Plastics maken uit biogas in plaats van aardolie? Dankzij een innovatie uit het COMPACT-II-project kan dat een optie in de toekomst zijn. Onderzoekers van de Universiteit Twente kunnen nu namelijk methaangas omzetten naar de grondstof voor plastics (ethyleen) zonder dat er in het proces teer ontstaat. Dit doen ze via de nieuwe pulsed-compressiemethode in een speciale reactor. Daarmee is het mogelijk om plastics te maken uit een schonere koolstofbron.Ook lijkt met deze methode een energiebesparing haalbaar door de lagere temperatuur waarop de reactor opereert.
De Universiteit Twente (UT) onderzoekt de pulsed-compressiemethode binnen het COMPACT-II-project. Hierin zoekt de UT naar duurzame oplossingen voor de petrochemische industrie. Dit doen zij samen met Shell, Dow Benelux, Encontech en het Institute for Sustainable Process Technology (ISPT).
Van methaan naar ethyleen
Veel grondstof voor plastics komt nu uit kraakovens: grote installaties die nafta uit aardolie omzetten naar andere (grond)stoffen. Hier komt onder andere ethyleen bij vrij. “Ethyleen is als grondstof nuttig, omdat je er direct plastic van kunt maken en het is het tussenproduct van veel andere materialen, zoals piepschuim en polyester. Zelfs in de medicijnwereld is het nodig.”, zegt Slotboom.
Voor het kraakproces zijn hoge temperaturen nodig. Die temperaturen worden bereikt door methaan en waterstof te verbranden in de kraakovens. “Om dat te verduurzamen kijken wij naar andere koolstofbronnen. Dat kan aardgas zijn, maar ook biogas. “De eerste innovatie van de pulsed-compressiemethode is dat het überhaupt mogelijk is om methaan om te zetten naar ethyleen zonder gebruik van katalysator of zuurstof.”
De pulsed-compressiemethode
Om het meeste uit de pulsed-compressiemethode te halen, zocht de onderzoeker lang naar de beste verhouding tussen druk, temperatuur en een goed gasmengsel. Ethyleen uit methaan halen is al lange tijd mogelijk, stelt Slotboom. “Maar daarbij ontstaat altijd teer en je wilt geen teerbende in je reactor.” Via allerlei experimenten ontdekte hij optimale condities waarbij geen teer ontstaat. Daarvoor gebruikt hij een speciale reactor met een cilinder en een zuiger. In de cilinder perst hij een gasmengsel van methaan, stikstof en waterstof samen in 8 milliseconden. Daarna haalt hij de druk er weer af, ook in 8 milliseconden.
“Die puls van in totaal 16 milliseconden zorgt voor genoeg hitte in het gasmengsel om ethyleen te laten ontstaan”, laat Slotboom weten. “In vergelijkbare reactors is de druk ongeveer een halve bar en heeft de reactor zelf een temperatuur tot wel 1200 graden Celsius. Onze reactor blijft op een vrij lage temperatuur: ongeveer 250 graden. Wel bouwen we een druk op van 500 tot 600 bar in het gas. Het gas zelf bereikt temperaturen tot wel 1400 graden Celsius. De combinatie van druk en temperatuur kunnen normale reactors niet aan, maar die van ons wel omdat alleen het gas zo warm wordt en de reactor zelf niet. Onder deze omstandigheden krijgen we de reactie die we willen. Zonder dat daarbij teer ontstaat.” Je kan het concept vergelijken met een automotor, ook daar is het gas veel heter dan de motor zelf.
Biogas
Via Topsector Energie kregen de partijen een onderzoekssubsidie van 730.000 euro. Slotboom ziet veel kansen voor de ontwikkelde technologie. “Je kunt deze methode ook uitvoeren met andere gassen of stoffen. Stop je een andere stof in de reactor, dan kan dat tot heel interessante uitkomsten leiden.
Slotboom ziet het gebruik van biogas als een interessante volgende stap voor zijn eigen onderzoek. “Biogas is een gasmengsel dat voor 60 procent uit methaan bestaat. Het ontstaat door mest, plantenresten of bijvoorbeeld afval uit rioolwater te vergisten”, legt hij uit. “In ons onderzoek gebruiken we aardgas, maar dat kun je vervangen door biogas. Als je dat omzet naar ethyleen, kun je plastics maken uit volledig biologische grondstoffen met beperkte CO₂-uitstoot. Daarmee maak je aardolie én aardgas overbodig. Dat levert een flinke bijdrage aan de klimaatdoelen.”
Op grote schaal
Allerlei bedrijven zijn geïnteresseerd in de pulsed-compressiemethode. Wel willen ze eerst antwoord op de vraag of dit proces op grote schaal kan worden toegepast. Dat test de Universiteit Twente in het voorjaar van 2023 met een nieuwe reactor. Die is nu opgebouwd en gaat de testfase in. “Dat zou de tweede doorbraak in het COMPACT-II-project zijn: een ontwerp dat op continue schaal kan draaien.” Slotboom: “Deze reactor zit veel ingewikkelder in elkaar dan de onderzoeksreactor waar ik de afgelopen jaren mee werkte. Met de onderzoeksreactor deed ik steeds losse proefjes van een paar seconden. De nieuwe reactor is ontworpen om doorlopend te kunnen draaien.”
Slotboom verwacht daar veel van. “Als de nieuwe reactor doet wat hij moet doen, kunnen we daar relatief aan de grootte van de reactor enorme voorraden ethyleen mee maken.” Over de energiebesparing is hij iets voorzichtiger. “Hoeveel zuiniger de reactor is weten we nog niet helemaal zeker, dit moet blijken uit de testen met de nieuwe reactor.”
Wat heeft de maatschappij aan deze uitvinding?
Tot slot vertelt Slotboom: “Wat we nu hebben gedaan is werken aan een oplossing voor het op kleine schaal omzetten van gas naar plastic. Dat kan ook met biogas en dan kunnen we plastics maken uit biologische grondstoffen. Biogas komt vooral uit mest, vergisting van plantaardig afval en afvalstromen zoals rioolwater. Dan halen we onze koolstof niet meer uit aardolie. Als dit in 50 jaar op veel grotere schaal gebeurt, zou dat een mooie stap zijn en een mooie bijdrage aan de maatschappij leveren. Want, CO2 versnelt de opwarming van de aarde, methaan is er ook zo één. Als we dat proces kunnen veranderen, dus het inzetten op kleinschalig afvangen van methaan en dat weer omzetten, kan dat veel betekenen en bijdragen aan de vermindering van CO2 en methaan-uitstoot.”
Lees meer over dit project op de website van ISPT.