Achtergrond

Grondstofdioxide

Arjen Dijkgraaf |
(Bio)procestechnologie, Anorganische chemie, Duurzaamheid & Energie, Katalyse, Organische chemie

Koolstofdioxide in de bodem opslaan is volgens velen doodzonde. Chemisch gezien kun je die koolstof immers ook hergebruiken met behulp van duurzame energie. Maar hoe realistisch zijn zulke plannen, en wat moet er gebeuren om ze werkelijkheid te laten worden?

‘Het is moeilijk om de opschaling te voorspellen’, zegt Lukas Buelens. Eind 2016 presenteerde de Gentse promovendus samen met zijn begeleiders Vladimir Galvita en Guy Marin in Science een proces dat koolstofdioxide met methaan laat reageren tot koolstofmonoxide en water. Voeg waterstof toe, liefst uit een duurzame bron, en je hebt synthesegas als basis voor chemicaliën. Chemisch gezien zit hun super-dry reforming, waaraan drie metaaloxides te pas komen, slim in elkaar. Maar het gaat nog even duren voordat we er massaal de rookgassen van energiecentrales mee recyclen. ‘Voorlopig werken we nog op labschaal’, geeft Buelens aan.

Hoezo grote schaal?

Het is tekenend voor bijna alle CO2-verwerkingstechnieken. In het lab wordt er al heel lang aan gewerkt; de Sabatierreactie, die CH4 oplevert, is zelfs meer dan een eeuw oud. De Leidse hoogleraar Marc Koper vertelt dat hij op labschaal CO2 met 60 % selectiviteit elektrochemisch kan omzetten in C2H4. Hij vindt het vooral een interessant wetenschappelijk probleem. ‘Nieuwe reactiviteit blootleggen, kijken hoe het werkt. Dat is voor een chemicus heel spannend.’

Maar tot voor kort werd je als chemisch technoloog voor gek verklaard wanneer je dit soort dingen op industriële schaal wilde gaan doen. CO2 is immers het eindproduct van de verbranding van koolstofhoudende moleculen. Wat je ook doet, er moet per definitie energie bij en dus kon je je koolstof vrijwel altijd goedkoper ergens anders uit halen. Als je per se van je CO2 af wilde, leek het verstandiger om het simpelweg in de grond te stoppen – dat kost ook energie, maar minder. Onlangs viel in Petrochem te lezen dat de meeste chemische bedrijven in het Rotterdamse havengebied er nog steeds zo over denken.

Momenteel rijzen windparken echter als paddenstoelen uit de grond, en begint windenergie ineens prijstechnisch interessant te worden als energiebron voor chemische fabrieken. Onder aanvoering van onderzoeksinstelling TNO en Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN) werkt de publiek-private samenwerking VoltaChem dit concept nader uit, en tijdens haar jaarlijkse congres werd onlangs duidelijk dat in Rotterdam het gemeentebestuur en zijn havenbedrijf er wél vierkant achter staan. En als je fossiel uitfaseert als brandstof, is het logisch dat je ook voor je producten een andere vorm van koolstof zoekt – CO2, bijvoorbeeld.

Er zijn zelfs situaties waarin je niet anders kunt, bijvoorbeeld wanneer je een planeet als Mars wilt koloniseren waar geen andere koolstof beschikbaar is. Maar vooral wanneer je je energie ver van de bewoonde wereld wint en haar ter plekke moet omzetten in koolwaterstoffen om het transport betaalbaar te maken. Net als H2 wordt CO2, ingebouwd in bijvoorbeeld CH4, zo in feite een energiedrager. ‘De Chinezen bouwen momenteel windparken in de woestijn in Binnen-Mongolië’, vertelt de Utrechtse katalyse-expert Bert Weckhuysen. ‘Mijn collega daar, professor Ding Ma van de universiteit van Peking, vond CO2-hergebruik altijd maar niks, maar hij is nu helemaal om.’

Dát je CO2 hergebruikt is dus niet zo’n gek idee meer, maar hoe? Henk Akse, directeur van adviesbureau Traxxys in Woerden, maakte onlangs een lijst van mogelijke toepassingen. Hij vond er 71. Daar zitten fysische toepassingen tussen als koudemiddel, superkritisch solvent, drijfgas om olie uit de bodem te persen, en ingrediënt in priklimonade. Maar er zijn ook minstens 47 chemische producten die onderzoekers denken te kunnen maken van CO2. Het aantal in de literatuur beschreven processen is nog veel groter: Buelens is lang niet de enige die aan synthesegas werkt.

Dure oplossingen

Sommige alternatieven worden breed uitgemeten in de media. Zo stelen TNO en de Technische Universiteit Eindhoven de show door CO2 om te zetten in mierenzuur waarop een stadsbus kan rijden. Covestro scoort met de verwerking van CO2 tot polyolen waar je polyurethaan matrassen van kunt maken. En RuwBouw uit Kloosterhaar verwerkt het als calciumcarbonaat in kalkzandsteen bouwmaterialen. Maar er staat zelden bij in hoeverre zo’n techniek opschaalbaar is, of ze dan ook betaalbaar wordt, en hoeveel CO2 je er maximaal mee uit de circulatie kunt halen.

‘Voorlopig werken we nog op labschaal’

En voor hoe lang. ‘CO2 omzetten in methaan is redelijk makkelijk te doen’, stelt Charlotte Vogt, die als promovendus in Weckhuysens groep werkt aan de Sabatierreactie. ‘Maar alleen als elektriciteit uit zon en wind inderdaad heel goedkoop wordt, zou methanering een goed energieopslagsysteem kunnen worden. Al heb je voor sommige toepassingen liever een vloeistof, zoals methanol of synthetische benzine.’ Maar ze wijst er meteen op dat hergebruik als brandstof een nadeel heeft: ‘Zodra je het verbrandt heb je je CO2 weer terug. Gebeurt dat in een energiecentrale, dan kun je het telkens opnieuw recyclen in een gesloten kringloop. Dat is ideaal, maar niet genoeg. Aan auto’s of vliegtuigen kun je geen CO2-opvangbak hangen, dus dan komt het in de atmosfeer terecht. En direct air capture uit die atmosfeer, DAC, is voorlopig nog veel te duur.’ ‘Maar’, vult Weckhuysen aan, ‘een wetenschappelijke doorbraak ligt altijd op de loer. Dan kunnen de kaarten anders worden geschud.’

Technisch kan het zonder meer. Op IJsland maken ze al jaren methanol van CO2, met warmte uit een natuurlijke geiser. In Zwitserland verrees een proefinstallatie die zuivere CO2 wint voor een plantenkas, met afvalwarmte uit de vuilverbranding. Net als bij de meeste rookgasreinigers dienen amines als absorptiemiddel, maar om voldoende CO2 bij elkaar te sprokkelen, moet je er een veel groter gasvolume doorheen pompen en dat maakt het duur. ‘De huidige prijs is alleen te rechtvaardigen als je er iets van maakt dat lang blijft staan, bijvoorbeeld bouwmaterialen’, denkt Vogt.

Op termijn is DAC in Vogts ogen onvermijdelijk. ‘Puntbronnen zullen we hoe dan ook moeten opvangen. Zeg maar een zak aan de uitlaat van elke fabriek, waarbij je je moet realiseren dat er altijd processen zullen zijn die CO2 uitstoten omdat het technisch niet anders kan, bijvoorbeeld in de metallurgie. Maar wil je de opwarming beperken tot 1,5 °C in het jaar 2100, dan moet je naar negatieve CO2-emissies. Dus meer uit de atmosfeer halen dan erin gaat.’

Opschalen

Tijdens het VoltaChem-congres viel intussen op dat de chemische industrie nogal ondervertegenwoordigd was. Hoe krijg je die groep alsnog geïnteresseerd? Buelens is er al over aan het nadenken. ‘Met de materialen die we nu gebruiken, is de omzetting perfect haalbaar bij 1 bar en 750 °C. Maar grootschalige processen werken gewoonlijk bij minstens 10 bar, dus als je daarop wilt aansluiten zou je je gassen weer moeten comprimeren. Dat is kostbaar, dus we moeten zelf naar hogere drukken toe. Tegelijkertijd willen we de temperatuur verlagen om de technische haalbaarheid te verhogen.’

Intussen signaleert Akse dat ook onder deskundigen geen consensus bestaat over welke technieken het gaan halen. ‘Elk instituut hanteert zijn eigen criteria en schat dingen op basis daarvan in. Bovendien zijn hun studies op verschillende momenten uitgevoerd, terwijl de techniek zich verder ontwikkelt. Dat maakt het voor buitenstaanders wazig, en ook voor investeerders: wat moet je er nu mee? Maar als consultant zeg ik: dit is inherent aan álle nieuwe conversieroutes. Op een gegeven moment trekt de mist wel op.’

Om te zien of een optie kansrijk is, moet je in Akse’s optiek zo vroeg mogelijk kijken naar de schaal waarop je uiteindelijk wilt uitkomen. ‘Dat hoeft niet meteen 20.000 ton per jaar of meer te zijn. Je kunt ook kleinschalig werken op veel plekken tegelijk, dicht bij de gebruikers, zoals ze nu al doen met chloorfabriekjes. Op die schaal stel je een processchema op, en aan de hand daarvan maak je een schatting van de investerings- en operationele kosten. Ik heb dat ooit gedaan voor zes alternatieven, die een klant op basis van zijn eigen criteria in gedachten had. Bij slechts twee bleek de terugverdientijd dusdanig dat je ze in de huidige situatie zou laten bouwen. Waar­bij ‘huidig’ wel het sleutelwoord is, bijvoorbeeld wat de stroomprijs betreft.’

Voor het instituut DIFFER heeft Akse zo de omzetting doorgerekend van CO2 in CO in een forward vortex plasma, waarin magnetronstraling de C=O-binding verbreekt. Een deel van het spectrum verhit de moleculen alleen maar, en DIFFER probeerde vooral dát te minimaliseren. Maar Akse’s berekening liet zien dat op industriële schaal die energie-efficiëntie niet eens zo relevant is: ‘De yield, dus de hoeveelheid CO2 die je direct omzet, is veel belangrijker.’

Er kwam echter ook uit dat CO momenteel het meeste opbrengt als je het verkoopt in losse gascilinders, als fine chemical. Het is dus de vraag of je wel op grote fabrieken moet mikken. Temeer daar het huidige prijsniveau van industriële microgolfgeneratoren, omgerekend naar vermogen, een factor tien boven dat van keukenmagnetrons blijkt te liggen.

Doorbraken

Volgens Vogt zijn er zowel technische als niet-technische doorbraken nodig om CO2-hergebruik tot een succes te maken. Bij die laatste moet je denken aan financiële prikkels, zoals een CO2-taks. Technisch liggen vooral bij brandstoffen uit zonne- of windenergie nog grote uitdagingen. De prijs voor DAC moet omlaag, maar ook die van de electrolyzers die de benodigde waterstof moeten vrijmaken uit water. ‘De huidige zijn niet bedoeld voor grootschalige continuprocessen’, legt Weckhuysen uit. ‘Je zou grote aantallen parallel kunnen zetten. Maar misschien moet je ze wel helemaal opnieuw ontwerpen, zodat ze groter en effectiever worden.’ Wat dat betreft is biobased makkelijker, denkt Vogt: ‘Die techniek is al iets verder ontwikkeld. Maar ze mist nog maatschappelijk draagvlak, en een panacee is biomassa ook niet.’

Wat de productie van grondstoffen uit CO2 betreft, verdient volgens Vogt vooral C-C-koppeling aandacht. ‘C1-chemie lukt prima, maar olefinen kunnen we bijvoorbeeld nog niet goed.’ Weckhuysen is het roerend met haar eens. ‘Als je chemicaliën kunt gaan maken, verminder je de afhankelijkheid van fossiele grondstoffen en kun je stapsgewijs raffinaderijen gaan ombouwen. Maar we hebben nog een weg te gaan eer dit realiteit wordt.’ 

Deel deze pagina
Ontvang de nieuwsbrief

Meld je aan voor de nieuwsbrief en blijf op de hoogte van het laatste nieuws van C2W.

Meld je nu aan!

Word abonnee/lid

Sluit nu een abonnement af of word lid van de KNCV en ontvang elke week het laatste nieuws, digitaal of op papier. 

Sluit nu een abonnement af!

Naar boven