CO₂ als basis voor brandstoffen en kunststoffen
De Technische Universiteit Delft timmert flink aan de weg met de e-Refinery, het best te vergelijken met een groot elektrisch apparaat waar brandstof uitkomt. Onderzoekers aan de universiteit werken namelijk aan een technologie om CO₂ en water met duurzame elektriciteit om te zetten in brandstoffen en basisgrondstoffen voor de chemie. Als deze technologie eenmaal rijp is voor de markt en over enkele decennia grootschalig toepassing vindt, zijn fossiele grondstoffen niet meer nodig, ook niet voor de luchtvaart.
Door Erik te Roller op 13 jan. 2020
“Ons doel is de weg te openen naar productie van brandstoffen en grondstoffen uit CO2 met gebruikmaking van duurzame elektriciteit”, zegt Paulien Herder, hoogleraar energiesystemen in Delft, die leiding geeft aan het e-Refinery-programma.
Met elektriciteit is CO2 op te breken. Door met een anode en kathode een elektrische spanning over water te zetten en daar CO2 bij te voegen, ontstaan waterstof, zuurstof en koolmonoxide. Of, bij andere condities of bij andere katalysatoren, direct kleine koolwaterstoffen. Waterstof en koolmonoxide zijn vervolgens met katalysatoren en het bestaande Fischer-Tropsch-proces om te zetten in langere koolwaterstoffen. In het laboratorium lukt de directe omzetting naar koolwaterstoffen al. De uitdaging is echter om dit nog veel efficiënter op industriële schaal uit te voeren en wel zo dat bijvoorbeeld zo veel mogelijk van de opbrengst bestaat uit etheen. Deze koolwaterstof, waar de onderzoekers vooral naar kijken, is een uitgangsstof voor diverse chemicaliën en kunststoffen, waaronder polyetheen.
De TU Delft beschikt volgens Herder voor deze ontwikkeling over een goede uitgangspositie: “We hebben de expertise in huis voor het hele traject van de ontwikkeling, van onderzoek aan elektrodes en katalysatoren op nanoschaal tot en met het ontwerp van reactoren en scheidingsprocessen en het opschalen van een proces naar industriële schaal. Dat is belangrijk, omdat je op industriële schaal met andere procesomstandigheden te maken hebt dan op laboratoriumschaal, waardoor andere producten ontstaan. Daarmee moet je bij je laboratoriumonderzoek al rekening houden, zodat je ook daadwerkelijk tot opschaling en implementatie kan komen. Het unieke hier in Delft is dat nano-wetenschappers, chemisch technologen, elektrotechnici en systeemwetenschappers onder één dak zitten en dus snel met elkaar kunnen schakelen. De e-Refinery is een instituut, waar onderzoekers vanuit verschillende vakgroepen samen aan de technologie voor duurzame productie van koolwaterstoffen werken. Een paar jaar geleden is hiervoor de kiem gelegd. Nu zijn er ongeveer veertig hoofdonderzoekers en zeker veertig promovendi en postdocs bij de ontwikkeling betrokken, sommigen volledig en anderen voor een deel van hun tijd.”
In 2050 zal CO2 uit de lucht gehaald worden, waar het in een concentratie van ongeveer 400 ppm (deeltjes per miljoen) voorkomt.
Multidisciplinair
In maart 2019 stelden Shell en de overheid via een aantal topsectoren vijf miljoen euro beschikbaar voor het e-Refinery-onderzoek. “Hiermee hebben we negen promovendi en twee Assistant Professors extra kunnen inzetten, wat het onderzoek een enorme boost gaf”, aldus Herder.
Ze tempert de verwachting dat de nieuwe technologie al in 2030 op grote schaal beschikbaar zal zijn. “Deze innovatie kost tientallen jaren. Daarom moeten we er nu al mee aan de gang gaan, willen we de industrie over twintig of dertig jaar een bruikbaar alternatief kunnen bieden voor het gebruik van fossiele grondstoffen. Het duurt nog zo lang, omdat we veel moeten testen. Daarbij lopen we tegen problemen aan die we eerst moeten oplossen voordat we weer verder kunnen gaan testen, enzovoorts. We kunnen de ontwikkeling nog enigszins versnellen door parallelle paadjes te bewandelen en vooral door multidisciplinair, op verschillende schalen van het systeem te blijven werken. Op een gegeven moment moeten we de technologie in een grotere demonstratie-installatie testen. Hier op de campus valt met electrolyzers van honderd kilowatt nog net te werken. Met grotere installaties moeten we uitwijken naar een field lab of een industriële locatie. Daarom is het fijn dat Shell als partner bij het e-Refinery-onderzoek betrokken is.”
Als het allemaal lukt, zal de industrie op zijn vroegst rond 2050 op grote schaal brandstoffen en chemicaliën kunnen produceren zonder inzet van fossiele grondstoffen. Herder: “De elektrochemische omzetting van CO2 zal dan niet de enige route zijn naar duurzame brandstoffen en chemicaliën, denk ook aan biomassa, maar wel één van de belangrijkste routes.”
Industriële uitdaging
Op de middellange termijn zal de industrie de CO2-uitstoot op andere manieren moeten zien te verlagen, want deze elektrochemische route zal pas op langere termijn beschikbaar zijn. Te denken valt aan bijvoorbeeld verdere energiebesparing, het sluiten van kringlopen en het verwarmen van installaties met duurzaam geproduceerde elektriciteit of waterstof in plaats van met fossiele brandstoffen. “In 2050 zullen we de benodigde CO2 voor deze technologie uit de lucht moeten halen. Op de kortere termijn zullen we niettemin alle zeilen moeten bijzetten om de CO2-concentratie in de atmosfeer te verminderen”, stelt Herder. “Dat betekent dat afvang, opslag en conversie van CO2 er allemaal moeten komen, anders gaan we het niet redden”, aldus Herder.
Het vormt industrieel gezien een hele uitdaging om CO2, bij de huidige concentratie van ruim vierhonderd delen per miljoen, met tonnen te gelijk uit de lucht te halen. Herder: “Met de huidige techniek heb je daarvoor een gigantisch oppervlak nodig. Ook op dit gebied valt dus nog veel te innoveren. Verder is de grootschalige omzetting van CO2 en water in koolwaterstoffen alleen mogelijk als de membranen, die nodig zijn voor de elektrolyse, op industriële schaal te produceren zijn. Het welslagen van de nieuwe technologie hangt ook hiervan af.”
De hoogleraar is blij met het Klimaatakkoord. “Overheid, kennisinstellingen en de industrie trekken nu gezamenlijk op. Ook zet het akkoord de overheid aan om meer geld te steken in energie-innovatie. Verder vormt het akkoord een stimulans voor bedrijven om mee te werken aan de innovatie. Rond 2050 moeten goede alternatieven voorhanden zijn voor het gebruik van fossiele olie en gas. De omzetting van CO2 en water in koolwaterstoffen zal daarvan deel uitmaken. Maar voor het zover is, moeten we nog heel wat doen.”
Ontwikkelen alternatieve technologie goede zaak
“Het is goed de ontwikkeling van nieuwe technologie eerst op academisch niveau te laten verlopen. Tegen de tijd dat de omzetting van bijvoorbeeld CO2 en water in koolwaterstoffen commercieel haalbaar is, zal Dow die zeker toepassen”, zegt Kees Biesheuvel, Technology Innovation Manager bij Dow Benelux. Het bedrijf volgt het onderzoeksprogramma e-Refinery met interesse, maar neemt er nog niet aan deel. Voorlopig werkt Dow langs andere wegen aan het verlagen van de CO2-uitstoot.
Uit het e-Refinery-onderzoek zal volgens Biesheuvel na verloop van tijd blijken, wat wel en niet werkt. Bij een besluit om eventueel over te stappen spelen meerdere overwegingen een rol. Het nieuwe proces moet niet alleen technisch haalbaar zijn, maar ook economisch. Als bijvoorbeeld elektriciteit goedkoop is en de kosten van CO2-emissies hoog, dan zal overstappen op de nieuwe technologie aantrekkelijk zijn. “In elk geval moet de nieuwe technologie beschikbaar zijn op het moment, dat het noodzakelijk is over te stappen, anders hebben we een probleem. Daarom is het goed dat de TU Delft en andere universiteiten al zijn begonnen met het maken van hun academische huiswerk. Het omzetten van CO2 kost overigens relatief veel energie. Daarom kijken we bij Dow in Terneuzen eerst naar andere koolstofbronnen om het verbruik van fossiele grondstoffen te verminderen, zoals de koolmonoxide die bij de staalproductie van ArcelorMittal in Gent vrijkomt”, aldus Biesheuvel.
Beide bedrijven experimenteren met een proefinstallatie die koolmonoxide uit het staalgas wint en vervolgens met waterstof omzet in synthetische nafta. Die laatste kan Dow gebruiken als grondstof voor zijn productie in Terneuzen. Normaal verstookt het staalbedrijf de koolmonoxide in zijn energiecentrale die het omzet in CO2 dat via de schoorsteen ontwijkt. Hoe meer synthetische nafta Dow inzet, des te lager de CO2-uitstoot bij ArcelorMittal zal zijn.
Biesheuvel: “Bij Dow kijken we ook naar andere opties om CO2-emissies te voorkomen. Zo werken we toe naar een kringloop voor koolstof, waarbij we bijvoorbeeld gebruikte kunststoffen kunnen inzetten als koolstofbron. Verder kijken we in hoeverre we onze processen met behulp van duurzaam geproduceerde elektriciteit van warmte kunnen voorzien, in plaats van met fossiele brandstoffen.”
Hij acht een omschakeling naar CO2-neutrale productie in 2050 technisch haalbaar. “Maar zelfs als de Noordzee volstaat met windparken is het de vraag of er genoeg aanbod van duurzame elektriciteit zal zijn. Als dat niet zo is, moet de overheid een keuze maken en zal ze misschien voorrang geven aan de inzet van duurzame elektriciteit voor mobiliteit en in de gebouwde omgeving boven de inzet in de industrie. Er kunnen ook geopolitieke overwegingen zijn om juist extra vaart te geven aan verduurzaming van de productie. Kortom, veel hangt af van hoe techniek en markt zich ontwikkelen en welke keuzes de politiek maakt”, concludeert Biesheuvel.
