Het ontwikkelen van plasma-apparatuur voor de industrie

Plasmatechnologie heeft de potentie chemische processen te elektrificeren. Brightsite en NXTGEN Hightech werken toe naar inzet op industriële schaal op Chemelot.

“Plasmatechnologie is een ‘game changer’ als het gaat om elektrificatie van processen in de chemische industrie”, stelt Hans Linden, Programma Manager bij Brightsite. “Met plasmatechnologie, gebruikmakend van elektriciteit opgewekt uit duurzame energiebronnen, kunnen we methaan omzetten in waterstof en hoogwaardige koolwaterstoffen zoals acetyleen en etheen, de basis voor kunststoffen, zonder dat er CO₂ vrijkomt. Er wordt niets verbrand en geen zuurstof gebruikt; alle methaan wordt gebruikt om koolstofhoudende producten en waterstof te maken.

“De onderzoeksresultaten uit het Brightsite plasmalab zijn veelbelovend, maar voordat we op industriële schaal aan de slag kunnen, moet het proces ontwikkeld worden en moet de apparatuur beschikbaar zijn om plasmatechnologie op te nemen in de fabrieksprocessen. We zijn verheugd dat we met de subsidie van het NXTGEN Hightech project de volgende stap kunnen zetten richting de concretisering van inzet van plasmatechnologie in de industrie.”

Ontwikkeling van plasma-apparatuur

“Voordat plasmatechnologie op grote schaal kan worden ingezet binnen de industrie, moet er nog veel gebeuren. Zo moet er apparatuur ontwikkeld worden om industriële installaties te bouwen. Die apparatuur is er nu nog niet, omdat er nog weinig fabrieken zijn waar plasmatechnologie de drijvende kracht is. Het NXTGEN-project draait dan ook om ontwikkeling van plasma-apparatuur. Daartoe moeten we bepalen wat de ideale schaal is voor een plasmamodule, waarvan er eventueel meerdere achter elkaar worden geschakeld”, zegt Linden.

“We moeten inderdaad onderzoeken wat de geschikte systeemgrootte is voor de omzetting van methaan naar waardevolle koolwaterstoffen. Een afweging waarbij we onder andere kijken naar de methaan conversiegraad en de opbrengst acetyleen en waterstof per eenheid, het type plasmabron, de aansluiting op het elektriciteitsnet en de kosten voor apparatuur. Door alle factoren mee te wegen komen we uiteindelijk tot één ontwerp. Voor andere plasmaprocessen dan acetyleen- en waterstofvorming, zal de puzzel waarschijnlijk net weer wat anders uitpakken en het optimum anders liggen”, verwacht Yves Creyghton, Plasmasysteem ingenieur bij TNO.

Onontgonnen terrein

Brightsite partners Universiteit Maastricht (UM), TNO en Sitech Services vormen de spil van dit NXTGEN Hightech plasma project en het Brightsite Plasmalab is de plek waar het uitgevoerd wordt. “Dit project is uitdagend, opschaling van plasmatechnologie tot industriële schaal is vrijwel onontgonnen terrein. Het is daarom belangrijk om verschillende expertises bij elkaar te brengen”, zegt Linden.

“Met het opschalen bewegen we ons in een veld dat nieuw is. De denkwijze die van toepassing is op traditionele industriële processen, past hier niet bij. Dat betekent dat we onze manier van denken moeten aanpassen. Van de klassieke opschaling die we kennen uit de traditionele chemie weten we veel. Maar hoe opschaling bij plasma werkt en tegen welke problemen of uitdagingen we aan zullen lopen is, weten we nog niet.

Andere opwarming

“Bij plasmatechnologie warm je het systeem op een andere manier op, dat vraagt om een andere werkwijze. Dat maakt dat we als team veel bredere vragen moeten stellen, we weten immers nog niet exact binnen welke kaders we moeten denken en werken als het gaat om proces- en projectrisicoanalyse. Qua proces probeer je je voor te stellen hoe het er op grote schaal uitziet en dan terug te redeneren hoe je daar kunt komen. Daarbij helpt het dat we vanuit onze expertise allemaal op een andere manier naar de uitdaging kijken en een waardevolle bijdrage kunnen leveren”, zegt Hans Kroon, consultant duurzame procesontwikkeling bij Brightsite.

Oud proces in een nieuw jasje

De basis van het plasmaproces is in de vorige eeuw in Duitsland ontwikkeld: het Hüls-proces waarin methaan wordt omgezet in waterstof en acetyleen. “Dit proces is ons referentieproces. Het is nooit vernieuwd en hoewel er op onder meer universiteiten veel onderzoek naar is gedaan, blijft het lastig het proces op een kleinere schaal na te bootsen. Aangezien de technologie niet gemoderniseerd is, is de verwachting dat het proces met de nieuwste inzichten efficiënter en selectiever ingericht kan worden. Dat maakt de ontwikkeling heel interessant”, vindt Creyghton.

“In het plasmalab werken we met een aantal installaties op verschillende groottes. We willen begrijpen welk gedrag het proces op verschillende schalen vertoont en waarom. Hoe beter we dat begrijpen, hoe sneller en beter we de stap naar de grotere schaal kunnen zetten. De verblijftijd in de reactor is in de orde van microseconden en bij enorm hoge temperaturen tot 10.000 graden Celsius. De kunst is de reactie op het juiste moment te bevriezen, een uitdaging, zeker met deze temperaturen. Wat we doen is een combinatie van modelleren en experimenteel onderzoek, dat maakt dit programma ontzettend interessant”, stelt Kroon.

Hoe verhit plasma gas?

Thomas Butterworth, assistent-professor aan de UM (faculteit Science Engineering): “Het is belangrijk dat we meer te weten komen over de plasmaprocessen en chemische kinetiek met behulp van meer fundamenteel onderzoek. We willen bijvoorbeeld precies begrijpen hoe plasma gas verhit. Met behulp van simulaties en laserexperimenten kunnen we fundamenteel mechanistisch begrip krijgen van wat er gebeurt op laboratoriumschaal.  Dat kunnen we dan vertalen naar grotere schaal, waarbij we hopen onze kennis te kunnen extrapoleren naar andere omstandigheden op basis van onze fundamentele kennis.

Het NXTGEN-project geeft ons de tijd en de ruimte om de belangrijke vragen over opschaling te onderzoeken en te beantwoorden. Het is waardevol om op deze manier samen kennis op te bouwen, waarbij expertise uit de industrie gecombineerd wordt met academisch inzicht. We merken ook dat de wetenschappelijke wereld met nieuwsgierigheid naar ons kijkt, ze willen zien of we het tot een succes gaan maken. Niet verwonderlijk omdat we een van de eerste onderzoeksgroepen zijn die plasmatechnologie willen opschalen.”

Consortium

Linden: “Naast ons kernteam betrekken we andere partijen bij dit project via een consortium. In totaal doen er nu dertien partijen mee, uit de hightech en chemische industrie, ondersteund door UM, Differ en TNO. De meeste bedrijven zijn van Nederlandse bodem, maar er zit ook een Canadees en een Duits bedrijf bij.”