De ambitie voor de chemische industrie ligt hoog, met tegen 2050 een netto nul-uitstoot van broeikasgassen. De weg daarnaartoe is in grote lijnen uitgetekend. Maar dat maakt de uitdaging niet eenvoudiger.  Vandaag ligt de focus vooral op vergroening van het energiegebruik en verhoging van de energie-efficiëntie. Chemische processen worden zuiniger gemaakt en meer aangedreven met energie uit koolstofarme bronnen. Dat gebeurt onder meer door processen deels of volledig te elektrificeren.

‘Deze vorm van verduurzaming, waarbij de energie van fossiele brandstoffen zoveel mogelijk wordt vervangen door de energie van groene stroom, noemen we elektrificatie 1.0’, zegt Quinten Van Avondt. ‘Maar we kunnen chemische processen ook diepgaander elektrificeren, door niet alleen de elektrische energie te gebruiken maar de elektronen van de stroom ook rechtstreeks in te zetten. Dat is elektrificatie 2.0.’ 

Fundament

Van Avondt is zakelijk directeur van het nieuwe Elektrificatie Instituut van de UAntwerpen, dat in mei boven de doopvont werd gehouden. Het wordt ingericht in BlueApp, een faciliteit van de Antwerpse universiteit op een bedrijventerrein langs de Schelde waar wetenschap en bedrijfsleven samenwerken op het vlak van duurzame chemie en materialen. Een honderdtal onderzoekers gaat er in nauwe samenwerking met de chemische industrie – die in de Antwerpse haven natuurlijk omnipresent is – sleutelen aan innovaties om processen te elektrificeren, en dit op een kostenefficiënte manier. Nieuwe innovaties worden niet alleen ontwikkeld, maar ook opgeschaald en gedemonstreerd, waarna ze richting de industriële praktijk kunnen. 

‘Er is zoveel potentie om chemische processen via elektrificatie te verduurzamen. De mogelijkheden zijn eindeloos.’

Annemie Bogaerts

Het nieuwe instituut kan als een flinke uitbreiding worden gezien van bestaande Antwerpse onderzoeksgroepen en -faciliteiten. Het gaat dus niet om een verhuis. ‘Hier is de basis gelegd voor het elektrificatie-onderzoek, en dat fundament blijft hier’, zegt professor plasmatechnologie Annemie Bogaerts vanop haar werkplek op de wetenschapscampus van de UAntwerpen. ‘Aan het nieuwe instituut zullen we op hogere TRL’s werken [technology readiness levels, red.] om zo dichter aan te leunen bij de industriële praktijk.’ Bogaerts heeft er enorm veel zin in, en ze voelt het ook als een roeping om basisonderzoek te valoriseren. ‘Er is zoveel potentie om chemische processen via elektrificatie te verduurzamen. De mogelijkheden zijn eindeloos. Dat maakt dit allemaal zeer relevant.’ 

Aan het Elektrificatie Instituut wordt er niet in het wilde weg geïnnoveerd. Er zijn drie onderzoekslijnen of elektrificatieroutes: plasmachemie, elektrochemie en elektrische verhitting (via inductie en weerstandsverwarming). ‘Deze routes worden algemeen gezien als de belangrijkste om de chemische industrie te verduurzamen’, zegt Van Avondt. ‘En in elk van de drie staat de UAntwerpen sterk.’ Inhoudelijk wordt elke onderzoekslijn gecoördineerd door één Antwerpse professor. 

Mildere omstandigheden

Bogaerts coördineert de plasmachemie-lijn. Daarin worden met behulp van elektriciteit plasma’s (geïoniseerde gassen) gecreëerd, waardoor gewenste chemische reacties kunnen plaatsvinden. In feite worden gassen zoals stikstofgas, koolstofdioxide en methaan geëlektrocuteerd, waarbij de moleculen niet uit elkaar vallen door thermische trillingen (de conventionele manier van chemisch kraken) maar door botsingen met elektronen opgewekt door de elektrische stroom. Met de gevormde radicalen en ionen kunnen basischemicaliën worden aangemaakt, zoals syngas (een mengsel van koolstofmonoxide en waterstofgas). Op basis daarvan kunnen synthetische koolwaterstoffen worden geproduceerd. Ook kunnen reactieve stikstofdeeltjes gevormd worden uit lucht, om er kunstmest mee te maken. 

Plasmachemische reacties kunnen bij mildere omstandigheden (lagere temperatuur en druk) plaatsvinden dan in de conventionele chemie. ‘En omdat het plasma de gasmoleculen activeert hebben we voor de meeste processen zelfs geen katalysatoren nodig’, zegt Bogaerts. ‘Op dit vlak staan we al behoorlijk ver in het onderzoek.’ Verder wordt onderzocht hoe de productiviteit van plasmareactors kan worden verhoogd. De Antwerpse plasmachemici beschikken over verschillende prototypes op laboschaal, die bijvoorbeeld CO₂ elektrisch kraken tot CO, en dit aan een tiental tot honderdtal liter per minuut. ‘Dat moet veel hoger, en daar werken we aan.’ 

Waterelektrolyse

In de onderzoekslijn elektrochemie wordt eveneens elektriciteit gebruikt om rechtstreeks aan chemie te doen, maar hier gebeurt dat voornamelijk in vloeibare, waterige middens en bij kamertemperatuur. De elektrolyse van water tot waterstof is een van de processen die onder coördinatie van Tom Breugelmans, professor elektrochemie, worden onderzocht. Vandaag wordt slechts vier procent van alle waterstof duurzaam geproduceerd, ook hier ligt er dus nog veel werk op de plank. ‘We bestuderen bijvoorbeeld alkalische waterelektrolyse, waarvoor de nodige materialen, waaronder de katalysatoren, vrij goed beschikbaar en betaalbaar zijn. Maar op het vlak van stabiliteit en efficiëntie is er nog veel winst te boeken.’ De onderzoekers werken hiervoor onder meer samen met de bij Antwerpen gelegen chemiereus Agfa, dat wereldleider is in scheidingsmembranen voor alkalische elektrolyzers. ‘Het bedrijf komt die membranen bij ons testen.’ Ook naar de elektrolyse van CO₂, waarna met het reactieproduct bijvoorbeeld mierenzuur kan worden geproduceerd, wordt onderzoek gedaan. 

Het Elektrificatie Instituut moet voor een versnelling in het onderzoek zorgen. Breugelmans: ‘In de elektrochemie gaat er momenteel internationaal heel veel aandacht naar opschaling. Daarmee willen we ook hier in Antwerpen bezig zijn. We bouwen momenteel aan een CO₂-elektrolyzer die drie kilogram per uur aan CO kan produceren. Volgend jaar moet deze pilootopstelling klaar zijn.’ 

De plasma- en de elektrochemie hebben overigens met elkaar gemeen dat de processen snel aan- en uitgeschakeld kunnen worden. Bogaerts: ‘Dit past natuurlijk goed bij de variërende beschikbaarheid van stroom uit hernieuwbare bronnen, zoals zon en wind.’ 

Ammoniakkraker

De derde onderzoekslijn is die van elektrische verhitting. Chemisch ingenieur Patrice Perreault bestudeert hoe met inductieve en weerstandsverwarming een ammoniakkraker kan worden aangedreven, in plaats van hiervoor aardgas te verbranden. Op de Antwerpse site van Air Liquide zal een pilootinstallatie van een elektrische ammoniakkraker worden gebouwd. Dit is eerder een voorbeeld van ‘elektrificatie 1.0’. Overigens bestaan er nog andere technieken om elektrisch te verwarmen, zoals met infraroodstraling en met warmtepompen, waarmee ook hoge temperaturen kunnen worden bereikt. Deze technieken worden in het Elektrificatie Instituut voorlopig niet onderzocht. 

De op- en inrichting van het Elektrificatie Instituut is een stevige investering voor de UAntwerpen. Hoe kan de universiteit die terugverdienen? ‘Het instituut zal samen met bedrijven onderzoek uitvoeren, in opdracht van hen of binnen projecten die door overheden worden ondersteund’, aldus Van Avondt. 

Ook bij het Genkse onderzoeksinstituut EnergyVille wordt de bijdrage die elektrificatie kan bieden aan de verduurzaming van de chemische industrie, hoog ingeschat. ‘Momenteel draait de Belgische chemische industrie voor zowat een derde van haar energiegebruik op elektriciteit’, zegt Wouter Nijs, coördinator energiestrategieën bij EnergyVille. ‘Dat lijkt al veel, maar vergeet niet dat de industrie aardgas en aardoliederivaten ook als grondstof gebruikt, bijvoorbeeld voor de productie van plastics. Daar moeten we ook vanaf. De verduurzaming van de chemische industrie blijft dus een enorme uitdaging.’ 

Nijs ziet vier grote manieren om de uitstoot van de chemie terug te dringen. Elektrificatie is er daar een van. Een andere is het gebruik van ‘duurzame moleculen’ zoals groene waterstof of methanol, vooral dan als grondstof. ‘We zullen zowel groene elektronen als groene moleculen nodig hebben, en we moeten ervoor zorgen dat beide voldoende beschikbaar zijn voor chemiebedrijven.’