Ethyleen uit zonlicht, water en CO₂

Wat als je ethyleen kunt maken uit niets meer dan water, CO₂ en zonlicht? In het Europese FlowPhotoChem-project hebben onderzoekers precies dat laten zien. In een experimentele installatie, onlangs getest bij het Duitse lucht- en ruimtevaartinstituut DLR in Keulen, is het gelukt om via een driestapsproces ethyleen te produceren met behulp van geconcentreerde zonnestraling.

Ethyleen is wereldwijd de meest gebruikte chemische bouwsteen, essentieel voor de productie van polyetheen. Tot nu toe wordt ethyleen vrijwel uitsluitend geproduceerd uit aardolie of aardgas – processen die grote hoeveelheden energie vergen en gepaard gaan met een hoge CO₂-uitstoot. Alleen al in Duitsland bedraagt de uitstoot bij de productie van chemische grondstoffen bijna veertig miljoen ton CO₂-equivalenten per jaar. Om die impact te verkleinen, hebben onderzoekers binnen het FlowPhotoChem-project gezocht naar een alternatief productieproces dat inzet op hernieuwbare energiebronnen en circulaire grondstoffen.

Drie reactoren, één doel

In het FlowPhotoChem-project is gekozen voor een modulair systeem met drie gekoppelde reactoren. De eerste reactor zet water met behulp van geconcentreerd zonlicht om in waterstof en zuurstof. In de tweede reactor reageert die waterstof met CO₂ tot CO, opnieuw onder invloed van zonnestraling. In de derde en laatste stap wordt de koolmonoxide elektrisch omgezet in ethyleen – bij voorkeur met elektriciteit uit zonnepanelen.

DLR werkte voor dit project samen met verschillende Europese onderzoeksinstellingen en bedrijven. Elk van de drie reactoren werd geleverd door een andere projectpartner, waaronder SoHHytec (Zwitserland), de Polytechnic University of Valencia en het Hongaarse eChemicles. De volledige installatie is opgebouwd in het High-Flux Solar Simulator-lab in Keulen, waar xenonlampen kunstmatig zonlicht leveren met een intensiteit die honderden keren hoger ligt dan die van gewoon zonlicht.

Van lab naar praktijk?

De schaal van de installatie is groter dan gebruikelijk in laboratoriumomgevingen. De opstelling beslaat een volledige testhal en werd gedurende een week onder realistische omstandigheden getest. Daarbij bleek het systeem als geheel stabiel te functioneren. “Onderzoek naar de productie van chemische grondstoffen met behulp van zonne-energie stelt ons in staat om volledig hernieuwbare processen te ontwikkelen voor de grootschalige productie van deze chemicaliën en energiedragers in de toekomst”, zegt DLR-onderzoeker Michael Wullenkord, die het project leidde.

Volgens Wullenkord zijn er nog optimalisaties mogelijk, bijvoorbeeld op het gebied van warmteterugwinning en energiemanagement. “BDoor de reactormodules verder te optimaliseren, de bedrijfsstrategieën te verbeteren en geavanceerd warmte- en energiemanagement toe te passen – bijvoorbeeld door restwarmte of overtollige elektriciteit in te zetten voor het hele proces – kan het systeem uiteindelijk een uitzonderlijk hoog rendement behalen.”

De technologie is bij uitstek geschikt voor gebieden met veel directe zoninstraling. Zuid-Europese landen, maar ook regio’s in Australië, Noord-Afrika of het Midden-Oosten zouden op termijn in aanmerking kunnen komen voor decentrale productie van ethyleen en andere basischemicaliën.

Nieuwe richting voor de kunststofindustrie

Voor de kunststofsector biedt deze ontwikkeling perspectief. De afhankelijkheid van fossiele grondstoffen staat onder druk, zowel vanuit beleid als vanuit de markt. Innovatieve technologieën zoals die van FlowPhotoChem laten zien dat er alternatieve routes zijn – al zijn die voorlopig nog in de onderzoeksfase. Het project werd mede gefinancierd via het Horizon 2020-programma van de Europese Unie en is te volgen via www.flowphotochem.eu.