Shell en Dow hebben op de Energy Transition Campus in Amsterdam een unit gebouwd voor onderzoek naar het elektrisch verwarmen van kraakovens. Hiermee kunnen de twee bedrijven een theoretisch model testen voor het aanpassen van de huidige gasgestookte ovens van stoomkrakers.

Met de resultaten van het onderzoek willen de twee bedrijven het model valideren. Daarna volgt het ontwerp en de bouw van een multi-megawatt proeffabriek. Bij het ontwerp en de bouw van de proefinstallatie zullen de gegevens van de experimentele unit centraal staan. De proeffabriek zou mogelijk al in 2025 kunnen opstarten, onder voorbehoud van investeringssteun.

Koolstofarm

Shell en Dow hebben het technologieprogramma om stoomkraakovens te elektrificeren gezamenlijk opgezet. Stoomkrakers zijn een van de meest koolstofintensieve eenheden van de petrochemische productie. In de krakers wordt de uit olie gedestilleerde nafta gekraakt tot kleinere, onverzadigde moleculen als etheen, propeen, butadieen en benzeen. Dit zijn de grondstoffen voor de honderden producten die andere fabrieken maken. Het kraken gebeurt met veel thermisch geweld. De voeding wordt opgewarmd tot boven achthonderd graden Celsius.

Door hun krakers te elektrificeren willen de bedrijven een grote stap zetten naar het koolstofarm maken van hun activiteiten. E-kraakovens die werken op hernieuwbare elektriciteit hebben het potentieel om 90 procent van de scope1-emissies te verminderen tegen economisch concurrerende kosten met conventionele krakers.

Naast Shell en Dow werken ook BASF, Sabic en Linde samen om de mogelijkheden van elektrisch kraken te onderzoeken. En Sabic zit ook nog in een ander consortium met BASF, Borealis, BP, LyondellBasell en Total. Zij werken samen in het Cracker of the Future Consortium, dat wordt getrokken door Brightlands Chemelot Campus.

De energietransitie vraagt om goed opgeleide jonge mensen met een brede blik. Zij staan straks in het oog van de industriële transformatie. Denk bijvoorbeeld aan Paco Rutten die zich bij ISPT onder andere bezig houdt met de elektrificatie van de industrie en circulaire grondstoffen. Tijdens de opening van het iLinqs-festival op 22 juni deelt hij zijn visie en zijn drive.

Volgens Paco Rutten gaat de industrie er in de toekomst echt anders uitzien. ‘Een belangrijk deel van de installaties worden vervangen door nieuwe veel duurzamere fabrieken. Die bijvoorbeeld elektrisch aangedreven worden.’

Professionele vaardigheden

Paco Rutten voelt sterk de uitdaging van de transitie. Hij wil daar graag ook onderdeel van zijn. ‘Door in deze sector bezig te zijn, kan ik er aan bijdragen.’

Hij neemt ook deel aan het Nationaal Energie Traineeschip. Elke vrijdag komen young professionals van verschillende werkgevers bij elkaar voor trainingen, excursies, presentaties van experts en meer. Ze worden getraind in professionele vaardigheden en ze leren vooral ook veel van elkaar.

Energiebalans

Trainee Paco Rutten leert door het netwerk ‘de complexiteit van de energietransitie respecteren. Dat gebeurt vanzelf als je elke vrijdag mensen treft die in een ander domein van de transitie werken. Denk bijvoorbeeld aan RVO of een waterschap. Zij maken ook deel uit van de totale energiebalans. Bij ISPT krijg ik een slechts een deeltje mee.’

iLinqs

Tijdens het iLinqs festival op 22 en 23 juni 2022 vieren we de industrie in de Onderzeebootloods in Rotterdam.  Het wordt tijd om de industrie in het spotlicht te zetten als stabiele, creatieve en vooral ook aantrekkelijke sector voor nieuwe generaties. Daarom nemen Industrielinqs en iTanks het initiatief om samen met verschillende andere partners, waaronder de Provincie Zuid-Holland, de VNCI en Deltalinqs het eerste Festival van de Industrie te organiseren: iLinqs.

Schrijf hier kosteloos in voor het festival.

 

Steeds meer bedrijven overwegen delen van hun productie te elektrificeren. Ze moeten zich daarbij wel realiseren dat overstap van een gasgestookte installatie naar een elektrische variant impact heeft op het bedrijfsproces, de lay-out van installaties en utilities en de onderhoudscycli. Dat hoeft echter geen reden te zijn om er niet aan te beginnen. De belofte is immers groot.

Bedrijven kunnen verschillende motivaties hebben om delen van hun processen te elektrificeren. De meest voor de hand liggende is natuurlijk om processen efficiënter te maken. Maar ook de druk vanuit de overheid en de maatschappij om meer duurzame energie in te zetten, kan een drijfveer zijn om fossiel gestookte assets te vervangen voor elektrische varianten. En dan komt er de komende jaren nog een grote hoeveelheid intermitterend vermogen op de markt, met name van de offshore windparken. Om die energie daadwerkelijk te kunnen inzetten, zijn energiegrootverbruikers een welkome aanvulling op de elektriciteitsmarkt.

Terugverdienen

Het argument dat veel bedrijven gebruiken om geen elektrische warmtepomp te installeren is dat er nog veel risico’s en onzekerheden rondom de technologie zijn. ‘Dat argument kan sowieso van tafel’, zegt Andreas ten Cate van ISPT. ‘Warmtepompen en compressoren bestaan allang en hebben hun betrouwbaarheid in de praktijk bewezen. De werking van een warmtepomp is vergelijkbaar met een koelinstallatie en die draaien al decennialang in de industrie. De risico’s praten we onszelf aan. Natuurlijk moet er iets veranderen in de lay-out van een installatie. Waar bedrijven normaal overtollige warmte afvoerden via een koeltoren, moeten ze deze warmte nu weer terug het proces inleiden. Dat vraagt wel om een andere manier van werken en een andere lay-out van een warmtesysteem. Maar ook die aanpassingen zouden geen argument moeten zijn om er niet aan te beginnen.’

Een ander veelgehoord excuus om alles bij het oude te laten, zijn de hoge investeringen en lange terugverdientijd van warmtepompen of bijvoorbeeld mechanische stoomrecompressiesystemen. ‘Het is natuurlijk maar de vraag waar je zo’n investering mee vergelijkt’, zegt Ten Cate. ‘Een koeltoren heeft helemaal geen terugverdientijd, dus in dat licht is een terugverdientijd van zes à zeven jaar altijd beter dan niets. Zeker bij de huidige gasprijzen. Simpel gezegd is alles met een coëfficiënt of performance (COP, red.) boven de twee een verstandige investering. Die score is afhankelijk van de restwarmtetemperatuur en het rendement van de warmtepomp. Bedrijven die hun warmte moeten wegkoelen, komen al snel boven die ondergrens en kunnen hun investering terugverdienen.’

Ten Cate heeft meer argumenten klaarliggen om wél een elektrische warmtepomp te overwegen. Bijvoorbeeld omdat de scope 1 emissie zwaarder zal worden belast en elektriciteit onder scope 2 valt.

Peakshaving

Een betrekkelijk nieuw argument dat elektrificatie de komende jaren moet aanjagen, is de volwassenheidsfase waarin de duurzame energiemarkt is gekomen. Offshore wind is winstgevend zonder subsidies en het aantal concessies voor offshore windparken groeit gestaag. Als gevolg daarvan moet in 2030 twintig gigawatt aan duurzaam vermogen de weg naar de eindgebruikers vinden. En dat is op zijn minst een uitdaging voor de netbelasting.

Ten Cate: ‘Tien keer meer windenergie betekent tien keer meer amplitude op het net. Ofwel grote pieken bij veel wind en grote dalen op windstille dagen. De producenten en netbeheerders kunnen hier met name via het prijsmechanisme in sturen. Dat betekent dat de prijzen zakken bij een hoog aanbod en stijgen als de vraag het aanbod overschrijdt. Partijen die het beste kunnen inspelen op die prijsfluctuaties, kunnen hier het meeste geld mee verdienen of kosten besparen. Blijf je bij het oude, dan betaal je sowieso de hoofdprijs omdat je geen alternatieven voor handen hebt. Dan moet je bij piekprijzen de rekening betalen die op zulke momenten erg hoog op kan lopen. Dus ook hier moeten bedrijven over nadenken voor hun toekomstige energievoorziening.’

In dit spel worden e-boilers interessant worden. Anders dan warmtepompen, zijn e-boilers niet zozeer efficiënter dan hun gasgestookte tegenhangers. Ze zijn simpelweg een alternatief als de elektriciteitsprijzen onder de gasprijzen duiken. Ten Cate: ‘Nu zit er nog een duidelijke afhankelijkheid tussen beide, maar naarmate het duurzame aanbod stijgt, gaan de prijzen meer uit elkaar lopen.’

Er zit bovendien nog een maatschappelijke component vast aan industriële elektrificatie. Nu al lopen de netbeheerders tegen de grenzen aan van de netcapaciteit. Uitbreiden van de netten kost niet alleen veel tijd en geld, maar ook schaarse ruimte. ‘Veel van de netcongestieproblemen zijn aan regio’s gebonden. Grote industriële energiegebruikers in deze regio’s zouden hier de congestie kunnen helpen verlichten door hun productie terug te draaien wanneer dat noodzakelijk is. Of wellicht door direct stroom af te nemen van zonne- of windparken. Bedrijven helpen zo niet alleen het milieu, maar steunen ook hun omgeving op weg naar een duurzamere energievoorziening.’

Andreas ten Cate (ISPT): ‘Bedrijven moeten hun productieplanning afstemmen op de verwachte energieopbrengst.’

Aanbodgestuurde productie

Naarmate de balans verschuift naar elektriciteit, moeten bedrijven wel steeds meer rekening houden met een volatiel energieaanbod, met per seizoen een ander patroon. Ten Cate: ‘In de kern is de boodschap dat de energievoorziening verschuift van vraaggestuurd naar aanbodgestuurd. Bedrijven zouden dus hun productieplanning moeten afstemmen op de verwachte energieopbrengst.’

Op zich is dat niet geheel nieuw. De suikerindustrie doet dat al jaren met de bietencampagne, die pas start in het oogstseizoen. Ook het energieaanbod zal gedurende de seizoenen fluctueren. ‘Toch zal die druk op de industriële flexibiliteit in de praktijk minder willekeurig zijn, dan je in eerste instantie denkt. De weermodellen worden steeds beter en je kunt natuurlijk ook voorsorteren op de seizoenseffecten. Waarom zou je in de winter evenveel moeten produceren als in de zomer? Wellicht kan je afspraken maken met afnemers en produceren wanneer dat het gunstigste is. Anders kan je nog voorraden aanleggen of energie bufferen als warmte, stroom of waterstof.’

Robuust

Dat de praktische bezwaren overkomelijk zijn, bewees Dow Terneuzen met de installatie van een mechanische damp­recompressor. Technology innovation manager Kees Biesheuvel geeft wel toe dat de omstandigheden gunstig waren. ‘Omdat we ervaring wilden opdoen met een dergelijk systeem, kozen we eerst voor een pilotopstelling die tien ton stoom per uur met een druk van drie bar ophoogt naar een druk van twaalf bar. We deden dat op een stuk van het Dow-terrein waar alle utilities, zoals stoom en stroom, al aanwezig waren. Daarbij is de unit niet kritisch voor het proces, zodat we hem konden laten bouwen terwijl we nog in bedrijf waren. De aansluiting op het stoomsysteem en de stroomtoevoer konden we al maken tijdens een reguliere onderhoudsstop.’

Inmiddels draait de installatie alweer even en de resultaten van de pilot vallen zeker niet tegen. ‘Het systeem is eigenlijk een tweetraps compressor en die technologie is niet geheel nieuw voor ons’, zegt Biesheuvel. ‘Net als onze andere compressoren blijken ook deze systemen zeer robuust en onderhoudsvriendelijk. Uiteindelijk hebben we een kleine aanpassing moeten doen, maar dat was snel geregeld met de leverancier. Ook de beloofde COP van zes tot acht zien we in de praktijk terug. De kans dat we de technologie doorontwikkelen is groot.’

elektrificatie

MVR compressor (c) ISPT

Overigens ziet Biesheuvel deze stap vooral als een efficiencyverbetering en geen doel om duurzame energieproductie te ondersteunen. ‘We kunnen als dat nodig is de stoomrecompressor iets terugschakelen, maar het zal de laatste machine zijn die we uitzetten. De milieuwinst zit in de extra energie die we uit restwarmte kunnen halen. We besparen nu al twintigduizend ton CO2-uitstoot per jaar en kunnen dus nog veel meer milieuwinst halen en geld besparen.’

Warmtepomp

Holland Malt gaat nog een flinke stap verder en nam zich voor volledig te elektrificeren. De mouterij van Royal Swinkels Family Brewers is daarmee de duurzaamste in zijn soort. Een combinatie van een e-boiler, warmtepomp en een warmtebuffer in de vorm van een thermisch geïsoleerde opslagtank zou voldoende moeten zijn om van het gas af te gaan. Maar volgens operations manager Edwin Evers moet hij daarvoor wel flink ingrijpen in het hart van de productie. ‘In het moutproces hebben we verschillende stappen waar warmte moet worden toegevoegd aan het proces. Met name het drogen is redelijk energie-intensief. De drooglucht wordt opgewarmd door aardgasgestookte luchtheaters. Na het drogen is er nog een restwarmte over van 23 graden maar wel honderd procent verzadigd. Door de lagetemperatuurwarmte via een elektrische warmtepomp te liften naar de benodigde procestemperatuur, kan de gasgestookte ketel er straks uit.’

De ambitie van de mouterij is om al in 2024 emissievrij te produceren. Evers: ‘Om dat te bereiken overwogen we meerdere verduurzamingsopties, zoals de inzet van geothermie of aansluiting op warmtenetten. Elektrificatie kwam uiteindelijk als beste optie uit de bus, maar dat vergt wel een herijking van het basisproces. Eenvoudig gezegd dwingt zo’n stap je veel beter te kijken naar de wet van het behoud van energie en massa. Want waarom zouden we aardgas verbranden op een hoge temperatuur als er maar 85 graden Celsius procestemperatuur nodig is ? Drogen bij die temperaturen vraagt wel om een andere manier van warmteoverbrenging, met een groter contactoppervlak.’

Kennis delen

Het voordeel van een warmtepomp is dat deze in theorie een hoge coëfficiënt of performance (COP) heeft. ‘Die prestatie is met name afhankelijk van de starttemperatuur en de efficiency van de pomp zelf’, zegt Evers. ‘Maar misschien nog wel belangrijker is dat hij het beste presteert bij een vlakke productie. Daar moet een operator wel rekening mee houden. Een gasinstallatie kan je gemakkelijk even harder of zachter zetten terwijl de prestaties van een warmtepomp daarmee zouden kelderen. Ook wat betreft het onderhoud, zal het even wennen worden. Een gasbrander is redelijk recht toe recht aan, terwijl een warmtepomp een complexere machine is. Je kunt dat onderhoud niet meer zelf uitvoeren, maar je moet dat overlaten aan daarin gespecialiseerde bedrijven.’

Ook fysiek zijn uiteraard de nodige aanpassingen nodig. Zo moet de mouterij een extra aansluiting laten aanleggen om de warmtepomp en de e-boiler te kunnen voeden. ‘We willen ruim achttien miljoen kuub gas vervangen voor elektriciteit. Dat vraagt wel wat van het net. Gelukkig kunnen we het systeem zo inrichten dat we kunnen inspelen op overschotten of tekorten aan duurzame energie. Met name de e-boiler kunnen we inzetten als peakshaver. We hebben onze eigen pieken en dalen al goed in beeld en we zouden eventueel een warmtebuffer kunnen inbouwen om de duurzame energie nog efficiënter in te kunnen zetten.’

Operations manager Evers wil nog wel een tip kwijt voor bedrijven die nog twijfelen. ‘Wij krijgen veel hulp van RVO die ons zowel bijstaat bij de aanvraag van subsidies als technische kwesties. Er is al veel kennis aanwezig over de kansen en uitdagingen van elektrificatie, maak daar gebruik van.’

 

openingsfoto: Royal Swinkels Family Brewers

Fieldlab Industrial Electrification ontwikkelt een demo-locatie op Plant One om de energietransitie in de industrie te versnellen. Vanaf medio 2022 moet de locatie operationeel zijn zodat technologieën op industrieel relevante schaal in een praktijkomgeving kunnen worden getest.

In het Fieldlab komen drie typen technologieën te staan die passen bij het cluster en die in de praktijk kunnen worden gedemonstreerd. Het gaat daarbij om technieken op het gebied van industriële warmte, inpassing van groene waterstof en directe conversie van CO2, die allemaal gebruikmaken van duurzame elektriciteit. Denk aan een vliegwiel dat zowel energie kan leveren als opvangen en opslaan. Of een hybride boiler, die stoom uit aardgas kan vervangen door stoom uit duurzame elektriciteit.

Het Fieldlab Industrial Electrification is een gezamenlijk initiatief van Port of Rotterdam, InnovationQuarter, TNO, Deltalinqs en FME. Bedrijven die geïnteresseerd zijn of direct aan de slag willen met e-boilers, elektrische aandrijvingen, warmtepompen of andere elektrificatie-oplossingen kunnen contact opnemen met het Fieldlab via info@flie.nl.

Gebruikerscase

Fieldlab Industrial Electrification behandelt tijdens de European Industry & Energy Summit 2021 een gebruikerscase met polypropyleenproducent Ducor. Door een reboiler en propyleen heater te vervangen door een warmtepomp kan Ducor een deel van 3,5 megawatt aan overtollige warmte benutten. > Meer info

Port of Moerdijk heeft richting gegeven aan zijn ambities op het gebied van duurzaamheid. Het havenbedrijf zet in op elektrificatie en pyrolyse-techniek, en niet op waterstof als energiebron.

‘We hebben veel gesproken over waterstof, verdere elektrificatie of een mix daarvan’, vertelt Jayand Baladien, commercieel manager Havenbedrijf Moerdijk. ‘Wat duidelijk naar voren kwam, is dat onze industrie kiest voor elektrificatie en nog niet voor waterstof als energiebron. Het duurt te lang voordat waterstof op een schaal beschikbaar is die nodig is om het in te zetten als energiebron en om onze klimaatdoelstellingen te halen.’

Daarnaast bieden kostenprojecties van waterstof geen perspectief als je het vergelijkt met elektriciteit, stelt Baladien. ‘Nu die knoop voor elektriciteit als energiebron is doorgehakt, is het volle vaart vooruit, want de benodigde infrastructuur aanleggen, is niet alleen peperduur, maar ook tijdrovend.’ Om ambities op het gebied van de energietransitie waar te maken heeft Port of Moerdijk tot 2040 maar liefst acht keer zo veel elektriciteit nodig als nu. Daarvoor is een nieuw compleet elektriciteitsstation nodig, voor zowel 150 als 380 kv.

Pyrolyse

Daarnaast zet Port of Moerdijk in op pyrolyse-techniek. In een proeftuin wordt al zes jaar geëxperimenteerd met deze techniek. Plastic afval wordt daarbij omgezet in bijvoorbeeld nafta. De techniek wordt nog niet op grote schaal toegepast. ‘Op dit moment kan de grootste pyrolyse plant zo’n vijftienduizend ton circulaire nafta per jaar produceren’, weet Baladien. Een druppel op de gloeiende plaat, stelt hij. ‘Alleen al Shell Moerdijk verwerkt ruim drie miljoen ton nafta per jaar.’

Er worden wel flinke stappen gemaakt in deze ontwikkeling. Havenbedrijf Moerdijk wil hier een steentje aan bijdragen. ‘Dat doen we door dertig hectare van onze grond op het industrieel complex enkel uit te geven aan circulaire activiteiten. We willen specifiek pyrolyse-bedrijven die afval omzetten naar circulaire nafta.’

 

De eerste spades zijn in de grond voor de bouw van Coolbrooks eerste elektrische stoomkraker op serieuze schaal. De pilotinstallatie op Brightlands Chemelot Campus moet in april 2022 volledig operationeel zijn, waarna een periode van anderhalf jaar testen en verder perfectioneren volgt. Het project kost zo’n 12,5 miljoen euro.

Het Fins-Nederlandse Coolbrook ontwikkelt een elektrisch aangedreven naftakraker. Deze Rotor Dynamische Reactor (RDR) kan de CO2-uitstoot van het kraakproces enorm reduceren bij gebruik van hernieuwbare energiebronnen. Coolbrook heeft 5,5 miljoen euro subsidie gekregen van het ministerie van Economische Zaken en Klimaat voor verdere ontwikkeling van de technologie. De andere 7 miljoen euro die Coolbrook in de pilotinstallatie steekt, komt van private Finse investeerders.

Compact ontwerp

RDR is een geheel nieuw reactorconcept voor stoomkrakers. Waar in een traditionele kraker het reactiemengsel door spoelvormige buizen in het fornuis stroomt, wordt het mengsel in de RDR opgewarmd door op hoge snelheid ronddraaiende rotorbladen. Het belangrijkste verschil is dat in een stoomkraker het staal het heetst is, terwijl in de RDR het reactiemengsel zelf het heetste deel is. En dit scheelt aanzienlijk in het energieverbruik. Een RDR-reactor verbruikt dertig procent minder energie dan een traditionele kraker.

Layout van de pilotplant in Geleen

Doordat het mengsel zeer snel wordt opgewarmd tot een hoge temperatuur, kan de opbrengst ook beter worden geoptimaliseerd. De verblijftijd is vijftig milliseconden. De etheenopbrengst in de RDR ligt daardoor zo’n twintig procent hoger dan in een conventionele reactor. Coolbrook verwacht ook dat de reactor goedkoper zal zijn dan de huidige reactoren in termen van CAPEX-kosten. Dat komt door het compacte ontwerp, waardoor de reactor veel kleiner is. Vanwege de hogere opbrengst zullen ook de OPEX-kosten lager zijn.

Luchttesten

Coolbrook bouwt de reactor in Finland. Voor het eind van dit jaar doet het bedrijf daar nog luchttesten met de technologie, waarna begin volgend jaar de reactor naar Geleen wordt verscheept. De pilotinstallatie krijgt een capaciteit van 500 kilogram per uur.

Lees ook ons artikel Stoomkrakers op stroom in Petrochem 3, 2020

Elektrificatie en elektrochemie bepalen de komende jaren steeds meer het gezicht van investeringsprojecten in de procesindustrie. Op de korte en middellange termijn gaat het vooral om de vervanging van fossiele brandstoffen door duurzame elektriciteit. En groene waterstofprojecten worden steeds talrijker. Pas later volgen mogelijk complexere elektrochemische processen.

Het hele artikel vind je in onze digitale Projecten Special 2021!

Elektrochemie is in trek. Professor Marc Koper begrijpt dat wel. ‘De enige manier waarop we onze maatschappij kunnen verduurzamen is door te elektrificeren.’ Elektrochemie biedt dan interessante nieuwe oplossingen. Denk aan groene waterstof. Zelf sleepte hij dit jaar twee gerenommeerde prijzen in de wacht, waaronder de Spinozapremie. Daardoor kan hij de komende tijd vijf miljoen euro extra besteden aan onderzoek.

In de boekenkast op de werkkamer van professor Marc Koper op de Universiteit van Leiden liggen pontificaal twee boeken. Niet netjes gerangschikt, zoals de andere boeken die rechtop daarachter staan. Er ligt dus geen stof op Modern Electrochemistry volume 1 en 2, geschreven door John O’M. Bockris en Amulya K.N. Reddy. In tegenstelling tot de titel ogen de boeken – met hun gedateerde harde rode kaft – echter niet zo modern. En dat klopt ook. Ze zijn uitgegeven begin jaren zeventig. ‘Bockris heeft echt veel betekent voor de elektrochemie’, stelt Koper. ‘Dit boek was in zekere zin de start van de ‘moderne’ elektrochemie.’

Vraag en aanbod

Hoewel de elektrochemie momenteel veel aandacht krijgt en ook gehonoreerd wordt met veel onderzoeksgeld, is ze dus zeker geen nieuw terrein. Zelfs niet in de industrie. Elektrochemische processen zijn nodig om bijvoorbeeld chloor te maken uit zout, of aluminium te produceren uit aluin. Denk ook aan de productie van siliciumcarbide. En vergeet ook niet kleinere processtappen in minder grondstoffelijke productieomgevingen. Koper: ‘Ik ben eens met een groep studenten bij de scheerapparatenfabriek van Philips in Drachten geweest. Sowieso zijn al die robots daar indrukwekkend. Om kleine gaatjes in de stalen scheerkoppen te krijgen, wordt een elektrochemische techniek gebruikt.’

Marc KoperOok in laboratoria worden elektrochemische reacties gebruikt bij tal van onderzoeken. En het is nog veel breder. Elektrochemische reacties hebben plaats in allerlei alledaagse toepassingen, bijvoorbeeld in batterijen van mobiele telefoons, laptops en in toenemende mate elektrisch aangedreven auto’s. Alleen al de toepassing van batterijtechnologie is enorm in de lift. Te meer omdat duurzaam opgewekte energie om opslag vraagt, omdat het moment van productie niet altijd perfect aansluit op het moment van vraag.

Prof. Marc Koper: ‘De fossiele route is nog veel te goedkoop. Door de uitstoot van CO2 duurder te maken, krijgt groen waterstof ook een eerlijke kans.’

Extra impuls

Alleen al daarom is het logisch dat aandacht voor elektrochemie juist nu enorm toeneemt. Helemaal nu de klimaatcrisis om actie vraagt. Koper: ‘De enige manier waarop we onze maatschappij kunnen verduurzamen, is door over te schakelen op groene stroom. Dan zullen we echt zoveel mogelijk moeten elektrificeren. Ook bijvoorbeeld grote chemische productieprocessen.’

De huidige aandacht voor waterstof werkt zeker ook opstuwend. Niet dat waterstof een oplossing is voor alles, maar volgens Koper zal waterstof een belangrijke rol spelen bij de grootschalige opslag van energie en ook als grondstof en hulpstof in de chemie. ‘Ik denk dat waterstof uiteindelijk alleen via de elektrochemische route gemaakt wordt. Op de kortere termijn kunnen we misschien niet om de blauwe route heen (waterstof uit aardgas waarbij de CO2 ondergronds wordt opgeslagen, red.), maar elegant is die route natuurlijk niet. Uiteindelijk zal elektrolyse van water de overhand nemen.’

Een belangrijke factor is ook dat duurzaam opgewekte stroom steeds goedkoper is geworden. Voor elektrochemische processen, zoals de elektrolyse van water tot waterstof, is veel elektriciteit nodig. ‘Begin jaren zeventig hadden Bockris en anderen hun hoop gevestigd op kernenergie. Maar in de decennia daarna leek deze route steeds minder voor de hand te liggen.’ Pas de laatste jaren lijkt het antwoord zichzelf te vormen. ‘Wind- en zonne-energie zijn sneller dan verwacht veel goedkoper geworden.’ Dat heeft de populariteit van elektrificatie en elektrochemie een extra impuls gegeven.

Onderzoeker

Toch is de productie van groen waterstof nog lang niet concurrerend genoeg ten opzichte van de traditionele grijze route, steam reforming van aardgas, geven diverse rekenaars aan. Volgens Koper is daarvoor maar één remedie: ‘Een stevige CO2-heffing. De fossiele route is nog veel te goedkoop. Door de uitstoot van CO2 veel duurder te maken, krijgt groen waterstof ook een eerlijke kans.’ Maar dat is economie. Niet per se het terrein van Marc Koper.

Lange tijd stond Koper te boek als enige hoogleraar in de elektrochemie in Nederland. ‘Of ik het jammer vind dat mijn positie steeds minder uniek wordt? Nou, nee hoor. Ik vind het eigenlijk wel prettig dat ik meer collega’s krijg, waarmee ik ideeën kan uitwisselen.’

Dat het terrein populairder is geworden, betekent ook dat er meer geld beschikbaar is. Dat kan opportunisme in de hand werken. Ook in de wetenschap. ‘Natuurlijk vraag ik me wel eens af, hoe het landschap er over tien jaar uit ziet. Is dan het nieuwe er vanaf en blijkt het allemaal misschien te veel gehypet? We gaan het zien.’ Maar echt druk lijkt Koper zich er niet om te maken. Hij is een onderzoeker in hart en nieren.

Puzzelen

Voor zijn aanstelling als hoogleraar aan de Universiteit Leiden, was hij verbonden aan de Technische Universiteit Eindhoven. ‘Met veel plezier overigens. En ik kon ook doen waar ik goed in was. Maar ik merkte wel een verschil tussen mij en de studenten daar. Technologen willen installaties bouwen, die stellen minder fundamentele vragen. Hier in Leiden willen studenten – net als ik – meer weten hoe het werkelijk zit. Laat mij maar puzzelen en eigenlijk een beetje aanrommelen.’

Aanrommelen? Is dat niet een beetje te bescheiden voor een hoogleraar die sinds zijn inauguratie in 2005 verschillende toonaangevende publicaties op zijn naam heeft staan en dit jaar niet één, maar twee gerenommeerde prijzen in de wacht sleepte. Met de toekenning van een ERC Advanced Grant en de Spinozapremie haalde hij in 2021 maar liefst vijf miljoen euro aan onderzoeksgeld binnen. Dat kan toch geen aanrommelen zijn? Koper glimlacht. ‘Misschien maak ik het – bewust of onbewust – wat kleiner, om mezelf niet in de voet te schieten. Als ik het te groot maak, dan ben ik misschien wel bang dat ik minder kan doen waar mijn hart echt naar uitgaat: onderzoek doen. Natuurlijk is het mooi als mijn werk impact heeft. Zou ik me daar te veel daar op richten, dan gaat dat ten koste van mijn bezieling. Ik wil blijven puzzelen.’ Hij is niet onderzoeker geworden omdat hij ‘een wereldverbeteraar’ is. ‘Ik wil op een atomair niveau begrijpen wat er gebeurt, als je elektriciteit door een chemische vloeistof stuurt.’

‘Als ik het te groot maak, dan ben ik misschien wel bang dat ik minder kan doen waar mijn hart echt naar uit gaat: onderzoek doen.’

Instabiliteit

Een interessante puzzel die Koper momenteel bezighoudt is de stabiliteit van platina-elektrodes. ‘Platina is weliswaar edel, maar ook daar zitten grenzen aan. Tijdens oxidatie-reductie-cycli verliest de elektrode platina. Als je niet oppast dan is de hele elektrode zo weg.’ Dat is onwenselijk, te meer omdat platina erg kostbaar is.

Er zijn volgens de hoogleraar twee oplossingsrichtingen. ‘Je gaat op zoek naar een alternatief voor platina. Maar dat is voor veel toepassingen lastig. We kunnen ook onderzoeken waar die instabiliteit van de elektrode aan ligt. Als we dat weten, hoe kunnen we er dan voor zorgen dat de elektrodes langer meegaan? Recycling van platina is ook interessant. Maar dat ligt wat minder op mijn terrein. Wij onderzoeken op atomair niveau, onder andere met allerlei vormen van spectroscopie, waar de instabiliteit vandaan komt.’

Inzichten

Hoewel de puzzels die Koper zoekt niet pur sang economisch of ideëel gedreven zijn, worden ze vaak wel door maatschappelijke urgentie ingegeven. Een ‘leuke puzzel’ ligt volgens hem op het vlak van elektrolyzers voor de productie van groen waterstof. ‘Daarbij zijn twee mogelijkheden. Ze werken met een zuur of een alkalisch milieu. In het alkalische milieu gaat het proces langzamer. Als geleerden zijn we er nog steeds niet uit waar dat aan ligt. Het voordeel van alkalische elektrolyzers is echter wel dat ze met nikkel-elektrodes kunnen werken. Die zijn relatief goedkoop.’

Diegene die er in slaagt om de productiesnelheid van alkalische elektrolyzers te verhogen, is keizer, weet ook Koper. ‘Er zijn daar al veel theorieën over. Het gaat erom dat we onze hypotheses constant onderzoeken en uitdagen. En ook snel bij kunnen stellen, als uit onderzoek nieuwe inzichten voortkomen. Op dit specifieke vlak van alkalische elektrolyzers dacht ik er twee jaar geleden anders over dan nu. We moeten onze hypotheses continu ter discussie stellen. Dan kom je uiteindelijk tot scherpere inzichten.’

Marc Koper

Moleculair niveau

Natuurlijk volgt Koper de discussie over mogelijke richtingen in de energietransitie. Als je hem ernaar vraagt, dan wil hij die vooral vanuit de wetenschap duiden. Dan komt hij bijvoorbeeld tot de conclusie dat via elektrochemische omzetting waterstof kansrijk is, en misschien ook mierenzuur. Omdat het hierbij om relatief eenvoudige, efficiënte reacties gaat. Bij de elektrolyse van water tot waterstof en zuurstof is op moleculair niveau een overdracht van slechts twee elektronen nodig, stelt hij. ‘Daardoor kan die reactie snel en zonder veel efficiëntieverlies worden uitgevoerd. Bij de overdracht van meer elektronen wordt de reactie toch complexer. Misschien dat die routes uiteindelijk wel interessant worden in de chemie, om bijvoorbeeld op een elektrochemische wijze ethyleen te maken of methanol. Chemische bouwstenen mogen doorgaans meer kosten dan energiedragers.’

Spannende ideeën

Koper heeft nog niet voldoende tijd gehad om na te denken wat hij met de Spinozapremie gaat doen. ‘En dan heb ik ook nog de Europese subsidie te besteden’, glimlacht hij. Hij wil er nog eens goed over nadenken. De Spinozapremie is vrij te besteden. ‘Ik wil het graag in een project stoppen waarvoor ik anders moeilijk financiering zou krijgen, iets buiten mijn eigen comfortzone. Bijvoorbeeld op het snijvlak van de organische chemie, waar ik toch minder in thuis ben, met elektrochemie. Ik heb al een paar mailtjes naar collega’s in dit vakgebied gestuurd. Ze reageren allemaal enthousiast. Het is interessant om met ze na te denken waar de puzzels liggen.’

Mogelijk neemt hij ook een getalenteerde promovendus of postdoc aan, op een onderwerp naar eigen keuze. Want, ‘dat is vaak de beste manier om op spannende ideeën voor onderzoek te komen.’

For a Dragon’s Den of Transition, the organization of the European Industry and Energy Summit 2021 (EIES2021) is looking for both dragons and innovators. During the closing of the EIES2021 on December 8 in Rotterdam Ahoy, they can make deals to support interesting energy innovations. Sign up now as a dragon or innovator!

Dragon’s Den of Transition is a new part of the Summit. The organization wants to provide a stage for hopeful innovations in the field of European industrial transformation and also help them along the way. These are innovations from start-ups, for example, that could use a boost to reach maturity. The need can be financial, but also support in the areas of marketing, networking, entrepreneurship, business development and more. That is the role of the dragons.

Offers

During the last day part of the two-day Summit, on Wednesday afternoon December 8, five selected companies can pitch their innovations to five Dragons, representatives of development companies, funds, governments, banks and/or investment companies. They can respond to the pitches, make contacts and even make offers.

Journalistic nomination film

Innovators can apply to the editorial staff of Industrielinqs, the organizer of the event. The editors will compile a longlist. Ultimately, at least eight will be selected by a panel (editors and a number of experts). Journalistically prepared nomination films of 112 seconds will be made of these finalists. These films will be published from late October with short articles on the news site www.industryandenergy.eu. Together with the public, the Dragons will determine who will pitch in the Dragon’s Den of Transition on December 8.

Besides innovators, the organization is also looking for dragons. A few organizations have already agreed to provide a dragon, but there are still a few seats available.

Innovators can apply with a brief description of their innovation via redactie@industrielinqs.nl.

For more information about a Dragon chair you can contact editor in chief Wim Raaijen: wim@industrielinqs.nl.

Vattenfall voegt  Nobian’s chloorfabriek in Rotterdam toe aan zijn flexibele capaciteit om het stroomnet beter in balans te houden. Door de samenwerking met Vattenfall kan Nobian inspelen op de toenemende fluctuaties in het stroomaanbod. Dit is nodig door het stijgende aandeel van zonne- en windenergie. Door de samenwerking wordt 40MW aan flexibele capaciteit aan het net toegevoegd. Dit staat gelijk aan een vijfde van de chloorproductie van Nobian in Rotterdam.

Nobian zal de chloorproductie aanpassen als er plotseling meer of minder stroom beschikbaar is. Als er minder stroom beschikbaar is, wordt de chloorproductie automatisch afgeschaald. Het tempo wordt weer opgevoerd als het aanbod dat toelaat. Deze aanpassing gebeurt volautomatisch door real-time ondersteuning van Vattenfall.

Regelvermogen

Door het groeiende aandeel zonne- en windenergie kent het stroomaanbod steeds meer en grotere pieken en dalen. Om dit te balanceren gebruikt netbeheerder TenneT regelvermogen. Dit regelvermogen wordt ingekocht bij verschillende leveranciers, waaronder Vattenfall. Het regelvermogen bestaat uit een verzameling van productielocaties, met name gascentrales, die snel meer, of juist minder, stroom kunnen leveren. De chloorproductie van Nobian wordt hier nu aan toegevoegd.

Verminderen van gebruik fossiele elektriciteitsopwekking

Het huidige aanbod van regelvermogen komt tot nu toe vooral vanuit fossiele elektriciteitscentrales. Door de inzet van de flexibiliteit uit de chloorfabriek is minder fossiele energie nodig om het net te stabiliseren.

Industriële vraagsturing

Erik Suichies, wholesale directeur Vattenfall : ‘Stuurbare productie, zoals in gascentrales, gaat zijn basisrol steeds verder verliezen. De huidige energiecentrales zijn straks niet altijd meer nodig en zullen niet altijd meer draaien. Tegelijkertijd moet het elektriciteitsnet wel 24 uur per dag in balans blijven. We hebben nieuwe flexibiliteit nodig die daarop kan inspringen. Door een grote afnameklant toe te voegen aan onze flexibele asset pool maken we een transitie: we sturen niet langer alleen op productie, maar kunnen vanaf nu ook de vraag nauwkeurig aanpassen.’

Marcel Galjee, directeur Energy & New Business Nobian: ‘Met onze flexibele chloorproductie leveren we een belangrijke bijdrage aan de energietransitie. Waarbij de vraag naar elektriciteit het aanbod van (groene) elektriciteit gaat volgen. De samenwerking met Vattenfall is een volgende stap om de flexibiliteit binnen onze processen te gebruiken om te verduurzamen. Een wens voor de toekomst zou zijn dat we regel- en noodvermogen kunnen aanbieden vanaf dezelfde asset.’

Maarten Abbenhuis, COO TenneT: ‘Het belang van vraagsturing neemt toe doordat elektriciteit steeds meer wordt opgewekt met duurzame, maar weersafhankelijke wind en zon, en minder met niet weersafhankelijke beschikbare energiecentrales. Fluctuatie in de elektriciteitsproductie kan gedeeltelijk worden opgevangen met flexibele afname. Juist industriële grootverbruikers kunnen een substantiële bijdrage leveren aan deze flexibiliteit. Zeker als door elektrificatie het elektriciteitsverbruik voor industriële processen verder toeneemt. Met voldoende flexibiliteit kunnen kostbare maatregelen als import of – toch – regelbare centrales worden beperkt. In Nederland is het potentieel van industriële vraagsturing rond de 3.4 GW. De huidige inzet ligt tussen de 700 en 1900 MW. De mogelijke capaciteit van flexibel elektriciteitsgebruik door de industrie is veelbelovend.’