Chlooralkali-elektrolyse: van keukenzout naar chloor, waterstof en bijtende soda
Stel je een groot bad voor met sterk gezouten water, geconcentreerder dan zeewater. Steek er twee elektroden in en zet er stroom op, en er gebeurt iets opmerkelijks: aan de ene kant borrelt een geelgroen gas omhoog (chloor), aan de andere kant ontstaat een ander gas (waterstof), en het water zelf verandert in een bijtende, zeepachtige vloeistof die bekendstaat als bijtende soda of natronloog. Dat is in essentie chlooralkali-elektrolyse: met elektriciteit gewoon keukenzout, opgelost in water, uit elkaar trekken in drie bruikbare stoffen.
Het klinkt als een scheikundeproefje uit de klas, maar het is een van de grootste industriële processen ter wereld. Vrijwel elk stuk pvc-buis, elk gechloreerd zwembad en veel papier, zeep en aluminium hebben ergens in hun productieketen met dit proces te maken gehad. Chlooralkali-elektrolyse bestaat al meer dan honderd jaar, maar staat de laatste jaren weer volop in de belangstelling: de fabrieken slokken enorme hoeveelheden stroom op, en in een tijd van energietransitie wordt gezocht naar manieren om dat verbruik te verlagen en het waterstofgas dat erbij vrijkomt niet te verspillen, maar te benutten als schone energiedrager.
Wat is het precies?
Het proces begint met pekel: water waarin een grote hoeveelheid keukenzout (natriumchloride, NaCl) is opgelost. Deze pekel wordt eerst gezuiverd, want stofjes als calcium en magnesium zouden de installatie op termijn verstoppen of beschadigen.
De gezuiverde pekel stroomt vervolgens door een elektrolysecel: een bak met twee elektroden waar een gelijkstroom doorheen loopt. Aan de anode (de elektrode waar de stroom de cel binnenkomt, meestal gemaakt van titanium met een speciale metaaloxide-coating) worden chloride-ionen omgezet in chloorgas (Cl₂). Aan de kathode (waar de stroom de cel weer verlaat) wordt water gesplitst in waterstofgas (H₂) en hydroxide-ionen (OH⁻).
Tussen anode en kathode zit in de modernste installaties een dun kunststof membraan: een vlies dat alleen natrium-ionen (Na⁺) doorlaat, maar chloride- en hydroxide-ionen tegenhoudt. Daardoor komt er aan de kathodezijde een oplossing van natriumhydroxide (NaOH) tot stand, beter bekend als bijtende soda of natronloog. Deze membraancel is tegenwoordig de gangbare technologie. Vroeger werd vooral gewerkt met een kwikcel, waarbij vloeibaar kwik als elektrode diende, en met een diafragmacel, met een poreus scheidingswand in plaats van een membraan. Beide oudere technieken zijn energie-inefficiënter en, in het geval van de kwikcel, milieubelastend, en worden wereldwijd steeds verder uitgefaseerd.
Samengevat levert het proces drie producten op uit twee simpele grondstoffen (zout en water, plus elektriciteit): chloorgas, waterstofgas en een natronloogoplossing. Geen van de drie kan zonder de andere worden gemaakt in dit proces; ze komen altijd samen vrij, in een vaste onderlinge verhouding.
Wat wil men ermee bereiken?
Het primaire doel van chlooralkali-elektrolyse is simpel: de chemische industrie heeft chloor en natronloog nodig als basisbouwstenen voor duizenden producten. Chloor is de grondstof voor pvc (het meest gebruikte kunststof na polyethyleen en polypropyleen), voor drinkwaterdesinfectie, voor oplosmiddelen en voor veel medicijnen en gewasbeschermingsmiddelen. Natronloog wordt gebruikt bij de productie van papier, textiel, zeep en aluminium, en bij het zuiveren van olie. Zonder dit proces zou een groot deel van de moderne chemische industrie stilvallen.
Waterstof gold lange tijd als een bijproduct van bijkomstig belang: nuttig om als brandstof te verbranden voor de eigen energievoorziening van de fabriek, maar zelden het hoofddoel. Dat verandert. Waterstof wordt steeds meer gezien als waardevolle energiedrager voor de energietransitie, en fabrieken die toch al waterstof produceren als bijproduct, kunnen dat gas relatief goedkoop beschikbaar stellen aan bijvoorbeeld waterstofbussen, industriële processen elders of het gasnet.
Daarnaast is er een sterke drijfveer om het proces energiezuiniger te maken. Chlooralkali-elektrolyse behoort tot de meest elektriciteitsintensieve processen in de chemische industrie: er is doorgaans in de orde van enkele duizenden kilowattuur nodig per ton geproduceerd chloor. Producenten en technologieleveranciers zoeken daarom naar betere elektrodecoatings, dunnere en efficiëntere membranen, en compleet nieuwe celontwerpen om het stroomverbruik omlaag te brengen — zowel om kosten te besparen als om de CO₂-voetafdruk te verkleinen, zeker wanneer de gebruikte stroom nog niet volledig hernieuwbaar is.
Voorbeelden uit de praktijk
In Delfzijl (Groningen) exploiteert chemieconcern Nouryon, voorheen onderdeel van AkzoNobel, al decennialang een chlooralkali-fabriek die onderdeel is van het lokale chemiecluster. Het bedrijf heeft daar onderzocht hoe het bijproduct waterstof beter benut kan worden binnen de regionale energie- en industrieketen, in plaats van het simpel af te fakkelen of te verbranden voor eigen stoomopwekking.
In Duitsland heeft chemiebedrijf Covestro (voorheen onderdeel van Bayer) in Krefeld-Uerdingen een fabriek waar sinds de vroege jaren 2010 gebruik wordt gemaakt van een zogeheten zuurstof-verbruikende kathode (oxygen depolarized cathode, ODC). Bij deze variant wordt aan de kathode geen waterstof meer gevormd, maar reageert zuurstof rechtstreeks met water; dat kost aanzienlijk minder elektrische energie dan de klassieke membraancel, al offert de fabriek daarmee wel de waterstofproductie op.
In Europa hebben diverse producenten, waaronder INEOS Inovyn met fabrieken zoals die in Runcorn (Verenigd Koninkrijk), geëxperimenteerd met het inzetten van bijproduct-waterstof voor waterstofbussen en voor injectie in het lokale gasnet, als praktijkvoorbeeld van hoe een bestaand industrieel proces een nieuwe rol kan krijgen in de energietransitie.
Wereldwijd heeft de sector in de afgelopen decennia een grote schaalverschuiving doorgemaakt: China is uitgegroeid tot verreweg de grootste producent van chloor en natronloog, met een fors aandeel van de mondiale productiecapaciteit, gedreven door de snelgroeiende binnenlandse vraag naar pvc en andere chloorderivaten.
In Europa markeerde de periode rond 2017 een omslagpunt: onder druk van Europese regelgeving over de beste beschikbare technieken, en in lijn met het wereldwijde Verdrag van Minamata over kwik, moesten de laatste kwikcel-fabrieken in de Europese Unie sluiten of overschakelen op membraantechnologie.
Hoe ver is de techniek?
De kern van het proces is allesbehalve nieuw: industriële elektrolyse van pekel bestaat al sinds het einde van de negentiende eeuw, en de membraancel — nu de standaardtechnologie — wordt al sinds de jaren tachtig van de vorige eeuw op grote schaal toegepast. In die zin is chlooralkali-elektrolyse een volwassen, bewezen technologie, geen opkomende innovatie.
Wat wél volop in ontwikkeling is, zijn verbeteringen aan de randvoorwaarden: energiezuinigere elektrodecoatings, langer meegaande membranen, en de al genoemde zuurstof-verbruikende kathode. Die laatste technologie is weliswaar commercieel bewezen, maar wordt tot nu toe maar op een beperkt aantal locaties toegepast, onder meer omdat ze een zuivere zuurstoftoevoer vereist en omdat de waterstof die anders zou vrijkomen, wegvalt als nevenproduct.
Een ander aandachtspunt is de koppeling met wisselende, hernieuwbare elektriciteit. Chlooralkali-installaties zijn van oorsprong ontworpen om continu op vol vermogen te draaien; flexibeler op- en afschakelen in reactie op een wisselend aanbod van wind- en zonnestroom is technisch mogelijk, maar vraagt aanpassingen en brengt extra kosten met zich mee. Ook de overstap van resterende kwikcel-installaties naar membraantechnologie is buiten Europa, Japan en Noord-Amerika nog niet overal voltooid; in delen van de wereld draaien nog oudere, minder efficiënte fabrieken.
Kortom: het basisproces is uitontwikkeld en betrouwbaar, maar de sector bevindt zich in een geleidelijke moderniseringsslag waarbij energie-efficiëntie en de waarde van het bijproduct waterstof centraal staan.
Wie werken eraan?
Aan de producentenkant zijn grote chemieconcerns actief, waaronder Nouryon (Nederland), Covestro en BASF (Duitsland), Solvay (België), INEOS Inovyn (Verenigd Koninkrijk/Europa), en in de Verenigde Staten bedrijven als Olin Corporation en Occidental Chemical (OxyChem). In Azië zijn Tosoh en Asahi Kasei (beide Japan) belangrijke spelers, naast een groot aantal Chinese producenten die samen een aanzienlijk deel van de wereldwijde capaciteit vertegenwoordigen.
Op het gebied van technologie en apparatuur springen enkele gespecialiseerde leveranciers eruit: thyssenkrupp Uhde Chlorine Engineers levert complete membraancel-installaties, Asahi Kasei is een belangrijke producent van de ionenwisselingsmembranen die het hart van de moderne cel vormen, en het Italiaanse De Nora is gespecialiseerd in de coatings voor de anodes.
Op Europees niveau bundelt de branchevereniging Euro Chlor de belangen en kennis van de sector, en publiceert zij achtergrondinformatie over veiligheid, milieu-impact en energieverbruik van het proces.