Proeffabriek ExxonMobil gebruikt carbonaat-brandstofceltechnologie
ExxonMobil is op haar complex in Rotterdam een pilotplant aan het bouwen om CO2 af te vangen met een carbonaat-brandstofcel. Door deze technologie zullen de kosten voor CO2-afvang naar verwachting sterk dalen.
Doel van het proces
Carbonaat-brandstofcellen hebben de unieke eigenschap om CO2-emissies van industriële bronnen af te vangen voordat deze in de atmosfeer terechtkomen. De carbonaat-brandstofceltechnologie komt erop neer dat de brandstofcel CO2 afscheidt uit rookgas van een industriële installatie en deze vervolgens concentreert, waardoor het efficiënt ondergronds kan worden opgeslagen.
Deze CFC-technologie voorkomt dat CO2 in de atmosfeer komt, verhoogt de algehele efficiëntie van het CO2-afvangproces én biedt extra waardestromen die de kosten van CO2-afvang en -opslag verlagen. Daarbij maken ze waardevolle bijproducten waarmee de kosten van CO2-afvang en -opslag kunnen worden verlaagd. De technologie produceert namelijk CO2-arme elektriciteit, warmte, waterstof en water als bijproducten. In sommige gevallen wordt er zelfs meer schoon water geproduceerd dan verbruikt. Deze bijproducten zijn een groot voordeel ten opzichte van klassieke CO2-afvangmethodes, zoals de CO2-afvang op basis van amines, die veel energie kost. Klassieke afvangmethodes van CO2 gebruiken ongeveer 20% van de opgewekte energie van een elektriciteitscentrale.
Werking van het proces
De carbonaat-brandstofcel, ofwel Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC), is een brandstofcel werkend met gesmolten carbonaat (CO32−) als elektrolyt. Dit type brandstofcel wordt vooral gebruikt in grote industriële applicaties voor stroomopwekking en nu dus ook als CO2-afvanger. Ze gebruiken aardgas of biogas als brandstof.
Deze soort brandstofcel maakt gebruik van een gesmolten carbonaatmengsel dat bestaat uit een combinatie van lithiumcarbonaat (Li2CO3) met kaliumcarbonaat (K2CO3) of lithiumcarbonaat met natriumcarbonaat (Na2CO3). Bij temperaturen van 600-700 °C bereikt dit mengsel door smeltpuntverlaging een vloeibare staat en wordt zeer geleidend; de vrije carbonaationen (CO32-) zorgen voor de geleiding. De elektrochemische reacties in een carbonaat-brandstofcel worden ondersteund door deze elektrolytlaag tussen anode en kathode, waarin carbonaationen dienen als ionenbrug om het elektrische circuit te sluiten. De reacties zien er als volgt uit:
Aan de anode:
H2 + CO32- ↔ H2O + CO2 + 2e-
Aan de kathode:
1/2 O2 + CO2 + 2e- ↔ CO32-
Hierbij kan men opmerken dat voor elke mol H2O die gevormd wordt, een mol CO2 wordt overgebracht van de kathode naar de anode. Hierdoor heeft de kathode, naast de aanvoer van zuurstof, ook een aanvoer van CO2 nodig.
CO2-concentrering
Een bijeffect van deze CFC-techniek is dat de kooldioxide die bij de kathode wordt aangevoerd, wordt getransporteerd door de elektrolytlaag naar de anode, waar het meer geconcentreerd is en makkelijk te verwijderen. Dit betekent dat een carbonaat-brandstofcel kan worden gebruikt als een koolstofzuiveringsmembraan die CO2 transporteert van de verdunde ingangsstroom naar een geconcentreerdere uitgangsstroom. De uitstroom van het gas uit de CFC-installatie bevat ongeveer 70% CO2, verder H2O en wat extra H2. Het is veel gemakkelijker om CO2 te scheiden van water dan van stikstof. Bovendien is de concentratie verhoogd naar 70%. De CO2 vanuit de anode-uitgangsstroom wordt gezuiverd door het koelen van deze stroom, om zo CO2-vloeistof te winnen. De gezuiverde CO2 kan worden getransporteerd via een pijpleiding naar een ondergrondse opslag of worden gebruikt in toepassingen zoals frisdrank, vleesproductie of bij de productie van cement en plastic.
“CFC-technologie biedt tot 30% kostenreductie ten opzichte van klassieke amineprocessen”
Uitvoering pilot Rotterdam
Voor de eerste keer wordt een carbonaat-brandstofcel voor kooldioxideafvangst geïnstalleerd op een pilotplant bij de waterstoffabriek van ExxonMobil in Rotterdam. Het doel van de pilot is om inzicht te krijgen in mogelijke prestaties, eventuele problemen in de praktijk en de kosten. ExxonMobil voert dit uit in samenwerking met het Amerikaanse bedrijf FuelCell Energy. FuelCell Energy ontwikkelde de carbonate fuel cell (CFC) oorspronkelijk om stroom op te wekken.
Momenteel wordt er wereldwijd zo’n 220 MW elektriciteit opgewekt met CFC’s van het bedrijf. De technologie is in een gezamenlijk onderzoeksprogramma met ExxonMobil aangepast om deze te gebruiken voor het afvangen van CO2 uit industriële installaties. Voor de pilottest worden twee modules ingezet die het formaat van een zeecontainer hebben. In een laboratorium is het proces met constante en geconditioneerde stromen en omstandigheden getest. In een echte situatie zal de samenstelling fluctueren en er wordt bekeken hoe het afvangproces hierop reageert. Is de installatie onder fabriekscondities robuust? Hoe reageert de installatie op onderbrekingen van de stroomvoorziening of als een ander fabrieksonderdeel uitvalt? Hoe is de prestatie over een langere periode?
Waterstof via een intern reformproces in de brandstofcel
De relatief hoge werkingstemperatuur van de carbonaat-brandstofcel heeft belangrijke voordelen. Voor deze cel hoeven methaan of brandstoffen rijk aan methaan, zoals biogas en aardgas, niet door een externe convertor omgezet te worden. Door de hoge temperatuur vindt een proces genaamd "internal reforming" plaats (reacties: CH4 + H2O ↔ CO + 3H2 en CO + H2O ↔ CO2 + H2), waardoor de externe omvormingsstap overgeslagen wordt, wat de kosten verlaagt.
De meeste waterstof wordt industrieel gegenereerd uit methaan door de energieverbruikende stoomreformreactie en de water-gas-shiftreactie waarbij CO2 vrijkomt. Deze reacties kunnen het methaan intern omzetten naar waterstof, gebruikmakend van water en warmte gegenereerd door de brandstofcel zelf. De nikkel-anode-elektrode kan de reformreactie en de gas-shiftreactie katalyseren bij de 600 °C van de werktemperatuur binnen de brandstofcel. Omdat de gevormde H2 hierbij continu wordt omgezet, drijft het principe van Le Chatelier beide reacties in de goede richting.
Reiniging rookgassen van CO2 en NOX
Alleenstaande carbonaat-brandstofcellen moeten CO2 terugvoeren naar de luchtingang om de cyclus gaande te houden. Daarentegen kunnen carbonaat-brandstofcellen die aangesloten zijn op een elektriciteitscentrale op fossiele brandstoffen ongeveer 90% van de CO2 uit de rookgassen halen. Daarnaast bevoordeelt de hoge temperatuur de ionisatie van het waterstof- en zuurstofgas. Hierdoor kan men goedkopere katalysatoren zoals nikkel of nikkel(II)oxide toepassen. Terwijl de rookgassen het luchtelektrodekanaal (de kathode) passeren, kan de cel ook ongeveer 70% van de stikstofoxide (NOX) vernietigen. NOX-emissies dragen namelijk bij aan de vorming van smog, zure regen, ozon en een te hoge stikstofneerslag in de natuur.
Toekomstverwachtingen
De pilot zal vijf jaar lopen en is nodig om te kunnen opschalen van de technologie naar industriële schaal. Schattingen geven aan dat er potentieel 30% kostenreductie plaatsvindt ten opzichte van de traditionele vloeibare aminetechnologie voor kooldioxideafvangst. De CFC-plant zal resulteren in een netto CO2-afvangst van 10 kiloton per jaar op de Rotterdamse locatie van ExxonMobil. Als de pilot succesvol is, kan deze opgeschaald worden naar andere installaties en zo bijdragen aan een aanzienlijke reductie van de CO2-emissies in Nederland. Begin 2025 wordt gestart met de bouw, waarna de proeffabriek in 2026 in gebruik zal worden genomen.
“Modulaire opbouw maakt deze technologie wereldwijd inzetbaar”
De afgevangen CO2 zal onder de vlag van het Porthos-project worden getransporteerd en opgeslagen in lege gasvelden onder de bodem van de Noordzee. CFC-technologie is modulair. Daardoor is deze wijze van koolstofafvang potentieel breed toepasbaar. Als de pilot slaagt, wil ExxonMobil deze CFC-technologie uitrollen bij zijn productielocaties over de gehele wereld. ExxonMobil zal de fabriek na een paar jaar draaien, waarin hij ongeveer 46.000 ton CO2 zal afvangen, ook weer afbreken.
In die testperiode moet de technologie technisch gereed zijn en moet duidelijk worden hoe de kosten omlaag kunnen. Als dat lukt, hebben ze een technologie die alle bedrijven met een schoorsteen die CO2 uitstoot in principe kunnen gebruiken. De installatie wordt off-site gebouwd. De modules zullen per schip naar Rotterdam worden vervoerd. De ruimte op de site is namelijk beperkt. Vanwege de veiligheid worden installaties steeds vaker op speciale constructiewerven gebouwd om later op de site te worden geïnstalleerd.
Het pilotproject wordt mede gefinancierd door de Europese Unie onder het Emissions Trading System Innovation Fund en door de Rijksdienst voor Ondernemend Nederland in de vorm van een Demonstration Energy and Climate Innovation (DEI+)-subsidie.
