Membraanreactoren geschikt voor elektriciteitscentrales
ECN ontwikkelt nieuwe technologie waarmee elektriciteitscentrales straks goedkoper CO2 kunnen afvangen. Voor deze technologiezijn nieuwe katalysatoren nodig, daarnaar doet ECN onderzoek. "Voor één van die katalysatoren hebben we pas octrooi aangevraagd", zegt Jean-Pierre Pieterse, onderzoeker van de ECN-unit Waterstof & Schoon Fossiel.
Pieterse doet onderzoek naar katalysatoren die het afvangen van CO2 vóór de verbranding van aardgas en kolen mogelijk maken. “Dit kun je bijvoorbeeld doen door aardgas met stoom om te zetten in CO2 en waterstof. De waterstof scheid je daarna af van het CO2-rijke gasmengsel en voer je vervolgens als brandstof toe aan een gasturbine om elektriciteit te maken. En de CO2 sla je op in een leeg gasveld, zo is het idee."
Met bestaande technologie is dat best kostbaar: de stroom van een centrale met CO2-afvangst is 30 tot 40 procent duurder aangezien de CO2-afvangst extra energie en apparatuur vergt. "Daar komen dan nog de kosten voor transport en opslag van CO2 bij. Onze uitdaging is om processen en materialen te ontwikkelen, waarmee dit beduidend goedkoper kan,” legt Pieterse uit.
ECN werkt hierbij aan twee opties: het scheiden van waterstof en CO2 met behulp van een membraan waar alleen de waterstof doorheen gaat, en absorptiemiddelen die de CO2 vasthouden en de waterstof laten doorstromen. "Beide processen maken gebruik van katalysatoren om de fossiele brandstof in waterstof en CO2 om te zetten. Ze zijn veel efficiënter dan de bestaande processen om CO2 uit gasstromen af te vangen", aldus Pieterse.
Configuratie van een elektriciteitscentrale op aardgas waar vooraf CO2 wordt afgevangen met een ECN-membraanreactor.
Membraan en katalysator geïntegreerd in reactor
ECN beschikt over grote testopstellingen om deze technologieën op flinke schaal te kunnen beproeven. Pieterse vertelt over de katalysatoren die daarbij gebruikt worden en neemt membraanscheiding als voorbeeld. Producenten die waterstof maken voor de olieraffinaderijen en ammoniakproducenten maken ook gebruik van methaan (aardgas) maar dan als grondstof en zetten dit eveneens met stoom om in waterstof en koolmonoxide (stoomreforming) met een nikkel-katalysator bij temperaturen rond de 850 °C. Pieterse: "Wij kunnen dat bij 500 à 600 °C doen, omdat we gebruik maken van een membraan dat we met een nikkelhoudende katalysator integreren in een reactor."
De waterstof die zich aan het katalysatoroppervlak vormt, wordt meteen via het membraan afgevoerd. Het afvoeren van de waterstof leidt ertoe dat de reactie van aardgas naar waterstof blijft lopen. Zonder afvoer van waterstof kan de volledige omzetting van aardgas in waterstof alleen bereikt worden bij een veel hogere temperatuur. Pieterse: "Omdat we het voedingsgas niet hoeven op te warmen tot 850 maar slechts tot ongeveer 600 °C, besparen we energie. Met het membraan scheid je bij die temperatuur ook meteen de waterstof van de CO2. Hiervoor hoef je het gasmengsel niet eerst af te koelen tot 35 °C (zoals bij de conventionele CO2-afvangst gebeurt) om de waterstof daarna weer op te warmen voordat het de gasturbine ingaat. Ook daarmee bespaar je energie. Als we deze waterstof-membraanreactoren in Nederland op grote schaal zouden inzetten bij de elektriciteitsproductie en in de procesindustrie, zou dat een energiebesparing van naar schatting 24 petajoule per jaar op kunnen leveren. Dit komt overeen met de energie-inhoud van 575.000 ton olie, ruwweg de inhoud van een supertanker."
Promotoren sturen katalysator bij
Op papier ziet het proces er simpel uit, maar in de praktijk zitten er haken en ogen aan. Onder de heersende omstandigheden reageert een deel van de koolmonoxidemoleculen in de membraanreactor met elkaar tot een soort roetdeeltjes, die de werking van de katalysator verminderen. Doordat tegelijk waterstof wordt onttrekken, gaat dat ‘roeten’ nog harder. "We kunnen dit tegengaan door de nikkelkatalysator te voorzien van bepaalde promotoren, stoffen die de katalysator helpen om de reacties de gewenste kant op te sturen", aldus Pieterse. Veel meer wil hij er niet over kwijt, omdat ECN bezig is hiervoor een octrooi aan te vragen.
Katalysatorfabrikanten passen promotoren vaak toe. Het gaat daarbij om onder andere alkalimetalen en zeldzame aardmetalen, zoals scandium, yttrium en lanthaniden. Welke ze toepassen en in welke combinatie vertellen ze niet. Dat is het geheim van de kok. ECN doet op dit gebied ook onderzoek in samenwerking met de TU Eindhoven.
De hoge partiaalspanningen (druk) van de stoffen in de membraanreactor leveren nog een ander probleem op, namelijk sinteren. De nikkeldeeltjes die fijn over het drageroppervlak van de katalysator zijn verspreid, gaan samenklonteren waardoor de katalysator minder actief is. Pieterse: "Dat kun je ondervangen door de actieve metaaldeeltjes met promotoren te verankeren in de poreuze structuur van het dragermateriaal van de katalysator. Daardoor vermindert hun bewegingsvrijheid en kunnen ze moeilijker samenklonteren."
Naast de stoomreforming met membraanreactoren kijkt ECN ook naar membranen en water-gas-shift katalysatoren voor de reactie van koolmonoxide met water (stoom) naar CO2 en waterstof. "We bekijken of we hiervoor commerciële katalysatoren met ijzeroxide en chroomoxide en membranen kunnen inzetten. Ook speuren we naar nieuwe materialen met een hogere activiteit die bij een lagere temperatuur werken. Overigens komen in de gasstroom afkomstig van kolenvergassing ook zwavelverbindingen voor. Dus daar moeten deze katalysatoren tegen kunnen."
Twee reacties in één reactor plus een geschikte katalysator om CO2 te scheiden van brandstof H2, dat is de membraanreactor van ECN.
Veel investeringen en demonstratieprojecten
ECN neemt deel aan Nederlandse en Europese onderzoeksprogramma's, zoals CATO2 en CACHET 2. Doel daarvan is de technologieën voor de CO2-afvangst op flinke schaal uit te testen, zodat de stap naar industriële schaal daarna gemakkelijk gemaakt kan worden. Er zijn overigens al bedrijven die installaties met membranen aanbieden voor de productie van waterstof, zoals Ida Tech in de VS en Tokyo Gas in Japan. Verder biedt ECN onder de naam HYSEP® complete membraaneenheden aan voor benchmark- en evaluatiedoeleinden van waterstofproductie.
Pieterse is sinds 2000 bij het katalyseonderzoek van ECN betrokken. "Oorspronkelijk ging het om katalysatoren voor het maken van zuivere waterstof voor brandstofcellen en verder om katalysatoren om stikstofoxiden af te breken die het milieu verzuren. Ook hebben we DSM en andere bedrijven geholpen de emissie van lachgas bij de salpeterzuurproductie te elimineren. Het broeikaseffect van dit gas is 310 keer zo sterk als dat van CO2, dus dat zet wel zoden aan de dijk."
Volgens Pieterse kan het nog wel tien jaar duren voordat de energiesector en de industrie de membraantechnologie voor het afvangen van CO2 op grote schaal kunnen toepassen. 'Wij zien beslist toekomst voor het afvangen van CO2 met deze nieuwe technologie, maar de ontwikkeling vergt de komende jaren nog veel investeringen en demonstratieprojecten. Verder hangt de snelheid van de invoering van CO2-afvangst natuurlijk af van politieke keuzes. Naarmate de bedrijven meer belasting gaan betalen voor het uitstoten van CO2, zal de CO2-afvangst aantrekkelijker worden", besluit Pieterse.
Contact
Jean-Pierre Pieterse
ECN Waterstof & Schoon Fossiel
Tel.: 022 456 8154
E-mail: Jean-Pierre Pieterse
Tekst: Erik te Roller
Info
On the potential of Ni-based catalysts for steam reforming of methane in membrane reactors, of als wetenschappelijk artikel in Catalysis Today.
ECN-onderzoekers bespreken kansrijke technieken om luchtverontreiniging te verminderen.
Dit ECN-Nieuwsbrief-artikel mag zonder toestemming worden gebruikt voor publicatie, mits verwezen wordt naar de bron: www.ecn.nl/nl/nieuws/newsletter-nl/
