we het risico dat we tijd verspillen aan technologieën die in de praktijk onbedoeld een netto toename in broeikasgassen kunnen veroorzaken. We stellen vier criteria voor om technieken betrouwbaar als negatieve-emissietechnologieën te kunnen bestempelen. In het kort moet er sprake zijn van het afvangen en permanent opslaan van broeikasgassen, waarbij de onvermijdelijke uitstoot om dit voor elkaar te krijgen in detail bekend is en minder is dan de hoeveelheid afgevangen broeikasgas.”

Er is veel aandacht voor technieken die meer broeikasgassen verbruiken dan dat ze uitstoten. Maar vanwege de grote verschillen in de beoordeling van de koolstofvoetafdruk lopen we het risico dat we tijd verspillen aan technologieën die in de praktijk onbedoeld een netto toename in broeikasgassen kunnen veroorzaken
― Prof. Andrea Ramirez Ramirez, TU Delft

e-Refinery

Het werk van Burdyny & Smith en van Ramirez Ramirez zijn uitstekende voorbeelden van de e-Refinery aanpak. Burdyny: “Het veranderen van ons energiesysteem is een immense uitdaging. Het vereist doorbraken op het schaalniveau kleiner dan een menselijke haar tot op de schaal van hele landen. Samenwerking tussen wetenschap en industrie en tussen meerdere vakgebieden is onmisbaar. Dit is de benadering van het e-Refinery initiatief.”

e-Refinery is opgericht om op alle fronten het proces van elektrificatie van de chemische industrie en de integratie met de energiesector mogelijk te maken. In samenspraak met de Nederlandse industrie is gekozen om te beginnen bij een drietal bulkchemicaliën: waterstof, mierenzuur en etheen. Daarna zal ook gekeken worden naar de elektrochemische productie van methaan en methanol, koolmonoxide en ammoniak. Alleen door een dergelijke grootschalige elektrificatie zullen brandstoffen in de toekomst CO₂-neutraal kunnen worden.

Deze doelstelling van e-Refinery is onlosmakelijk verbonden met die van slimme elektriciteitsopslag. Door de twee sectoren met elkaar te integreren, kunnen overschotten of tekorten eenvoudig uitgewisseld worden tussen elektriciteit-verbruikende industrie en elektriciteitsleveranciers. Om beide doelstellingen te behalen, volgt e-Refinery een integrale aanpak; van materiaalontwerp in het laboratorium tot integratie in grootschalige systemen.

Ramirez Ramirez concludeert: “Het voorkomen van rampzalige klimaatverandering is een race tegen de klok. Het vereist internationale samenwerking en technologische ontwikkeling zoals we die nog niet eerder gezien hebben.”