TU Delft en TNO werken al jaren aan schonere productieprocessen voor de chemische industrie. Binnen het nieuwe samenwerkingsverband e-Chem willen ze grootschalige elektrolyse-installaties bouwen die CO2 uit de lucht omzetten in drie basisbouwblokken voor de chemische industrie: methanol, etheen en kerosine.

In 2050 zouden we volgens het in 2015 gesloten Klimaatakkoord van Parijs een CO2-neutrale samenleving moeten hebben. Dat halen we niet zonder een ingrijpende verandering van de chemische industrie. Eén van de opties is om CO2 uit de lucht te halen en met duurzaam opgewekte elektriciteit om te zetten in grondstoffen voor de productie van onder andere plastics en brandstoffen. Om deze ontwikkeling te versnellen, slaan e-Refinery (TU Delft) en VoltaChem (TNO) de handen ineen binnen het programma e-Chem.

De TU Delft heeft binnen e-Refinery ervaring opgedaan met fundamenteel en toegepast onderzoek naar materialen, processen en reactoren op alle lengteschalen, van het atomaire niveau tot aan de reactorschaal. TNO heeft uitgebreide ervaring met het testen in de praktijk en onderwerpen als levenscyclusanalyse en business modellen. Door die kennis en kunde aan elkaar te knopen, willen beide partijen binnen een paar jaar komen tot demonstratieopstellingen. Deze moeten de industrie er vervolgens van overtuigen om in de technologie te investeren.

Meest kansrijke routes

De onderzoeksagenda richt zich op de meest kansrijke routes naar succes. Martijn de Graaff (Voltachem): ‘Het is bijvoorbeeld een bewuste keuze om als grondstof CO2 uit de lucht te gebruiken. Omdat fabrieken nu al bezig zijn om het CO2-gehalte van hun rookgassen te verlagen, voorzien wij dat die bron van CO2 in de toekomst langzaam zal opdrogen.’

Ook de keuze voor de producten methanol, etheen en kerosine is geen toevallige. ‘Etheen en methanol hebben heel veel toepassingsmogelijkheden, variërend van plastics tot pillen. Ook bij brandstoffen hebben we gekeken waar de meest veelbelovende business case zit. Voor personenvervoer zijn er vergevorderde opties om over te stappen op batterijen of op waterstof. Maar voor de luchtvaart blijft kerosine waarschijnlijk nog lang onvervangbaar. Een schoner productieproces is daar dus ook zeer gewild.’

Eind vorig jaar is het ISPT-project PROVE IT van start gegaan. Doel is het verbeteren van bestaande technologie om CO2 katalytisch in methanol om te zetten. Tot eind 2024 werken diverse partners waaronder Twence, Nobian en Avantium aan optimalisatie van het proces.

Technologie om CO2 af te vangen is aanwezig en kan ook concurrerend zijn als de afgevangen CO2 nuttig kan worden ingezet. Een optie daarvoor zou ethanolproductie uit CO2 zijn. Maar dan moeten bestaande CO2-naar-methanol-routes wel efficiënter worden. En daarvoor moeten belangrijke technische problemen worden opgelost. Zo ontstaat bij het proces van CO2-hydrogenering veel water en reactiewarmte. Dit veroorzaakt deactivering van de katalysator.

Om de reactieomstandigheden en het procesontwerp te optimaliseren gaan de partners data uit high-throughput-experimenten met processimulatie gebruiken. Daarmee kan de deactivering en activiteit van de katalysator in de loop van de tijd worden gevolgd onder variërende procesomstandigheden, voedingsstromen en recyclesamenstelling. Avantium is partner in het project en levert hiervoor haar Flowrence-technologie.

Juiste prijs

Een andere partner in het project, Twence, levert CO2-rijke industriële afgassen voor de laboratoriumtesten van het project. Wim de Jong, adviseur markt en strategie bij Twence: ‘Dit zien wij als een kansrijke manier om CO2 te hergebruiken. Methanol is al een bulkgoed. Tegen de juiste prijs is er een garantie voor verkoop.’

In en nabij Twente is een grote regionale afzetmarkt voor duurzaam gemaakte methanol, wat de kans op succes vergroot. Methanol is een veelgebruikte chemische bouwsteen voor de productie van diverse materialen, zoals azijnzuur, polymeren en brandstofadditief.

Vooralsnog is Nobian als derde partner in het consortium een belangrijke klant voor de geproduceerde methanol. Verder bestaat het consortium uit DAREL, Metabolic, Suster en de Universiteit Twente als kennisaanbieders. Clariant levert de katalysator.

BioMCN

Op Chemiepark Delfzijl produceert BioMCN al een aantal jaren methanol uit CO2. Waterstof was daar indertijd een restproduct. En door waterstof aan CO2 te binden, kon het bedrijf extra groene methanol maken. BioMCN injecteert daarvoor vloeibare CO2 in de methanolreactor.

Als halverwege dit jaar het waterstofproject Djewels 1 van HyCC en Gasunie groen licht krijgt, kan BioMCN vanaf 2025 nog meer groene methanol produceren. Djewels 1 draait om een 20 megawatt elektrolyse-installatie die ongeveer 3.000 ton groene waterstof per jaar gaat maken. Deze gaat vervolgens naar BioMCN die de groene waterstof combineert met CO2 uit haar proces om er e-methanol van te maken.

In Antwerpen wil een consortium ook groene methanol uit CO2 gaan produceren. Op de site van Inovyn komt een pilot installatie die afgevangen CO2 en waterstof, gemaakt met groene energie, gaat omzetten in methanol. Naar verwachting zal deze demo-installatie eind 2022 operationeel zijn. Dit consortium bestaat uit Engie, Fluxys, Indaver, Inovyn, Oiltanking, Port of Antwerp en de Vlaamse Milieuholding (VMH).

Lees ook ons artikel over de bouw van een CO2-afvanginstallatie bij Twence.

Arcelormittal, Dow en Lanzatech hebben pilotstudies, Carbon2Value genaamd, afgerond waarin ze de omzet van koolstofafvalstromen uit de staalindustrie in bouwstenen voor de chemische industrie onderzochten. De verbinding tussen de twee industrieën verlaagt de uitstoot van broeikasgassen aanzienlijk.

De afgelopen vijf jaar voerden Arcelormittal Belgium en Dow Benelux proeven uit met een nieuwe pilotinstallatie op de bedrijfsterreinen van ArcelorMittal in Gent. Deze haalt koolstofdioxide (CO2) en koolstofmonoxide (CO) uit de gassen die ontstaan tijdens de productie van staal. Het afgescheiden en geconcentreerde CO2 wordt op die manier geschikt gemaakt voor Carbon Capture and Storage (CCS) of Carbon Capture and Utilization (CCU). De CO kunnen Dow en ArcelorMittal omzetten in waardevolle producten.

Synthetische nafta

Vanaf 2022 start bij Arcelormittal de Steelanol-installatie op, met biotechnologie van Lanzetech. Deze installatie vormt CO om tot ethanol. De pilotopstelling van Carbon2Value om via amines CO en CO2 af te scheiden uit het staalgas, heeft al vele duizenden stabiele praktijkuren gemaakt en is op weg naar operationele toepassing. Uit de pilots is gebleken dat de installatie meer dan 95 procent CO2 uit de hoogovengasstroom afvangt. In de resulterende CO-stroom zit heel weinig vervuiling volgens de bedrijven. Ze zien mogelijkheden om dit gas om te zetten in synthetische nafta.

De omzetting van CO2 uit hoogovengas naar nafta zou volgens onderzoekers direct 2,3 ton CO2-uitstoot per ton nafta vermijdt. Maar doordat er downstream ook nog energie uit de chemische conversie vrijkomt, loopt dit in totaal op tot 7,6 ton CO2 per ton nafta als die energie wordt ingezet om CO2 af te vangen met de Carbon2Value amine technologie. Er is berekend dat er een break-even voor deze CO2-nafta is bij een olieprijs van 50 tot 75 dollar per vat.

Haalbaarheid

Technology Officer – CO2 and Circular Economy Wim Van der Stricht van ArcelorMittal zegt over de technisch-economische haalbaarheid (TEA) en de Levenscyclusanalyse (LCA) van de Carbon2Value-technologie het volgende: ‘Het elektriciteitsverbruik van het Steelanol-proces is de belangrijkste factor. De manier waarop de elektriciteit lokaal is opgewekt, via kolen, gas, zon of wind, is daarbij bepalend.’ Hij verwacht dat de markt voor de geproduceerde duurzame ethanol zal groeien, onder andere dankzij nieuwe toepassingen zoals (luchtvaart)brandstof en hernieuwbare plastics. De toenemende vraag naar deze hernieuwbare producten vormt een goede basis voor een economisch haalbaar verhaal voor de omzetting van hoogovengas naar ethanol.

Foto: Bioreactoren voor de Steelanol-installatie. Deze kwamen in april aan in Gent. Credit: ArcelorMittal Belgium.

Het Spaanse Repsol investeert zestig miljoen euro in een fabriek die kortgezegd CO2 en water gaat omzetten in brandstoffen. Deze zijn vervolgens geschikt voor gebruik in auto’s, vliegtuigen, vrachtwagens en andere machines.

De installatie komt in de haven van Bilbao te staan en moet binnen vier jaar operationeel zijn. De nabijgelegen Petronor-raffinaderij gaat CO2 afvangen, een van de grondstoffen van de fabriek. Water, de tweede grondstof, wordt met hernieuwbare energie gesplitst zodat groene waterstof beschikbaar komt voor het productieproces.

In eerste instantie krijgt de installatie een capaciteit van vijftig vaten synthetische brandstof per dag. Afhankelijk van de resultaten is deze capaciteit in een later stadium schaalbaar. De conceptuele engineering begint dit jaar.

Gas uit afval

Repsol steekt daarnaast twintig miljoen euro in een installatie voor de productie van gas uit stedelijk afval. Ook hiervoor heeft Repsol de haven van Bilbao op het oog. Het geproduceerde gas gaat naar het productieproces van de Petronor-raffinaderij.

In een eerste fase gaat de pyrolyse-installatie ongeveer tienduizend ton stedelijk afval per jaar verwerken. De capaciteit kan dan in een later stadium naar ongeveer honderdduizend ton per jaar. Dat komt volgens Repsol overeenkomt met al het stedelijk afval uit de omgeving.

 

Een nieuw consortium gaat duurzame methanol produceren in de haven van Antwerpen. Op de site van Inovyn komt een pilotinstallatie die afgevangen CO2 en waterstof, gemaakt met groene energie, gaat omzetten in methanol. Naar verwachting zal de demo-installatie eind 2022 operationeel zijn.

Het consortium telt zeven partners: Engie, Fluxys, Indaver, Inovyn, Oiltanking, Port of Antwerp en de Vlaamse Milieuholding (VMH). Inovyn, een dochteronderneming van Ineos, stelt haar terrein ter beschikking en biedt expertise over elektrolyzers en de exploitatie van chemie-installaties. Oiltanking en Indaver hebben respectievelijk expertise over de logistieke aspecten van methanolproductie- en opslag en de afvang van CO2. Engie brengt haar kennis van de elektriciteitsmarkt in en de Vlaamse Milieuholding neemt een deel van de financiering voor haar rekening.

Methanol is een essentiële grondstof voor de chemiesector en kent daarnaast ook veel andere industriële toepassingen. Momenteel wordt methanol geproduceerd op basis van fossiele grondstoffen. Het ‘power-to-methanol’-project zet de productie van methanol op een nieuw spoor door afgevangen CO2 te hergebruiken in combinatie met duurzaam aangemaakte waterstof.

Lokale vraag

Als alles volgens plan verloopt kan in 2022 de bouw van de demo-installatie beginnen. Tegen het einde van dat jaar zal de pilotfabriek dan operationeel zijn en ongeveer achtduizend ton duurzame methanol per jaar produceren. Daarmee kan de installatie een klein deel van de lokale vraag naar methanol voor de chemie invullen. Op jaarbasis verbruikt de haven van Antwerpen zo’n 300.000 ton voor chemische processen en brandstofproductie

Een jaar geleden kondigde Port of Antwerp al aan verschillende spelers uit het havengebied samen te brengen voor de duurzame productie van methanol. Toen waren Engie, Indaver, Oiltanking en VMH ook al van de partij. Lees meer over de aankondiging.

Acht grote spelers uit het havengebied in Antwerpen bundelen hun krachten om de technische en economische haalbaarheid van een CO2-infrastructuur in de haven te onderzoeken. Air Liquide, BASF, Borealis, ExxonMobil, Fluxys, Ineos, Port of Antwerp en Total voeren samen de studie uit.

Dankzij de aanwezigheid van een groot geïntegreerd chemiecluster is de haven van Antwerpen een ideale locatie om samenwerkingsmodellen te creëren en innovatieprojecten voor CO2-reductie op te starten. Infrastructuur is nodig om toepassingen voor het afvangen, opslaan en inzetten van CO2 mogelijk te maken.

Het afvangen en opslaan van CO2 en het inzetten van CO2 als grondstof voor verschillende toepassingen zijn veelbelovende innovatietrajecten in de transitie naar een klimaatvriendelijke haven en industrie. Omdat België niet over een geschikte ondergrond beschikt om CO2 offshore op te slaan, zijn internationale en grensoverschrijdende samenwerkingen noodzakelijk, bijvoorbeeld met Nederland en Noorwegen.

Gedetailleerde studies

In een eerste fase zullen de projectpartners gedetailleerde studies uitvoeren naar de technische en economische haalbaarheid van de benodigde infrastructuur. Naar verwachting neemt die analyse ongeveer een jaar in beslag. Daarnaast zal financiële ondersteuning vanuit Vlaanderen, de federale overheid en Europa onontbeerlijk zijn voor een succesvolle realisatie van het project.

Lees ook over een studie over CO2-infrastructuur in het Noordzeekanaalgebied.

En over het project Porthos in het Rotterdamse havengebied.

Een proefinstallatie op Rotterdam The Hague Airport gaat dagelijks duizend liter synthetische kerosine maken op basis van CO2, waterstof en groene stroom. De proeffabriek haalt CO2 uit de lucht en produceert waterstof met duurzame elektriciteit.

Rotterdam The Hague Airport en een Europees consortium onder leiding van EDL Anlagenbau Gesellschaft zijn nog bezig met de voorstudie. Zij willen diverse innovatieve maar bewezen technieken aan elkaar knopen tot een demo-installatie die kerosine uit lucht kan maken.

Zo kan de Direct Air Capture techniek van Climeworks CO2 uit buitenlucht filteren. Elektrolyse-cellen van Sunfire kunnen het gas vervolgens omzetten in syngas. Daarna kan Ineratec via Fischer-Tropsch synthese het syngas omzetten in synthetische olie. En tot slot werkt EDL de synthetische olie op tot kerosine. EDL verzorgt ook de gehele proces integratie.

SkyNRG is verantwoordelijk voor de commercialisatie-strategie binnen de studie. De eerste afnemer is Transavia. Deze vliegmaatschappij heeft zich aan het project verbonden en aangegeven in de toekomst via duurzame kerosine haar CO2 uitstoot te willen verlagen.

Opschalen

Het Havenbedrijf, Rotterdam The Hague Airport en Rotterdam The Hague Innovation Airport gaan ook alvast uitzoeken wat ervoor nodig is om zo’n fabriek op te schalen. Wat zijn de technische uitdagingen bij het bouwen van grotere installaties? Wat is de benodigde ruimte? En waar kan dit soort productie het beste plaatsvinden?

Voor de Rotterdamse industrie is CO2 een restproduct. In de haven wordt op het moment gewerkt aan grootschalige infrastructuur voor CO2, groene stroom en waterstof. De haven is daarmee een voor de hand liggende locatie voor grootschalige fabrieken die kerosine maken. Bovendien liggen vanuit de haven leidingen naar met name Schiphol voor het transport van kerosine. De initiatiefnemers van de studie roepen petrochemische bedrijven op aan te haken bij het onderzoekstraject. Ook andere partijen die een relevante bijdrage kunnen leveren, zijn welkom om mee te doen.

SkyNRG

Overigens onderzoekt SkyNRG met KLM, SHV en Schiphol ook de mogelijkheden van een productiefaciliteit voor duurzame kerosine in Delfzijl. In deze fabriek zou groene waterstof worden gecombineerd met afval- en reststromen, zoals gebruikte frituurolie. De beoogde capaciteit van de fabriek is 100.000 ton kerosine en 15.000 ton bioLPG per jaar.

Veel technologie voor afvang en hergebruik van CO2 staat nog in de kinderschoenen. Toch zijn een paar toepassingen al dagelijkse praktijk. Denk bijvoorbeeld aan de bemesting van gewassen in tuinbouwkassen en van algen. En een ding was ook duidelijk tijdens het eerste CO2 Smart Use Congres in Rotterdam: de aandacht voor de recycling van CO2 groeit momenteel enorm.

Jarenlang ging het in discussie vooral voor de inzet van CCS, ofwel de afvang en opslag van CO2. En nog steeds is de opslag van grote hoeveelheden CO2 in bijvoorbeeld lege gasvelden onder de Noordzee een serieuze optie. Met name het Rotterdamse Porthos-initiatief is zeer ambitieus op dit terrein. Toch kan het lineair opslaan van CO2 niet op alle bijval rekenen. Het is onder meer niet bepaald circulair. Er wordt waardevolle koolstof zonder enig nut onder de grond gestopt. Volgens verschillende experts komen we echter niet onder CCS uit als we op korte, maar ook langere termijn de CO2-uitstoot drastisch willen reduceren.

Dead dog

De afgelopen jaren is echter steeds meer aandacht gekomen voor circulaire ketens, ook op het gebied van CO2. Bijvoorbeeld als circulaire grondstof voor de chemie, ofwel Carbon Capture and Utilisation (CCU) . Zo zet chemiebedrijf Covestro al enige tijd CO2 om in polyurethaan, waaronder andere matrassen van worden gemaakt. Twintig procent van de in het Duitse Dormagen geproduceerde polyurethaan komt uit kooldioxide. De site in Dormagen heeft echter een belangrijk voordeel: er staat tevens een fabriek waarbij enorm veel CO2 bij vrijkomt. Die energie is nodig om van CO2 ook weer daadwerkelijk tot leven te wekken. Immers CO2 wordt algemeen gezien als een dead dog, ofwel het afvoerputje van de chemie. Er moet enorm veel energie bij om er chemisch wat mee aan te vangen.

Ras tempo

Dat was ook de teneur van bij veel van de sprekers van het CO2 Smart Use Congres. Een belangrijke voorwaarde voor het succes van chemische recycling van CO2 is dat groene energie grootschalig en betaalbaar beschikbaar komt. Volgens sommige experts is de betaalbaarheid slechts een kwestie van tijd. De kostprijs van duurzaam opgewekte stroom daalt wereldwijd enorm. In zonovergoten gebieden duikt de kilowattuurprijs van zonnestroom inmiddels onder de twee cent. En ook windstroom uit de Noordzee wordt in ras tempo goedkoper.

Een groter probleem lijkt de beschikbaarheid van groene stroom. Er moeten bijvoorbeeld nog veel meer windparken op zee worden gebouwd om aan de sterk toenemende vraag naar duurzame stroom te voldoen. Want we willen ook massaal overstappen naar elektrisch rijden, groen waterstof produceren en ook huishoudens verder elektrificeren, stelde prof. Earl Goetheer (TNO) tijdens het congres. Hij verwacht niet dat de groei aan duurzaam opgewekte stroom de komende decennia de sterk toenemende vraag op alle terreinen zal aankunnen.

Koolmonoxide

Het is daarom ook zaak om slim met de mogelijkheden om te gaan. Dat begint natuurlijk bij de ontwikkeling om de CO2-uitstoot bij de bron te reduceren. Ook kan een toenemende inzet van koolmonoxide (CO) als chemische bouwsteen een belangrijke stap zijn. CO is een veel flexibelere bouwsteen dan CO2, eerder een levendige puppy. Nu wordt bijvoorbeeld in de staalindustrie de afgas CO nog grootschalig omgezet in elektriciteit, met een enorme CO2 uitstoot als gevolg. Tata en ArcelorMittal onderzoeken momenteel de mogelijkheden om het CO aan de chemie te leveren. Interessant in dat licht was ook de presentatie van het Deense Haldor Mistoe, dat een technologie ontwikkelt om van CO2 koolmonoxide toemaken.

Dat op andere terreinen de inzet van CO2 al dagelijkse praktijk is, laten Omega Green en Ocap zien. Deze partijen zetten CO2 al daadwerkelijk in voor respectievelijk de bemesting van algen en van gewassen in tuinbouwkassen in de nabijheid van de Rotterdamse industrie. Ook de mineralisatie van CO2, het binden van kooldioxide aan mineralen, is al goed mogelijk. Uitdaging op dat vlak is om daar ook echt geld mee te verdienen. Dat kan als de gemineraliseerde stoffen ook daadwerkelijke bruikbare producten of chemische bouwstenen opleveren.

Summit

Bloc, organisator van het congres, wil de mogelijkheden van CCU nog veel meer op de kaart zetten. Zo organiseert het ook een side-event op 11 december tijdens de European Industry & Energy Summit 2019 in Amsterdam. Lees ook het recente artikel over CCU in Petrochem.

 

Het Canadese bedrijf Carbon Engineering werkt aan een betaalbare en opschaalbare manier om CO2 uit de atmosfeer te vangen. Afgelopen week publiceerde het een studie in het wetenschappelijke tijdschrift Joule. Het bedrijf claimt dat zijn techniek inmiddels zes keer goedkoper is dan alternatieven.

Waar het bij concurrenten zoals het Zwitserse Climeworks nog 600 dollar per ton kost, ligt de verwachte prijs bij het bedrijf in Canada  flink lager: tussen de 94 en 232 dollar per ton geoogste CO2. De nieuwe studie moet daarom een discussie over de kosten uitlokken. ‘We proberen directe luchtopvang op een serieuze manier te commercialiseren. En om dat te doen, moet iedereen in de toeleveringsketen aanwezig zijn’, stelt oprichter van Cabon Engineering David Keith, tevens klimaatfysicus van Harvard, in Nature.

Synthetische brandstof

De extractie-installaties van het bedrijf in Squamish, nabij Vancouver, gebruiken waterkracht om de CO2 uit de lucht te halen. De volgende stap is het economisch aantrekkelijk maken van het proces. Dit hangt sterk af van factoren die per locatie verschillen, zoals de hoeveelheid energie die nodig is voor de extractie en beschikbare subsidies. Juist daarom werkt het bedrijf aan een techniek om de opgevangen CO2 om te zetten in synthetische brandstof. De CO2 wordt gecombineerd met waterstof, dat wordt gemaakt door de elektrolyse van water.

CO2-belasting

De brandstof die hieruit voortkomt, kan op zichzelf worden gemengd of gebruikt als benzine, diesel of vliegtuigbrandstof. Wanneer die wordt verbrand, stoot het dezelfde hoeveelheid CO2 uit die het heeft gebruikt om het te maken, dus het is effectief CO2-neutraal. Wel kost het nog altijd meer dan een vat olie, waarmee het vooralsnog alleen aantrekkelijk is op plekken waar een CO2-belasting geldt, waaronder Canada.