hoe liggen de kansen voor elektrisch kraken?
Europese chemiebedrijven werken samen aan ontwikkelen van elektrische naftakrakers
Een tiental chemiebedrijven in Europa zet vaart achter de ontwikkeling van elektrische naftakrakers. Ze verwachten hiermee hun CO2-uitstoot fors te kunnen verminderen. Binnen enkele jaren komen de eerste demonstratie-installaties in bedrijf en mogelijk al in 2026 de eerste commerciële installatie. Hoe liggen de kansen voor elektrisch kraken en wat komt er allemaal bij kijken?
drie categorieën van elektrisch kraken
Cruciaal voor het welslagen van deze ontwikkeling is dat de elektrische krakers qua veiligheid en beschikbaarheid niet onderdoen voor conventionele krakers. “De klassieke krakers zijn zeer efficiënt. Ze kunnen doorgaans vijf jaar continue produceren voordat een gepland groot onderhoud nodig is. Gewoonlijk bestaan ze uit een tiental ovens, zodat ook een van de ovens ontkoold of onderhouden kan worden, terwijl de andere ovens doordraaien”, verklaart Kevin Van Geem, hoogleraar thermochemische reactietechniek aan de Universiteit Gent. Hij doet onderzoek naar processen die de transitie van fossiele naar hernieuwbare grondstoffen mogelijk maken.
Van Geem onderscheidt drie categorieën van elektrisch kraken. De eerste lijkt op een klassieke kraker, maar hierbij geschiedt de verhitting met metalen draden, die net als bij een broodrooster heet worden als ze onder een elektrische spanning worden gezet. Doordat ze vlak bij de reactorwand staan, warmt die op en straalt de warmte naar de buizen waar nafta en krakerproducten doorheen stromen. BASF werkt, zo bleek op het derde Annual Innovative Development Catalysis Forum in maart 2021, samen met Linde en SABIC aan een gelijkaardig concept waar de reactorbuizen direct worden opgewarmd door ze onder een elektrische spanning te zetten.
“De Deense technische universiteit DTU heeft in Science een artikel gepubliceerd over een analoge technologie waarbij de reactorbuis is gemaakt van een typische weerstandslegering voor toepassingen van stoomreforming (Science, 364, 756–759, 2019). In München werkt het bedrijf Sypox aan de ontwikkeling van elektrisch verwarmde gestructureerde katalysatoren voor waterstofproductie, een principe dat eventueel ook voor stoomkraken kan worden gebruikt.
De derde categorie ten slotte, betreft de technologie van de Finse Coolbrook. Die warmt gasvormig nafta op met behulp van een rotor die razendsnel draait en het gas zo een supersonische snelheid geeft. Vervolgens botst het gas op een diffusor, die het gas dwingt om af te buigen. Dit brengt een schokgolf teweeg, waardoor de kinetische energie van het gas wordt omgezet in thermische energie, oftewel in warmte. “De temperatuur van het gas loopt daarbij snel op. Na een paar rondes is de gewenste temperatuur voor het kraken bereikt”, legt Van Geem uit. Siemens Energy heeft onlangs aangekondigd dat ze een turbomachine inzetten om eenzelfde effect te bereiken.
Ontwikkeling in consortiumverband
Elk van de drie categorieën kent nog verschillende varianten, aldus Van Geem. Daarnaast zijn er nog andere mogelijkheden om etheen te maken dan met krakers, zoals door het dehydrateren van ethanol gemaakt van biomassa of CO2. “Dat is een route, die zeker een kans maakt en waarvoor te zijner tijd ook wel een markt zal zijn”, aldus Van Geem.
In het onlangs geopende Brightsite Plasmalab op de Chemelot Campus in Geleen doet de Universiteit Maastricht samen met andere partijen onderzoek naar chemische processen met behulp van plasma’s (geïoniseerde gassen), waaronder kraken. “Door de hoge temperatuur in plasma’s ontstaat er echter acetyleen als ongewenst bijproduct, dat je vervolgens moet hydrogeneren om er etheen van te maken. Dat maakt het commercieel minder interessant”, zegt Van Geem.
“In de eerste fase hebben we gekeken naar alle technieken om gassen op te warmen met behulp van elektriciteit”, zegt Walter Vermeiren, voorzitter van het consortium Cracker of the Future en hoofd technologie Intelligentie bij TotalEnergies. “Daar zijn dertien concepten uit voortgekomen, waaronder ook het verwarmen met microgolven en plasma’s, maar die technieken werden beschouwd als niet schaalbaar en alleen leuk voor het lab. Uitgaande van schaalbaarheid en maturiteit zijn we uiteindelijk bij vijf technieken uitgekomen.”Brightlands Chemelot Campus in Geleen coördineert het consortium Cracker of the Future. De eerste gesprekken startten enkele jaren geleden met acht bedrijven die samen de mogelijkheden voor elektrisch kraken wilden verkennen. Shell en Dow trokken zich terug om later samen met de ontwikkeling van elektrisch kraken verder te gaan. “De overige vijf bedrijven sloten een overeenkomst om gezamenlijk state-of-the-art literatuuronderzoek te doen en kennis uit te wisselen”, verklaart Lia Voermans, directeur innovatiestrategie van Brightlands Chemelot Campus.
In de tweede fase werd de achtergrondkennis van de deelnemende bedrijven bekeken. “Door alles bij elkaar te brengen kon het consortium als geheel een keuze maken voor het concept met de meeste kans van slagen”, aldus Voermans.
De overgebleven vier partijen, Borealis, LyondellBasell, BP en TotalEnergies gingen door met het bestuderen van de vijf concepten en begonnen met het consulteren van bedrijven die elektrisch verwarmen al toepassen in andere domeinen om te kijken of hun technieken geëxtrapoleerd konden worden naar elektrisch kraken.
"We staan open voor elke andere optie als die snel opschaalbaar mocht blijken”
Keuze gemaakt
“Na negen maanden viel de keuze op het concept van Siemens Energy, omdat we dit snel zouden kunnen uitwerken en opschalen”, zegt Voermans. “We houden nog wel een andere optie als tweede mogelijkheid achter de hand en staan open voor elke andere optie als die snel opschaalbaar mocht blijken.”
Begin oktober 2021 zijn Siemens Energy en Technip Energies in samenwerking met het consortium begonnen aan de gezamenlijke ontwikkeling van de Rotating Olefins Cracker-technologie. Zij werken nu aan een prototype. Als die getest is, beslist het consortium over de bouw van een demonstratie-eenheid. Die zal in een bestaande fabriek worden geïntegreerd en naar verwachting in 2023 in bedrijf komen. Als dit slaagt, dan zal elektrisch kraken met deze techniek vanaf 2026 commercieel toepasbaar zijn, zo verwacht het consortium.
Shell en Dow mikken op een proefinstallatie in 2025, waarna ze hun technologie na enkele jaren verwachten te kunnen opschalen.
In september 2021 hebben het Spaanse Repsol en het Italiaanse Versalis, onderdeel van Eni, zich bij het Cracker of the Future-consortium gevoegd. Het consortium telt nu vijf bedrijven, inclusief Borealis, BP en TotalEnergies, die samen goed zijn voor ongeveer een derde van de stoomkraakcapaciteit in de Europese Unie.
Over de techniek van Siemens kan Vermeiren niet veel zeggen, omdat dit nog vertrouwelijk is. “Het voordeel is dat kinetische energie van het gas wordt omgezet in warmte, waarbij de warmte vanuit de moleculen zelf ontstaat. Het warmtetransport door een metalen wand, dat meestal de limiterende factor van een kraakproces is, wordt zo omzeild. Hoewel het principe van kinetische energie omzetten in thermische energie goed gekend is in de fysica, is het nooit toegepast, omdat verbranden van aardgas tot nu toe de goedkoopste manier was om kraakovens te verhitten”, licht Vermeiren toe. Welke investering de demonstratie-eenheid van Cracker of the Future vergt, is nog niet precies bekend. “In het komende half jaar kijken we naar de financieringsmogelijkheden en zullen we ook een aanvraag indienen bij een van de Europese financieringsmechanismen”, aldus Voermans.
Finse ontwikkeling in Nederland
Los van het Cracker of the Future-consortium werkt ook het Finse technologiebedrijf Coolbrook aan de ontwikkeling van elektrisch kraken, samen met het Japanse Mitsubishi. In de loop van dit jaar start het bedrijf met het uitvoeren van tests in zijn nieuwe proeffabriek op de Brightlands Chemelot Campus. Hierover is eerder het artikel Elektrisch naftakraken met de rotodynamische reactor in NPT verschenen. Coolbrook’s rotodynamische reactor werkt met een rotor, stator en diffusor en maakt eveneens gebruik van de omzetting van kinetische energie in warmte.
Van Geem: “De uitdaging is robuuste materialen te vinden, zodat de reactoren bij elektrisch kraken lang achtereen kunnen blijven draaien. Uit proeven zal moeten blijken hoe lang de onderdelen van een reactor, zoals de rotor meegaan en of ze gemakkelijk te vervangen zijn.”
“Hoe lager de partieeldruk, hoe beter de selectiviteit van het kraakproces"
Selectiviteit
Net als bij een stoomkraker, zal er ook bij een elektrische kraker stoom aan de nafta toegevoegd moeten worden om de krakerproducten zoals etheen, propeen en butadieen te verdunnen, zodat hun partieeldruk lager wordt. “Hoe lager de partieeldruk, hoe beter de selectiviteit van het kraakproces. Het is een thermisch proces, geen katalytisch proces, zodat de fysische condities uiteindelijk de selectiviteit bepalen”, aldus Vermeiren.
Stoom is ook nodig om de reactor bij onderhoud van gevormde cokes te ontdoen. Of zich ook bij rotodynamische krakers cokes vormt, is nog onduidelijk. Of de elektrische kraker minder energie gebruikt, valt volgens Vermeiren moeilijk te zeggen. “Je kunt het lastig vergelijken met een klassieke stoomkraker, omdat daarbij de warmtehuishouding met de rest van de productie geïntegreerd is.”
Ongeveer 40 procent van de verbrandingswarmte van aardgas komt ten goede aan het kraken van de nafta, ongeveer 60 procent gaat naar de convectiezone waar warmtewisselaars ongeveer de helft van de warmte aan de verbrandingsgassen onttrekken. Met die warmte wordt krakervoeding opgewarmd en stoom opgewekt, die onder andere gebruikt wordt voor het aandrijven van compressoren en het verwarmen van destillatiekolommen in de volgfabrieken.
“Het elektrisch kraken zelf kan heel efficiënt gebeuren”, vervolgt Vermeiren. “Maar alle energie, die je bij de klassieke kraker met stoom aanbrengt, moet je nu op een andere manier toevoeren. Een compressor kan in elk geval met een elektromotor worden aangedreven en draait dan nog efficiënter. En destillaties kun je ook wel elektrisch uitvoeren. Maar we kunnen vandaag nog niet zeggen of we het met elektrische krakers qua energiegebruik overal beter zullen gaan doen.”
Groene elektriciteit noodzakelijk
De bedoeling is wel zoveel mogelijk elektriciteit in te zetten, om zo de CO2-uitstoot tot een minimum te kunnen beperken. Voorwaarde is dat dit groene elektriciteit is. “Als een kraker draait op grijze elektriciteit schiet je er niets mee op en stoot je zelfs meer CO2 uit”, vervolgt Van Geem. Het komt dus aan op de beschikbaarheid van CO2-neutrale elektriciteit van windparken en kerncentrales. Hij verwacht dat een elektrische kraker zo’n 300 tot 500 megawatt aan vermogen zal vragen, wat overeenkomt met de capaciteit van een kerncentrale of een groot windpark op zee.
Van Geem wijst er nog op dat er niet alleen CO2-emissies zijn gemoeid met het kraakproces, maar ook met de winning en verscheping van aardolie en de verwerking ervan tot nafta. “Met elektrisch kraken ben je er dus nog niet, tenzij je de kraker voedt met pyrolyse-olie afkomstig van plastic afval. De CO2-uitstoot is dan nul, omdat je op die manier de keten sluit. Daarom verwacht ik, dat als elektrisch kraken opkomt, ook de recycling van plastics een vlucht zal nemen ten koste van het gebruik van nafta.”
Lees meer over elektrisch kraken:
Accelerating electrification with the “Cracker of the Future” Consortium | Brightlands
Coolbrook makes petrochemical industry more sustainable with innovative pilot | Coolbrook
