Olieraffinaderijen, hoogovens en cementfabrieken nemen bij elkaar opgeteld 18 procent van de CO2-uitstoot die mensen veroorzaken voor rekening. Hoe kunnen die klimaatneutraal worden? Drie recente ideeën – en hun haalbaarheid.
Een woud van buizen en schoorstenen waaruit donkergrijze wolken de lucht in kringelen. De oranje gloed van gesmolten staal die danst over de beschermende kleding van de werknemers. Denk aan de industrieën die de afgelopen decennia stukje bij beetje een deken van broeikasgassen de aardatmosfeer in pompten, en het is niet gek als je een olieraffinaderij, hoogoven of cementfabriek voor je ziet.
Die drie industrieën zijn namelijk verantwoordelijk voor respectievelijk zo’n 5, 6 en 7 procent van de wereldwijde door mensen veroorzaakte CO2-uitstoot.
Over de auteur
George van Hal is wetenschapsredacteur van de Volkskrant. Hij schrijft over sterrenkunde, natuurkunde en ruimtevaart.
Logisch dus dat experts al tijden zoeken naar oplossingen om ook deze grootuitstoters klimaatneutraal te maken. Onlangs presenteerden wetenschappers drie nieuwe ideeën om dat voor elkaar te krijgen.
Geen ruwe olie meer, maar huishoudelijk, dierlijk en plantaardig afval. Mik daar nog wat afgedankte plastics bij en CO2, weggezogen bij de schoorstenen van vervuilende fabrieken of zelfs direct uit de lucht, en je hebt voldoende grondstoffen voor de raffinaderij van de toekomst. Zo schetsten chemici Bert Weckhuysen en Eelco Vogt (beiden Universiteit Utrecht) het in mei in het vakblad Nature.
Maar pas op: gemakkelijk wordt het niet om de klassieke olieraffinaderij fossielvrij te maken, waarschuwt Weckhuysen meteen. ‘Ons artikel kun je op verschillende manieren lezen’, zegt hij. ‘We schetsen een zo realistisch mogelijke routekaart om in 2050 de raffinaderij fossielvrij te maken, maar het dient ook als waarschuwing: dit gaat de maatschappij veel geld en moeite kosten. Daar moeten we ons echt op voorbereiden.’
Olieraffinaderijen maken uit ruwe olie bijvoorbeeld de kerosine waarop vliegtuigen vliegen, de benzine waarop auto’s rijden, allerlei soorten kunststof en een aantal bouwstenen van medicijnen. Daartoe knipt de raffinaderij de moleculen in de ruwe olie in stukken – kraken, heet dat – en maakt er vervolgens al die andere dingen van.
‘Onze verwachting is dat de vraag naar alle producten uit de raffinaderij zal blijven’, zegt Weckhuysen. Wel zal die op detailniveau veranderen. In hun artikel keken Weckhuysen en Vogt naar de 615 raffinaderijen die eind 2018 bestonden, en die samen 92 miljoen vaten olie per dag verbruikten, zo’n 15 miljard liter. Daaruit stelden ze een gemiddelde raffinaderij samen, die ze vervolgens toekomstbestendig maakten.
In hun toekomstscenario daalt de totale consumptie van brandstoffen tot grofweg eenderde van het huidige niveau. Doordat bij de personenauto de transitie naar elektrisch rijden doorzet, zakt dat deel van de vraag in. Maar een soortgelijke transitie bij het vliegverkeer is moeilijk. Ondertussen zullen opkomende economieën in Afrika, Azië en Latijns-Amerika fossiele brandstoffen blijven gebruiken om hun ontwikkeling door te zetten.
‘Heel plausibel’, noemt hoogleraar energietechnologie David Smeulders van de Technische Universiteit Eindhoven dat scenario. ‘Plastics, rubber, cosmetica – er blijft vraag naar alle koolstofmoleculen die daarin zitten.’
Om de raffinaderij van de toekomst klimaatneutraal en ‘fossielvrij’ te krijgen, moet ze af van ruwe olie als grondstof. Maar ‘fossielvrij’ betekent nadrukkelijk niet ‘koolstofvrij’, zegt Weckhuysen. ‘Jouw lijf bestaat uit koolstof, mijn lijf bestaat uit koolstof, je hebt deze ochtend koolstof gegeten, in je boterhammen, in de suikers die je hebt geconsumeerd. Bovendien: onze maatschappij heeft veel te danken aan koolstof, zeker sinds de industriële revolutie.’
Het probleem is dat chemische processen inefficiënt met koolstof omgaan. ‘We laten het continu ontsnappen in de vorm van CO2.’ De raffinaderij van de toekomst moet er daarom voor zorgen dat de mensheid koolstof niet langer verkwist, maar dat blijkt nog geen sinecure.
De ruwe olie van nu moet je allereerst verruilen voor duurzamere bronnen van koolstof. Plastic kun je bijvoorbeeld recyclen, CO2 kun je in hoge concentratie afvangen bij fabrieken of in lagere concentratie uit de lucht. Daarvoor worden wereldwijd technologieën ontwikkeld. Ook huisafval, dierlijk afval en groenafval – biomassa – is geschikt als bron van koolstof.
Vanuit CO2 kun je bijvoorbeeld gemakkelijk CO maken, waarvan je na toevoeging van waterstofgas (H2) onder meer synthetische brandstoffen kunt fabriceren. ‘En deze vorm van waterstof kun je halen uit water’, zegt Weckhuysen.
Neem alle grondstoffen bij elkaar, hussel ze chemisch door elkaar, en de raffinaderij van de toekomst kan verf, rubber, plastic en zelfs zoetstof maken. Vaak komt bij de industriële omzetting naar die materialen nog wel CO2 vrij. ‘Maar dat brengen we gewoon weer terug de raffinaderij in als grondstof’, zegt Weckhuysen.
De belangrijkste uitdaging is dan ook niet zozeer de technologie – die bestaat al, soms alleen nog in het laboratorium, maar in heel wat gevallen ook al op commerciële schaal – maar de energie die een duurzame raffinaderij verbruikt. Paradoxaal genoeg kost de productie van ‘groenere’ brandstof en plastics zo’n tienmaal meer energie dan een huidige ‘vuile’ raffinaderij.
Volgens Smeulders illustreert de enorme energiebehoefte dat het ombouwen van raffinaderijen een internationale aangelegenheid moet zijn. ‘Wil je één raffinaderij ombouwen tot fossielvrije variant, dan moet je in Nederland bijvoorbeeld 800 vierkante kilometer aan zonnepanelen en windmolenparken neerleggen, dat is de helft van het oppervlak van de provincie Utrecht’, zegt hij, verwijzend naar een van de uitkomsten van het Nature-artikel.
Maar, zegt Smeulders: dan ga je er wel van uit dat de gehele energiebehoefte van zo’n raffinaderij in Nederland wordt opgewekt. ‘Het is logischer dat we zonne-energie in Afrika verzamelen en vanuit daar bijvoorbeeld ook waterstof gaan importeren’, zegt hij.
Wat hoe dan ook blijft, zijn de kosten. Tussen de 14- en 23 miljard euro voor het ontwikkelen van de technologie per raffinaderij, en vervolgens tot 2050 nog eens zo’n 320- tot 520 miljard euro per jaar (!) om alles draaiend te houden. Duizelingwekkend veel, maar, zoals Nature schreef in een redactioneel commentaar bij het artikel van Weckhuysen en Vogt: ‘Het is vergelijkbaar met de bestaande schaal van publieke en private industriële investeringen.’ Als de politiek het echt wil, moet het dus mogelijk zijn. ‘Deze visie verdient aandacht’, concludeerde het vakblad daarom. ‘Leiders in de industrie en beleidsmakers moeten het serieus nemen.’
Het is de eerste techniek om cement te recyclen die ooit is voorgesteld, zo schrijven onderzoekers van de Universiteit van Cambridge in mei in vakblad Nature. En niet zomaar één: de techniek is ‘economisch concurrerend’ en kan leiden tot ‘nul uitstoot’ bij het maken van cement, wanneer voor het produceren groene stroom wordt gebruikt.
Een idee met ‘veel potentieel’, zei Leon Black van de Universiteit van Leeds na het verschijnen van het artikel tegen vaksite Chemistry World. ‘Geniaal’, oordeelde Mark Miodownik van University College London tegenover de BBC.
De onderzoekers zelf zijn zo enthousiast over hun vondst dat ze maar meteen een bedrijfje, Cambridge Electric Cement, hebben opgericht om het proces aan de man te brengen.
Dat enthousiasme is niet gek wanneer je bedenkt dat cement het meestgebruikte bouwmateriaal ter wereld is en verantwoordelijk voor zo’n 7,5 procent van de menselijke uitstoot van CO2. Als de cementindustrie een land zou zijn, zou het daarmee direct de op twee na grootste CO2-vervuiler zijn. Alleen China en de VS stoten meer uit.
Cement ontstaat wanneer je een mengsel van kalksteen en mineralen tot 1.600 graden Celsius verwarmt. Daarvoor worden nu nog fossiele brandstoffen gebruikt. CO2 ontsnapt dan aan het kalksteen, waarna cement overblijft. Bij elkaar opgeteld levert de productie van elke ton cement zo ook grofweg een ton CO2 op.
Om die enorme uitstoot te verlagen, gebruikt de technologie van de Britse onderzoekers beton van gesloopte gebouwen als grondstof voor een recyclingsproces. Cement dient in beton namelijk als bindmiddel dat zand en grind aan elkaar plakt.
Al langer was bekend dat wanneer je oud cement opnieuw verhit, je het dan kunt hergebruiken. De onderzoekers stellen voor de benodigde hitte te ‘lenen’ bij fabrieken die staal recyclen.
Voor het recyclen van staal wordt namelijk kalksteen toegevoegd. Dat neemt de onzuiverheden weg die ontstaan wanneer het gesmolten metaal gaat reageren met de omringende lucht. De onderzoekers realiseerden zich dat in plaats van kalksteen cement kan worden gebruikt dat je wint uit het oude beton. Dat levert dubbel voordeel op: er is minder kalksteen nodig voor het recyclen van staal – op zichzelf ook een bron van CO2 – en door het verhitten recycle je het oude cement.
‘Ik ben hier echt positief over’, oordeelt hoogleraar energietechnologie David Smeulders. ‘Veel beton wordt gewoon gestort op een afvalplaats, dus hergebruik is een mooie optie. Wereldwijd wordt veel bouw uit de jaren zeventig gesloopt en met dat afval gebeurt nu helemaal niets.’
Enthousiast wordt hij vooral van het feit dat de onderzoekers laten zien dat hun technologie opschaalbaar is. ‘Ik zie maar één echt probleem, al vermoed ik dat ook dat oplosbaar is: je hebt voor het recyclen grote hoeveelheden elektriciteit nodig, terwijl er in de toekomst een steeds grotere concurrentie om groene stroom zal ontstaan.’
Volgens Smeulders zul je bij de energietransitie op termijn sowieso cement moeten recyclen. ‘We komen nu op het punt dat we zuinig moeten worden op onze grondstoffen. Dat kan echt alleen als je ook cement gaat hergebruiken.’
Overigens is recyclen niet de enige manier om cement en beton ‘groener’ te maken. ‘In Nederland experimenteren wetenschappers bijvoorbeeld ook met beton waarbij cement gedeeltelijk wordt vervangen door andere bindmiddelen: natuurlijke vezels, plantaardige reststromen als houtsnippers en gras, en afvalstoffen uit kolencentrales. Dan heb je minder cement nodig om dezelfde hoeveelheid beton te maken.’
Dat de onderzoekers van de Universiteit Leeds meteen een bedrijf hebben opgericht om hun idee aan de man te brengen, is logisch, zegt Smeulders. ‘Veel ideeën die goed lijken in het laboratorium sneuvelen in wat we de valley of death noemen: dan blijkt het onvoldoende betaalbaar en rendabel om echt op industriële schaal gebruikt te worden. Dat kun je bijsturen met koolstofheffingen of subsidies – dat helpt altijd. Maar het idee moet zelf wel de eerste horde kunnen nemen.’ Bewijzen dat het überhaupt commercieel succes kan hebben, is dus de eerste stap.
Meer dan 1.000 graden Celsius – 1.050 om precies te zijn. Dat is de temperatuur die wetenschappers bereikten met alleen de kracht van de zon, zo schreven ze in mei in het vakblad Device. Zij hopen dat op termijn zonnekracht de rol van fossiele brandstoffen kan overnemen bij de productie van materialen als staal en cement.
Al langer bestonden er zonne-ovens die met behulp van verplaatsbare spiegels het licht zo kunnen richten dat de temperatuur enorm hoog oploopt. Maar de methode was nog niet voldoende efficiënt om temperaturen boven de 1.000 graden te bereiken.
Door de plek waar het zonlicht samenkomt te bekleden met een materiaal dat het licht doorlaat maar de hitte vangt en vasthoudt, wisten de onderzoekers de temperatuur hoger te stoken en het systeem energie-efficiënter te maken, zo schrijven ze in hun artikel.
‘Heel interessant, maar wel nog enorm speculatief’, oordeelt hoogleraar energietechnologie Smeulders. ‘Dit zit in de fase van het laboratorium en komt daar voorlopig nog niet uit.’
Betekent dit dat de technologie te laat komt voor de energietransitie? Nee, zegt hij. ‘Het is nooit te laat, want niks doen is geen optie. Goede oplossingen zijn altijd welkom en daar moet je aan blijven werken, anders smoor je alle innovaties met het idee ‘dit gaat toch nooit lukken’.’
Zelfs als staal smelten met zonlicht te lastig blijkt om op te schalen naar het niveau van de huidige hoogovens – een risico dat bestaat, zegt hij, nu de industrie zelf bijvoorbeeld al inzet op vergroening door staal te maken met waterstof als vervanger voor steenkool – dan nóg kan deze technologie zijn bijdrage leveren in kleinschaliger toepassingen die groener zijn dan de alternatieven. ‘Ik zie hier wel iets in voor laswerk bijvoorbeeld, of toch voor kleinschaligere staalproductie.’
‘En onthoud’, zegt Smeulders, ‘chipgigant ASML begon ooit ook heel klein, als onderdeeltje van Philips. Je weet vooraf nooit met welk idee je uiteindelijk de grootste winst boekt.’
Geselecteerd door de redactie
Source: Volkskrant