CO₂ is de ultieme hernieuwbare koolstofbron voor het maken van duurzamere chemicaliën en materialen.  Een groot deel van de chemische downstreamindustrie is gebaseerd op ethyleen. Dus als je CO₂ kunt omzetten in ethyleen, sla je een enorme slag. Maar het is niet zo gemakkelijk om het superstabiele CO₂ ertoe te bewegen om te reageren tot één van de belangrijkste bouwstenen voor de chemische industrie. Er bestaan wel geavanceerde thermodynamische routes voor de omzetting van CO₂ zoals de Reverse Water Gas Shift (RWGS) en het is mogelijk om CO₂ en waterstof om te zetten in syngas (CO/H₂). Maar hiervoor is (groene) waterstof nodig en dat is vooralsnog niet breed beschikbaar. Daarom is het ook interessant om te kijken naar elektrochemische routes, waarmee directe CO₂-conversie op lage temperatuur mogelijk wordt.   

Grote downstream-markt 

Dankzij ontwikkelingen binnen de elektrochemie komt grootschalige productie van ethyleen uit CO₂ stap voor stap dichterbij. Binnen het vierjarige project RESET-CO₂ werkt TNO samen met de bedrijven Johnson Matthey, e-ethylene, VSParticle en Brusche Process Technology en de TU Delft. RESET-CO₂ (Renewable Ethylene via Scalable Electrochemical Technologies for CO₂ conversion) maakt deel uit van een groter TNO-onderzoeksprogramma om de potentie van de elektrochemische omzetting van CO₂ naar ethyleen te realiseren. Monalisa Goswami, business developer bij TNO, legt uit dat het zeker geen sinecure is om ethyleen uit het broeikasgas te maken. ‘Algemeen geldt dat hoe meer C’s uit CO₂ je aan elkaar wil koppelen, hoe moeilijker de synthese is. Daarom wordt veel gericht op de ontwikkeling van formiaat, mierenzuur en CO. De omzetting naar ethyleen kost veel meer energie.’ Maar als je kijkt naar marktvolumes, dan is het juist wel aantrekkelijk om je op ethyleen te richten, aldus Goswami. ‘Ethyleen is een basischemicalie met een hele grote downstream markt. Denk aan polyethyleen, ethyleen glycol, ethyleendichloride etc. met een bijhorende marktomvang van ongeveer 180 miljard dollar. De impact is dus veel groter.’  

‘Algemeen geldt dat hoe meer C’s uit CO₂ je aan elkaar wil koppelen, hoe moeilijker de synthese is’

Monalisa Goswami, TNO

Specifieke kennis  

Naar de elektrochemische omzetting van CO₂ naar ethyleen is wereldwijd al veel onderzoek gedaan en de technologie wordt op dit moment ingeschat op technology readiness level (TRL) 3. Daarbij gaat het vooral om onderzoek naar de juiste katalysatoren, reactiecondities en reactiemechanismes. Om de stap naar verder opschaling te zetten, is het belangrijk om op een integrale manier te kijken naar procescondities, stabiliteit van de elektrodes, het aanbrengen van de katalysator op de elektrodes en het optimale stack-design. Dan pas is het mogelijk om het elektrodeoppervlak op te schalen van een typisch 5 cm² tot een paar honderd cm². Om dit te bereiken zijn verschillende soorten expertises tegelijkertijd nodig, zegt Goswami.  

De deelnemende bedrijven hebben allemaal specifieke kennis die aan het einde van het project moet leiden tot een testmogelijkheid op een schaal van ongeveer 10 kW. Het team streeft in het project naar een conceptueel ontwerp voor een installatie met een schaal van meerdere kilotonnen per jaar.  

Om alles te stroomlijnen is kennisuitwisseling en de juiste positionering van alle partijen noodzakelijk. Goswami: ‘Brusche Process Technology ontwerpt en bouwt apparatuur om CO₂ af te vangen en te gebruiken. Een aandachtspunt in dit project is bijvoorbeeld of de zuiverheid en concentratie van het afgevangen CO₂ van invloed is op de omzetting. Het Franse e-Ethylene heeft een katalysator ontwikkeld voor de bewuste reactie. De vraag is of deze ook in een grotere elektrolyser werkt. Johnson-Matthey produceert juist katalysatoren op grote schaal, maar lukt dat ook voor deze specifieke katalysator? VSParticle is gespecialiseerd in technologie om nano-deeltjes op een unieke manier te produceren en aan te brengen op de elektrodes. We willen weten wat de beste verdeling op de elektrodes is om de reacties zo efficiënt mogelijk uit te voeren. TU Delft heeft veel kennis over het proces op laboratoriumschaal en TNO heeft de beschikking over grotere schaal testfaciliteiten, wetenschappers en process-engineers om processen op te schalen en tot eerste process designs te komen.’ 

‘Het is cruciaal om de elektrodes op een reproduceerbare manier in serie te kunnen maken’

Monalisa Goswami, TNO

Voor de elektroconversie van CO₂ naar ethyleen wordt gewerkt met een AEM (Anion Exchange Membrane)-elektrolyser en water als reactiemedium. CO₂ reageert met water tot ethyleen en zuurstof. Moleculair waterstof is hier, in tegenstelling tot veel elektrolyseprojecten, een bijproduct dat zoveel mogelijk vermeden moet worden. ‘We laten de reactie zodanig verlopen dat de ethyleenproductie dominant is en de productie van waterstof geminimaliseerd wordt’, zegt Goswami.  

[Lees verder onder de foto]

Draaitijd   

Het opschalen van het elektrochemische proces draait niet alleen om het productievolume, legt Goswami uit. Een ander belangrijk aspect is de stabiliteit van de reactoren gedurende een lange draaitijd. ‘De state-of-the-art voor CO₂ naar ethyleen ligt zo rond de 190 bedrijfsuren. Het liefst willen we zien dat dit verlengd kan worden met een factor 10. Daarbij spelen effecten als fouling een rol. Hierover is nog weinig bekend.’ Daarnaast is er aandacht voor het ontwikkelen van een gestandaardiseerde reactor. ‘Het is cruciaal om de elektrodes op een reproduceerbare manier in serie te kunnen maken, keer op keer.’ 

Naast de technische ontwikkelingen, speelt de praktische toepassing in een commerciële setting. Goswami: ‘Waar is een dergelijke installatie in de toekomst het beste te plaatsen? Heeft een bedrijf al een carbon capture installatie? Kan het geproduceerde ethyleen direct worden gebruikt in een vervolgstap?’ Een interessante eigenschap van elektrochemische processen is dat ze gemakkelijk ‘aan’ en ‘uit’ te zetten zijn. ‘Daar kun je gebruik van maken bij het inpassen van dit proces op een bestaande site. Je kunt zo profiteren van fluctuerend aanbod van elektriciteit, wat zo kenmerkend is voor duurzame energiebronnen.’ En juist ook dit laatste aspect maakt het een interessante ontwikkeling voor chemische sites.