ISPT Archieven - Utilities

Om groene waterstof naar industrieel niveau te tillen, is een schaalvergroting nodig met een factor duizend. Dat is precies het doel van het project ‘Gigawatt Elektrolysefabriek’ dat onlangs van start ging bij het Institute for Sustainable Process Technology (ISPT). Als alles goed verloopt, kan de fabriek medio 2025-2030 daadwerkelijk worden gebouwd.

In het project effent een consortium van bedrijven, universiteiten en kennisinstellingen de weg voor het ontwerp van een elektrolysefabriek van industriële omvang. Rond 2030 zullen windparken in Nederland en de Noordzee enkele tientallen gigawatts aan duurzame elektriciteit produceren. Aan de andere kant hebben huidige industriële installaties voor de productie van waterstof uit aardgas een capaciteit die vergelijkbaar is met een elektrolysefabriek van gigawatt grootte.

De huidige waterstofproductie bedraagt zo’n 800.000 ton per jaar, waarbij de waterstof hoofdzakelijk toepassing vindt in de productie van ammoniak en kunstmest, de raffinagesector en de chemie. Om  in de toekomst Nederland van CO2-vrije waterstof te kunnen voorzien, zouden meerdere elektrolysefabrieken van gigawatt-grootte nodig zijn.

Duizend keer groter

Op dit moment zijn de industriële installaties voor de elektrolyse van water niet groter dan enkele megawatts. In een fabriek met een vermogen van één gigawatt zouden dus honderd tot duizend van zulke elektrolysers opgesteld staan. De partners in het Gigawatt Elektrolyser project gaan gezamenlijk onderzoeken wat er nodig is om in Nederland rond 2025 – 2030 zo’n elektrolyse-installatie te kunnen bouwen.

Technisch ontwerp

Het Gigawatt Elektrolyser project brengt de technologische knelpunten in kaart bij het opschalen van grote aantallen stacks in een geïntegreerde fabriek. Bij deze opschaling is het van belang dat de fabriek dynamisch operationeel kan zijn. De fabriek zal immers veel elektriciteit van wind- of zonneparken afnemen, en daardoor afhankelijk zijn van variaties in de levering van elektriciteit. Bij afnemende of juist toenemende wind zal de fabriek mee moeten kunnen regelen.

Een ander belangrijk aspect van de gigawattfabriek betreft de productie van warmte en zuurstof als mogelijk waardevolle ‘nevenproducten’ van de elektrolyse van water. Bij het technisch ontwerp van de fabriek is het van belang dat deze producten goed zijn af te voeren en te leveren, op een manier die hand in hand gaat met de operationele strategie die bij deze opschaling van belang is.

Concurrerend alternatief

Het uiteindelijke doel is tot een optimaal ontwerp te komen tegen minimale kosten. Met de huidige stand der technologie en de huidige marktprijzen zou de investering voor een GW elektrolysefabriek ongeveer een miljard euro bedragen. De partners in het Gigawatt Elektrolyser project streven er met hun ontwerp naar om dat bedrag met een factor drie à vier te kunnen reduceren. Wanneer een totale fabriek zo’n 350 miljoen euro zou kosten, is er een concurrerend alternatief voor de conventionele ‘fossiele’ waterstoftechnologie.

Een belangrijk onderdeel van het project is te achterhalen hoe de kosten van installaties en componenten kunnen gaan dalen als gevolg van de schaalvergroting van de elektrolysetechnologie. Daarbij zal onder andere aandacht zijn voor leereffecten bij de maakindustrie, zoals die ook bij wind- en zonne-energie tot kostendaling hebben geleid.

Klimaatakkoord

De volgende stap in het project is te toetsen hoe een industriële GW elektrolysefabriek is in te passen in de industriële omgeving, en hoe de locatiekeuze de kostprijs van de fabriek beïnvloedt. In de volgende projectfase zullen daarom case-studies worden uitgevoerd in samenwerking met de industrie. De focus ligt daarbij op de industrieregio’s rond Vlissingen-Terneuzen-Gent, Rotterdam, Amsterdam, Delfzijl en Geleen.

De coördinatie is in handen van het Institute for Sustainable Process Technology (ISPT). Het project wordt ondersteund door TKI Energie & Industrie en partners zijn onder andere Nouryon, Shell, Yara, OCI Nitrogen, Gasunie, DOW Chemical, Ørsted, Frames, ECN part of TNO, Universiteit Utrecht en Imperial College London. In de volgende fase van het project zijn onder andere betrokken:  Deltalinqs, Port of Rotterdam, Groningen Seaports, North Sea Port, Port of Amsterdam, de Provincies Groningen en Noord- en Zuid Holland, Stedin, Smart Delta Resources, USG/Chemelot en Tata Steel.

De staalindustrie kan zijn koolmonoxide-emissies drastisch verlagen door delen van zijn koolstofemissies te leveren aan de chemische industrie. Dit concludeert ISPT naar aanleiding van het Coresym-onderzoek naar industriële symbiose.

De staalindustrie heeft tot nog toe geen alternatieven voor het gebruik van cokes voor het smelten van staal. De chemische industrie is op zijn beurt voornamelijk afhankelijk van fossiele olie en aardgas. Een samenwerkingsverband tussen de Universiteit van Groningen, ISPT, Nuon, Tata Steel, Dow, Arcelor Mittal en het TKI Energie & Industrie onderzocht of het mogelijk was koolmonoxide van de staalindustrie in te zetten in de chemische industrie. Het project heet officieel: CarbOn-monoxide RE-use through SYMbiosis between steel and chemical industries (CORESYM) en heeft als doel de koolstofemissies van zowel de staal- als de chemische industrie terug te dringen. En met succes. In theorie zou deze vorm van industriële symbiose jaarlijks 57 miljoen ton CO2-emissies kunnen vermijden. Dat is 1,3 procent van de totale Europese CO2-emissies.

Koolmonoxide

Tijdens de productie van staal komt veel restgas vrij. Dit gas bestaat voor achttien tot dertig procent uit koolmonoxide, voor vijftien tot 25 procent uit kooldioxide en verder zit er nog stikstof en waterstof in. De staalbedrijven verbranden tot nog toe de koolmonoxide in energiecentrales, waar de koolmonoxide wordt omgezet in kooldioxide. Dit is zonde omdat koolmonoxide een waardevolle koolstofbron is voor de chemische industrie. Bovendien wordt bij de verbranding van koolmonoxide twee keer zoveel kooldioxide geproduceerd als bij de verbranding van steenkool.

Methanol

Het CORESYM-onderzoek richtte zich dan ook op de vraag of het mogelijk was de restgassen van de staalindustrie in te zetten in chemische basisproducten. In eerste instantie zou het waterstofgas kunnen worden gebruikt in de chemische industrie. In een later stadium zou ook koolmonoxide kunnen worden ingezet als grondstof voor de productie van methanol of ethanol. Deze stoffen kunnen nafta vervangen als grondstof voor diverse chemische producten zoals ethyleen, polypropyleen en synthetische brandstoffen.

Het gebruik van restgassen als grondstof voor de chemie kan de CO2-emissie van de staalindustrie met twintig tot 35 procent terugdringen. Op den duur zou de staalindustrie de synthetische brandstoffen die van hun eigen restgassen worden gemaakt weer inzetten in hun proces. Op die manier sluit men de koolstofkringloop.

Hoewel deze vorm van industriële symbiose in theorie meer CO2 kan besparen dan welke andere CO2-besparende oplossing dan ook, zijn er wel behoorlijke investeringen voor nodig. De deelnemers aan de studie willen dan ook graag verder met het ontwikkelen van de techniek en infrastructuur, maar vraagt wel om steun van de overheid.

Wilt u meer weten over Industriële symbiose en CORESYM? Tijdens het congres Industrie & Energie op 12 december geeft Andreas ten Cate een masterclass over dit onderwerp.