DUURZAME LIGNINEOLIE ALS GRONDSTOF VOOR DE PETROCHEMISCHE INDUSTRIE

Vertoro creëert het 'groene goud' In pilot plant op Brightlands Chemelot Campus

De realiteit dat onder andere bijmengverplichtingen en CO₂-taksen moeten worden ingezet om de transport-, olie- en chemiesector te verduurzamen hint op het ontbreken van competitieve duurzame alternatieven vis-à-vis aardolie (derivaten). Dit roept de vraag op waarom de fossiele economie wel rekent en die van biomassa doorgaans niet. Het is ontegenzeggelijk waar dat voorgenoemde wereld meer matuur en beter georganiseerd is, alsook immense schaalvoordelen geniet.

RENDABELE WAARDEKETENS

In plaats van het voeren van het veelgebruikte argument dat het geen eerlijk gevecht zou zijn tegen fossiel, hebben we twee jaar terug bij de oprichting van Vertoro besloten dat we, wat betreft lignineverwaarding, onze technologie, bedrijfsmodel en organisatie van onze positie in de waardeketen willen spiegelen aan hetgeen gemeengoed is bij de fossiele industrie. Met andere woorden, hoe zou de fossiele wereld omgaan met lignine als ruwe grondstof voor bestaande raffinaderijen en/of chemische fabrieken? In dit gedachte-experiment zijn we gaan onderzoeken welke fossiele grondstof het meest lijkt op lignine - onze grondstof - en hoe deze momenteel wordt verwaard. Vooraf stond vast dat, wat het antwoord ook zou zijn, we dit als leidraad zouden aanhouden in onze technologieontwikkeling en bedrijfsplan.

 

Bitumen is, net als lignine, op locatie laagwaardig, alsook hoogmoleculair en aromatisch. In Canada wordt het merendeel van het bitumenrijke teerzand niet lokaal chemisch bewerkt richting brandstoffen, chemicaliën of materialen. In plaats daarvan worden oplosmiddelen via pijpleidingen aangevoerd om het bitumen te mobiliseren, de transportmogelijkheden te verhogen en de transportkosten te verlagen. Opgelost bitumen gaat dan via een pijpleiding naar een bestaande olieraffinaderij waar het al dan niet samen met conventionele ruwe olie wordt verwerkt naar transportbrandstoffen en intermediaire stromen voor de petrochemische sector. In deze waardeketen lijkt men er dus bewust voor te kiezen om het lokaal simpel te houden en de voor eindproducten noodzakelijke complexiteit te bewaren voor downstreampartijen die wat betreft specialisatie, schaalgrootte en locatie daarvoor veel beter gepositioneerd zijn.

In biobased land lijkt men in de regel te kiezen voor een alternatieve blauwdruk door niet alleen meerdere posities in de waardeketen te willen bekleden - door bijvoorbeeld uit biomassa rechtstreeks brandstoffen, chemicaliën of materialen te maken - maar tevens door dit ook nog eens op een relatief kleine schaal en doorgaans ver weg van eindmarkten uit te willen voeren. Partijen halen vaak vele (honderden) miljoenen op om hun technologie op te schalen om er vervolgens achter te komen dat hun producten (veel) te duur zijn. Dit, terwijl men zou kunnen stellen dat een en ander te verwachten was als men bekijkt hoeveel er eigenlijk afgeweken wordt van de waardeketenstructuur die geldt in andere grondstofmarkten.

 

RUWE LIGNINEOLIE (CLO)

Vertoro (Spaans voor 'Het Groene Goud', red.) kiest daarom bewust voor een lokaal simpel/ centraal complex-strategie en zijn technologie is een afgeleide van deze visie. Net als bij bitumen wordt hout of lignine - een reststroom uit de bioraffinage en papierpulpindustrie - omgezet in zogeheten ruwe lignineolie, ofwel crude lignin oil (CLO), door lignine op te lossen in een of meerdere ingevoerde oplosmiddelen. Belangrijk om hier te noemen is dat in beide gevallen de ruwe grondstof, respectievelijk bitumen en lignine, niet wordt gekraakt.

CLO wordt daarentegen van meerdere bronnen, typisch elk op een schaal van 50-100 kiloton per jaar, via bestaande infrastructuur voor aardolie (derivaten) getransporteerd naar een centrale raffinaderij om aldaar op een schaal van minimaal 1 miljoen ton per jaar gekraakt te worden naar aromaten en olefinen. Voor deze bulkchemicaliën, normaliter geproduceerd uit nafta, is er reeds een volwassen downstream-waardeketen aanwezig.

 

Maak hier een virtuele tour door de proeffabriek:

Chemelot inscite project 'Lignin riches'

De CLO-technologie is ontwikkeld door onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) en DSM als onderdeel van een nog lopend Chemelot InSciTe project, genaamd Lignin RICHES.

Chemelot InSciTe is een instituut voor technische validatie voor veelbelovende biobased en biomedical technologieën dat is opgericht door de TU/e, Universiteit van Maastricht, DSM en Brightlands.

Het beschikt als een van de weinige kennisinstituten in Nederland over de juiste procesvalorisatie-infrastructuur om biobased dromen zoals die van Vertoro te kunnen waarmaken en de maatschappelijke impact ervan te maximaliseren. Voor Vertoro betekent dit een 'barrel per day' in pilotfaciliteiten voor CLO. Deze CLO pilot plant is sinds de zomer van 2019 operationeel.

Toepassingen van CLO

Het is mogelijk om CLO direct in te zetten in diverse nichemarkten. Hierbij moet men vooral denken aan applicaties waarbij het reeds veelvuldig is aangetoond dat lignine in onaangepaste - vaste - vorm als grondstof kan dienen. Twee van de meest vergevorderde toepassingen zijn polyurethaan en fenolharsen, waarbij respectievelijk diolen/polyolen en fenol gedeeltelijk worden vervangen door lignine. Dat dit kan, heeft alles te maken met de unieke polyfenolische molecuulstructuur van lignine. Normaliter moeten producenten van voorgenoemde materialen fors investeren in (vlambare) vastestofopslag alsook in apparatuur om vaste stoffen ergens in hun proces te dispergeren. Een voordeel van CLO is dat de molecuulstructuur van lignine behouden blijft en lignine bovendien door het CLO-proces al homogeen gemengd is met een diol/polyol of fenol naar keuze. Een andere, meer laagwaardigere toepassing van CLO is als scheepsbrandstof, waarbij lignine nu wordt opgelost in methanol.

 

“De echte klapper wordt pas later verwacht wanneer CLO op veel grotere schaal gekraakt kan worden naar aromaten en olefinen. Fluid catalytic cracking (FCC) is voor CLO een heel interessante kraaktechnologie”

 

FLUID CATALYTIC CRACKING (FCC)

Zodra de pilot plant operationeel is, kunnen er CLO-samples worden uitgestuurd ten bate van voorgenoemde toepassingen. CLO-verkopen aan deze nichemarkten kunnen dan voor de eerste omzet zorgen bij Vertoro. De echte klapper wordt pas later verwacht wanneer CLO op veel grotere schaal gekraakt kan worden naar aromaten en olefinen. Hiertoe wordt momenteel in nauwe samenwerking met de TU/e onderzocht in hoeverre dit kan plaatsvinden met behulp van fluid catalytic cracking (FCC).

FCC is een van de meest gebruikte technologieën in de olieraffinage en wordt toegepast in meer dan 300 van de circa 650 olieraffinaderijen. FCC is voor CLO een heel interessante kraaktechnologie. Niet alleen omdat er wereldwijd enorm veel capaciteit beschikbaar is, maar vooral ook omdat FCC, in tegenstelling tot bijvoorbeeld steam cracking, ook geschikt is voor het kraken van zuurstofrijke (biomassa)stromen zoals pyrolyseolie. Aangezien lignine bestaat uit circa 30% zuurstof, is een dergelijke compatibiliteit voor CLO een vereiste. In samenwerking met de TU Eindhoven en een industriële partij uit deze sector zal dit jaar nog getracht worden om aromaten en olefinen op deze wijze uit CLO te produceren.

Wordt vervolgd … 

 

SMELTBARE LIGNINE

Lignine wordt als poeder samen met een polair organisch oplosmiddel gedurende een halfuur, al roerend, gekookt bij circa 200 graden. Afhankelijk van de eigenschappen van de lignine en het gekozen oplosmiddel kan de oplossingsgraad van lignine na de reactie bij kamertemperatuur variëren van minder dan 10% tot meer dan 90%. Het vloeibare product, bestaande uit een homogene oplossing van lignineoligomeren in een oplosmiddel, noemen we dan crude lignin oil (CLO). De concentratie van lignineoligomeren bij kamertemperatuur kan oplopen tot 75%. Door het oplosmiddel vervolgens te verwijderen, kan een smeltbare lignine worden verkregen. Het deel van de lignine dat niet oplost, noemen we char. Dit kan bijvoorbeeld nog als vulmiddel worden ingezet in polyurethaan, asfalt of cement.