Hoewel het bij lange na geen oplossing is voor de almaar toenemende uitstoot, groeit wereldwijd de belangstelling voor de benutting van CO2 als grondstof voor (bio)chemicaliën, bouwmaterialen en brandstof. Ook in Nederland start een onderzoeksprogramma naar hergebruik van CO2.

 

Wereldwijd wordt momenteel 80 miljoen ton CO2 per jaar nuttig gebruikt, waarvan meer dan de helft voor de winning van aardolie (‘enhanced oil recovery’). Daarnaast wordt CO2 gebruikt voor de productie van kunstmest en in de agrofood industrie, onder andere als prik in frisdrank. Volgens de Routekaart Chemie kan het gebruik van CO2 als grondstof de komende jaren bijna verdubbelen tot 140 miljoen ton per jaar in 2020.

 

Zelfs als dat gebeurt, dan nog blijft het hergebruik van CO2 een druppel op de gloeiende plaat. Verstoken van brandstoffen in elektriciteitscentrales, fabrieken, woningen en vaar-,vlieg- en voertuigen levert jaarlijks 32 miljard ton CO2 op. Ongeveer een half miljard daarvan is relatief goedkoop (minder dan 15 euro per ton) te winnen. Daarbij gaat het om CO2 als bijproduct bij de winning van aardgas, de productie van kunstmest en waterstof en van enkele andere industriële bronnen. Van de rest kan ongeveer de helft (18 miljard ton) worden afgevangen bij elektriciteitscentrales, hoogovens en cementfabrieken. De prijs van dat CO2 ligt tussen de 50 en 90 euro per ton.

 

Het motief voor hergebruik van CO2 is dan ook niet zozeer het klimaatprobleem als wel het terugverdienen van een deel van de kosten die bedrijven betalen voor de uitstoot van CO2. Bovendien oogt het een stuk aantrekkelijker dan het alternatief, het ondergronds opslaan van CO2. Afgezien van de hoge investeringskosten, stuit ondergrondse opslag ook op groeiend maatschappelijk verzet. In Nederland hebben EON en Electrabel hun plannen voor de opslag van een deel van de CO2 van de twee kolencentrales op de Maasvlakte ingetrokken. De praktijkproeven met CO2-opslag in Barendrecht en Groningen zijn twee jaar geleden als stopgezet door de regering

 

 

Bio-route

Door alle discussies over klimaatverandering zien we over het hoofd dat CO2 de belangrijkste voedingsstof is van het leven op aarde. Via fotosynthese zetten planten CO2 om in voedingsstoffen die wij vervolgens weer kunnen consumeren. In een recent artikel in Nature rekenen onderzoekers van de Universiteit van Colorado voor dat de opname van CO2 door planten de laatste vijftig jaar verdubbeld is.

 

Glastuinders weten allang dat CO2 goed is voor plantengroei. Al een jaar of veertig blazen ze extra  CO2 in de kas en verhogen daarmee hun opbrengst met 15 tot 20 procent. Vanaf 2005 wordt daarvoor CO2 gebruikt die vrijkomt bij industriële processen. Via de vroegere oliepijpleiding van Rotterdam naar Amsterdam wordt jaarlijks een half miljoen ton CO2 getransporteerd naar 500 glastuinders in het Westland en in Lansingerland. Inmiddels gaan er stemmen op om ook het kassengebied rond Aalsmeer aan te sluiten op de CO2-leiding en om de leiding door te trekken naar het nieuwe kassengebied langs de A7 in de Wieringermeer.

 

Op de wat lange termijn kan CO2 worden gebruikt voor de teelt van microalgen, eencellige organismen die net als planten CO2 omzetten in voor ons nuttige stoffen. Volgens Rene Wijffels, hoogleraar  Bioprocestechnologie in Wageningen, kan een hectare algen potentieel zo’n 20 tot 50.000 liter olie opleveren. Ter vergelijking: een palmolieplantage levert ongeveer 6000 liter per jaar. Een bijkomend voordeel is dat de teelt van algen geen bedreiging vormt voor de teelt van voedsel; je zou ze bij wijze van spreken op zee kunnen telen.

 

De huidige productie in de EU bedraagt circa 10.000 ton gedroogde algen per jaar; een schijntje vergeleken met de 400 miljoen ton fossiele brandstoffen die jaarlijks in de EU worden verstookt. Wijffels, tijdens een bijeenkomst in het Gorlaeus Laboratorium in Leiden: ‘Algen hebben een groot potentieel, maar het gaat zeker nog tien jaar duren voordat het economisch rendabel wordt om grote hoeveelheden te produceren. Als het eenmaal zover is, dan kan ook de ‘biobased’ economie een forse impuls krijgen. Algen maken immers niet alleen olie, maar ook eiwitten en andere stoffen, die gebruikt kunnen worden als grondstof voor voedsel, veevoer en als groene grondstoffen.’

 

 

Georoute

 

Nog veel ouder dan de fotosynthese waarbij CO2 wordt vastgelegd in en door planten is het proces van verwering, waarbij CO2 wordt vastgelegd in gesteenten (silicaten). Olaf Schuiling, emeritus hoogleraar geologie, is al jaren een warm pleitbezorger van versnelde verwering om CO2 vast te leggen met behulp van het magnesiumhoudende mineraal olivijn. Tijdens het Olivijnseminar dat eind november in Rotterdam werd gehouden, bleek dat zijn pleidooi voor versnelde verwering gehoor krijgt.

 

De Nederlandse Spoorwegen bijvoorbeeld experimenteren met gemalen olivijn als verharding voor de kilometers aan ‘inspectiepaden’ langs het spoor. In Wageningen wordt onderzoek gedaan naar het verspreiden van gemalen olivijn over akkers en weiden. Na binden van CO2 zou het een interessante bron van voedingsstoffen voor planten zijn. De TU Delft tenslotte heeft in het kader van het EU-project CO2Solstock gekeken naar de combinatie van afvalwaterzuivering met de productie van kalksteen, als grondstof voor bouwmaterialen.

 

Een andere ‘georoute’ is de verbeterde winning van olie en (steenkool)gas met behulp van CO2. ‘Enhanced oil recovery’ wordt al ruim dertig jaar toegepast om meer olie uit reservoirs te halen.  CO2 blijft achter in het oorspronkelijke reservoirgesteente. Van recenter datum is het gebruik van CO2 voor ‘enhanced gas recovery’ onder meer voor de winning van Noordzeegas. Een variant is ECBM, een afkorting die staat voor ‘enhanced coal bed methane’-winning. Injectie van CO2 zorgt voor verdringing van methaan en adsorbeert bovendien aan de steenkool, zodat het niet meer kan ontsnappen.

 

 

Chemische route

 

Als grondstof voor chemicaliën wordt CO2 al op grote schaal gebruikt voor de productie van ureum, grondstof voor kunstmest. Een andere traditionele toepassing is de productie van natriumcarbonaat, ofwel soda, dat uiteenlopende toepassingen kent, variërend van waterontharder tot glas. Ook bij de productie van salicylzuur – het actieve bestanddeel van aspirine – wordt CO2 gebruikt.

 

Het ontwikkelen van nieuwe routes is nog niet zo makkelijk, omdat CO2 een zeer stabiel molecuul is, dat traag of niet reageert met andere stoffen. Toch zijn er al enkele toepassingen ontwikkeld die – in ieder geval vanuit recycling oogpunt perspectief bieden.

 

Bayer bijvoorbeeld heeft in 2011 een proeffabriek gebouwd voor de omzettingen van CO2 en  propyleenoxide in een meervoudige alcohol (polyol), een van de bouwstenen van polyurethaan. Polyurethaanschuim wordt onder meer gebruikt in matrassen, maar ook als isolatiemateriaal in de bouw. De CO2 die in de proeffabriek wordt gebruikt, komt uit het rookgas een elektriciteitscentrale van RWE.

Diezelfde bedrijven, Bayer en RWE zijn ook betrokken bij CO2RRECT, een project waarbij CO2 uit rookgas van elektriciteitscentrales wordt afgevangen en met waterstof reageert tot onder meer mierenzuur en andere chemische bouwstenen. De waterstof wordt gemaakt door elektrolyse van water met –overtollige – elektriciteit van windmolens en zonnepanelen.

 

DSM ontwikkelt samen met het Amerikaanse Novomer een proces, waarbij CO2 reageert met epoxide tot polycarbonaat, een polymeer dat onder meer gebruikt wordt als bindmiddel voor verf. Op deze manier zou jaarlijks 180 miljoen ton CO2 worden vastgelegd. Tenminste als iedereen de verf zou gaan gebruiken.

Productie van carbonaten is eveneens het doel van het EU-onderzoeksproject CyclicCO2R, een acroniem dat staat voor ‘cyclische carbonaten uit CO2 met behulp van hernieuwbare bronnen’. Het idee is om twee reststromen, CO2 en glycerol dat vrijkomt bij de productie van biodiesel, te gebruiken voor ringvormige carbonaten. Volgens Coen Schuurbiers zijn deze carbonaten bruikbaar als grondstof voor fijnchemicaliën, zoals als bindmiddel in verf, als oplosmiddel en als additief in cosmetica en zeep.

 

Vaak in combinatie met kunstmestfabrieken, zijn er wereldwijd een tiental proeffabrieken gebouwd waar CO2 wordt gebruikt als grondstof voor methanol. Daarbij wordt CO2 toegevoegd aan ‘syngas’, een mengsel van koolmonoxide en waterstof, dat vervolgens wordt omgezet in methanol. Een nieuwere variant is de directe omzetting van CO2 in methanol door het te laten reageren met waterstof (hydrogenering). De benodigde waterstof wordt gemaakt door elektrolyse van water. Het idee is om daarvoor elektriciteit uit duurzame bronnen (wind, zon) te gebruiken op tijden dat het aanbod groot en de vraag naar elektriciteit klein is.

 

Methanol kan als brandstof worden gebruikt door het – net als alcohol – bij te mengen in benzine. Een iets andere route naar vloeibare brandstof wordt ontwikkeld door het Britse bedrijf Air Fuel Synthesis (AFS). Eind vorig jaar maakte het bekend dat het vijf liter kerosine had weten te maken met CO2 als grondstof. Daarvoor maakt  het gebruik van bestaande technieken, waarbij CO2 en water worden omgezet in het al genoemde syngas. In plaats van methanol wordt daar via de aloude Fischer-Tropschreactie kerosine van gemaakt.

Energetisch kan het proces niet uit; het kost meer energie dan het oplevert. Ook hier geldt dat de winst vooral zit in het feit duurzame elektriciteit in tijden van overaanbod wordt omgezet in waterstof en vervolgens kerosine. Volgens AWF blijven vloeibare brandstoffen de komende decennia noodzakelijk, omdat vliegtuigen voorlopig niet op waterstof of accu’s kunnen omschakelen.

 

 

 

CO2-NEUTRALE BRANDSTOF

 

De komende maand (februari)  lanceert NWO het multidisciplinaire onderzoeksprogramma CO2-neutrale brandstoffen’, dat zich richt op de omzetting van CO2 en water in vloeibare brandstof. Voor het programma, dat onderdeel uitmaakt van de NWO-bijdrage aan de Topsector Energie, is tien miljoen euro uitgetrokken. Het zal zes jaar duren. In die periode hoopt men verschillende technieken te ontwikkelen voor de directe en indirecte omzetting van CO2 en water in vloeibare brandstof met behulp van zonlicht.

Bij de directe omzetting wordt gebruik gemaakt van slimme katalysatoren die met nanotechnologie worden geoptimaliseerd. Bij indirecte methoden moeten we denken aan het – aanzienlijk – verbeteren van de elektrolytische omzettingen van water en CO2 in syngas met behulp van duurzame elektriciteit en de omzetting ervan in vloeibare brandstoffen. De fondsen voor het onderzoeksprogramma zijn afkomstig van NWO en van Shell en het netwerkbedrijf Alliander. Het wordt gecoördineerd door DIFFER, het Dutch Institute For Fundamental Energy Research.

 

 

FIZZY

Per hoofd consumeren Nederlanders jaarlijks een kleine honderd liter aan ‘fizzy drinks’, ofwel priklimonade. Per liter is daar ongeveer 5 gram CO2 aan toegevoegd, ofwel bijna drie liter per liter frisdrank. Die 500 gram per jaar steken wel heel schriel af bij de 15.000 kilo CO2, die Nederland per hoofd van de bevolking jaarlijks produceert. Bovendien komt het CO2 in de frisdrank tijdens en na consumptie (opboeren) ook weer in atmosfeer terecht.

 

 

KERSTSTAL

Vanaf half december tot begin januari werd het Lange Voorhout in Den Haag opgesierd met een kerststal, gemaakt van fijngemalen olivijn. De bijna 50.000 kilo ‘green sand’ zijn, nadat de Kerststal is afgebroken, verdeeld onder bewoners en bezoekers. Door het uit te strooien in tuinen en plantsoenen worden evenzoveel kilo’s CO2 vastgelegd. De daarbij vrijkomende reactieproducten  voeden bovendien de planten.

 

 

Gepubliceerd in Chemiemagazine, januari 2013