ijzer- en staalindustrie dragen steentje bij aan co₂-reductie

consortium dringt koolstofuitstoot kosteneffectief terug

Positioneren van de SEWGS-reactor in Luleå, Zweden (foto: TNO)

Grote energiebesparing

In het vier jaar durende STEPWISE-project, gefinancierd uit het onderzoeksprogramma Horizon 2020, dat in mei 2019 werd afgerond, is de zogeheten Sorption Enhanced Water Gas Shift-technologie (SEWGS) van ECN part of TNO op industriële schaal gedemonstreerd. Hierin is aangetoond dat 85% van de CO₂ met behulp van adsorptiemiddelen is te verwijderen waarbij nog maar de helft van de hoeveelheid energie nodig is voor een zelfde resultaat met conventionele technologieën. Door die efficiëntere methode is de hoeveelheid af te vangen CO₂ te verdubbelen.

“De eerste ideeën voor de SEWGS-technologie voor afvang van CO₂ zijn al zo’n vijftien jaar geleden bedacht binnen het toenmalige ECN en we hebben dat stap voor stap ontwikkeld tot een effectieve methode. Eerst moesten we een materiaal zien te vinden dat het werkende hart van de technologie zou worden. Die is namelijk gebaseerd op een vast materiaal dat CO₂ uit een gas kan halen en daarbij ook nog andere chemische reacties aankan. De keuze viel uiteindelijk op hydrotalciet-gebaseerde adsorbentia en Kisuma Chemicals in Veendam bleek de geschiktste leverancier van dit type materialen”, vertelt Eric van Dijk, senior onderzoeker bij ECN part of TNO.

Siebe van der Veer, researcher bij Kisuma Chemicals in Veendam: “Hydrotalciet is een mineraal dat het basismateriaal vormt voor de adsorptietechnologie van ECN. Het is een magnesium-aluminium materiaal dat door het aanbrengen van kalium-carbonaat een chemische reactie aangaat. Dat levert een stof op die uitermate geschikt blijkt voor zowel adsorptie als desorptie van CO₂ .”

Sorption Enhanced Water Gas Shift-technologie (SEWGS)

STEPWISE pilot lay-out

In het SEWGS-proces veroorzaakt het hydrotalciet een reactie waardoor het evenwicht verschuift naar de producten CO₂ en H₂ volgens het principe van Le Chatelier. De WGS-reactie en H₂/ CO₂-scheiding worden gecombineerd in een enkel proces bij verhoogde druk (typisch 30 bar) en verhoogde temperatuur (typisch 400 °C). Op het moment dat het adsorbens is verzadigd met CO₂, wordt het geregenereerd, waarna het weer beschikbaar is voor de WGS-reactie gecombineerd met CO₂-opname.

SEWGS is een platformtechnologie met typische applicaties zoals H₂-productie in de chemie en CO₂-afvangst en opslag (CCS). Het energieverbruik ligt aanzienlijk lager dan bij alternatieve scheidingstechnologieën zoals absorptie met fysische (Selexol) of chemische (amine) oplosmiddelen. Bovendien wordt met SEWGS meer CO₂ uit het gas verwijderd.

Grootschalige uitrol

De experts bij ECN hadden hoge verwachtingen van de adsorptietechnologie, in combinatie met het verwijderen van zuur gas en water-gas shift reactie (WGS). Dat is een reactie voor de omzetting van CO en stoom in CO₂ en H₂. De SEWGS-technologie is in een consortium van negen partners uit vijf lidstaten in STEPWISE verder ontwikkeld. Van meet af aan wilden de onderzoekers de methode, die zich in het lab had bewezen, geschikt maken om grootschalig uit te rollen.

Eric van Dijk, senior onderzoeker bij ECN part of TNO

“STEPWISE was gericht op de staalindustrie, maar wij zien mogelijkheden om het principe veel breder toe te passen”

Eric van Dijk: “Je wilt een techniek die de uitstoot van CO₂ bij veel industriële processen fors terugdringt, maar dan wel op een manier die kosteneffectief is. Voor de staalindustrie moet het relatief makkelijk in hun processen zijn in te passen en het mag hun concurrentiepositie niet verzwakken. Dat was de uitdaging waar we als consortium voor stonden. De techniek moest ook veel minder energie verbruiken dan conventionele methoden om CO₂ te verwijderen.” (zie kaderstuk op volgende pagina)

De periode voorafgaand aan de start van STEPWISE speelde zich vooral in het laboratorium af. Het gekozen materiaal moest CO₂ kunnen opnemen én afgeven en dat in een zo hoog mogelijke capaciteit op grote schaal. Daarvoor moest de chemische samenstelling van het hydrotalciet worden aangepast. Er was frequent contact tussen de experts van ECN en van Kisuma. Ze slaagden er gezamenlijk in het materiaal de juiste eigenschappen te geven om het vervolgens op grote schaal te kunnen demonstreren. Binnen STEPWISE verliet de SEWGS-technologie het lab voor de praktijktesten.

Eric van Dijk: “Om voor financiering door Horizon 2020 in aanmerking te komen had de EU als eis een technologie op TRL-niveau 5, oftewel van labschaal naar een industriële toepassing, TRL 6. Dat paste perfect in onze ontwikkelingslijn van dat moment. Met name deze TRL-ontwikkelingsstappen zijn kostbaar en de EU wilde demonstraties ondersteunen van aantoonbaar werkende methodes. Dat viel prachtig samen.”

Proeven op industriele schaal

De STEPWISE-pilot in gebruik (foto: TNO)

In het noorden van Zweden werd in het voorjaar van 2016 een pilotinstallatie gebouwd bij ECN-evenknie Swerim, het Swedish Research Institute for Mining, Metallurgy and Materials. Deze projectpartner beschikte al over testinstallaties voor de staalindustrie en had als buur SSAB, de grootste staalproducent in Scandinavië. Tussen beide vestigingen is een 640 meter lange gasleiding gebouwd van de hoogoven van SSAB naar Swerim voor het transport van gas naar de testinstallatie.

Industriële partners in het consortium waren Tata Steel Consulting en Johnson Matthey uit Engeland, Amec Foster Wheeler Italiana, onderdeel van de Wood Group, als ingenieursbureau.

Twee universiteiten, Politecnico de Milano (TU Milaan) en Universitatea Babes-Bolyai (Roemenië), leverden wetenschappelijke ondersteuning door middel van systeem- en impactanalyses. ECN bracht de partijen bij elkaar, coördineerde het project en leverde belangrijke technologische inbreng. Het STEPWISE-project maakte het mogelijk proeven op industriële schaal te doen die in het lab onmogelijk zijn.

Siebe van der Veer, researcher bij Kisuma Chemicals in Veendam

“Hydrotalcieten hebben een breed scala aan toepassingen. Als deze technologie straks grootschalig wordt toegepast is dat een echt grote stap in de reductie van CO₂ door de industrie”

Van maagzuur naar CO₂-adsorptie

Siebe van der Veer: “Hydrotalcieten hebben een breed scala aan toepassingen. Het eerste commerciële product van ons moederbedrijf Kyowa wordt nota bene al sinds jaar en dag als maagzuurremmer ingezet. We zijn in Nederland in 1999 in Veendam begonnen omdat hier veel zuiver magnesium chloride in de ondergrond zit. Dat is een belangrijke grondstof voor ons; al onze materialen zijn op magnesium gebaseerd. We zijn permanent op zoek naar nieuwe toepassingen en STEPWISE was voor ons dan ook een mooie gelegenheid om daaraan te werken met andere partners. Als deze technologie straks grootschalig wordt toegepast is dat een echt grote stap in de reductie van CO₂ door de industrie.”

Een van de uitdagingen voor Kisuma bestond in het vormgeven van het hydrotalcietpoeder tot een tablet. In de kolom van een reactor veroorzaakt poeder een vermindering van de gasdruk. Daarom moest het materiaal uit een gestructureerde vorm bestaan met de juiste sterkte en dichtheid. Hoe hoger de dichtheid van het materiaal, hoe meer CO₂ daarmee is af te vangen. “Alles wat we wilden bereiken in dit project is voor honderd procent geslaagd”, aldus Siebe van der Veer.

Verder optimaliseren

Het Europese project is in mei 2019 afgerond, maar TNO wil de technologie doorontwikkelen naar TRL-niveau 7 en 8. Ook Kisuma wil verder. Zo is nog onduidelijk wat het hydrotalciet doet als het niet een paar maanden maar jaren in de kolom zit. Er is onderzoek nodig om te weten te komen wat het materiaal doet over een langere periode en hoe dat alles verder te optimaliseren is. En na wat nu is aangetoond, wordt het interessant te kijken in welke andere sectoren de SEWGS-technologie verder ontwikkeld kan worden.

Eric van Dijk: “STEPWISE was gericht op de staalindustrie, maar wij zien mogelijkheden om het principe veel breder toe te passen. Je kunt denken aan een combinatie van wat we in STEPWISE hebben bereikt en wat we met veel van deze partners doen in het Europese FReSMe-project. Daar gaat het om het maken van methanol uit CO₂ als bouwstof voor chemische processen. Daarvoor kun je stromen uit een STEPWISE-installatie gebruiken. Methanol is ook een veelbelovende duurzame brandstof voor de nu nog sterk vervuilende zeescheepvaart. Het wordt nu hoofdzakelijk gemaakt uit aardgas. Als je dat vervangt door een toepassing om CO₂ te hergebruiken benut je de koolstof twee keer. Dat is een gunstig businessmodel om CO₂ af te vangen. Een staalfabrikant verkoopt het afvalproduct CO₂ dan als grondstof.”

STEPWISE integratie in de ijzer- en staalproductie

STEPWISE simple

STEPWISE intense

De ijzer- en staalproductie produceert CO₂-houdende afgassen die nuttig worden gebruikt. Enerzijds worden die gassen intern gebruikt voor verschillende verwarmingsdoeleinden en het overschot wordt gebruikt voor elektriciteitsproductie. Het intern gebruik leidt tot grofweg 55% van de totale CO₂-uitstoot en de elektriciteitsproductie voor de resterende 45%. De simpele implementatie van de STEPWISE-technologie op de gassen naar de elektriciteitsproductie beïnvloedt de ijzer- en staalproductie niet en op efficiënte manier wordt dan 35-40% van de totale uitstoot vermeden. Decarbonisering van de afgassen voor intern gebruik is de intensievere STEPWISE-implementatie, omdat hierbij ook processen in de ijzer- en staalproductie moeten worden aangepast. Bij de intensieve STEPWISE-implementatie kan tot zo’n 75% van de CO₂-emissie worden vermeden. De simpele STEPWISE-integratie is een vroege optie voor de decarbonisering van de elektriciteitsproductie die de route voor de toekomstige intensievere decarbonisatie-implementaties toelaat.

Zware industrie ZUIVEREN

Hoe aantrekkelijk is het voor bedrijven in de staalindustrie over te stappen op deze technologie? Volgens de twee onderzoekers is dit de meest kosteneffectieve manier om de uitstoot van CO₂ omlaag te krijgen. En door komende wet- en regelgeving is het de verwachting dat de industrie hoe dan ook maatregelen moet nemen. Het is met name voor de staalindustrie een grote uitdaging de CO₂-uitstoot significant te verlagen en CO₂-afvangst en opslag is een reëel scenario. Hier kan SEWGS een belangrijke rol spelen. De technologie is nog niet op commerciële schaal beschikbaar maar is in de naaste toekomst de beste optie.

“Het gaat hier ook om grote economische belangen. Staal is een innovatieve sector met innovatieve producten die we niet kunnen missen. Dus zullen we moeten investeren in manieren om dat verantwoord en duurzaam te doen.”

Meer informatie over STEPWISE?

STEPWISE

Surf naar www.stepwise.eu of neem contact op met Eric van Dijk (senior onderzoeker bij ECN part of TNO) via
eric.vandijk@tno.nl.

Reductie CO2-uitstoot bij staalindustrie