Koolstofgebruik maakt waarde van afval

Koolstofafvang is een nieuwe oplossing voor het verlagen van industriële broeikasgas-emissies (GHG). Na afvang van het kooldioxide van procesuitlaatstromen wordt het doorgaans weggevoerd van de oorspronkelijke locatie voor langdurige ondergrondse opslag. De technologie en de doorlopende bewaking van de opslag zijn echter kostbaar.

Om de kosten deels te compenseren kan afgevangen CO₂ worden herbestemd voor het creëren van waarde in plaats van slechts te worden opgeslagen. Deze methode, bekend als koolstofrecycling, valt onder het bredere begrip koolstofafvang, -gebruik en -opslag (CCUS), een collectieve oplossing voor het helpen realiseren van de netto-nul-emissiedoelen voor 2050 en het tegengaan van klimaatbedreigingen.

Momenteel verzamelt de industrie jaarlijks 45 miljoen ton kooldioxide uit afvalstromen, wat ca. 0,1% van de wereldwijde emissies van alle sectoren is. Volgens de klimaatmodellen van de Intergouvernementele Werkgroep inzake klimaatverandering en het Internationaal Energieagentschap zou door CCUS in 2030 maar liefst 1 miljard ton CO₂ per jaar en meerdere miljard ton in 2050 kunnen worden afgevangen. Als kooldioxide-emissies van industriële en andere sectoren ruwweg hetzelfde blijven als deze capaciteit wordt bereikt, zouden de broeikasgas-emissies in de atmosfeer met ca. 10% kunnen verminderen.

CCUS-technologieën vereisen betrouwbare metingen op belangrijke punten, om de proceskwaliteit en -veiligheid te waarborgen. Deze omvatten doorgaans niveau, flow, temperatuur, druk, vloeistofanalyse en, steeds vaker, gasanalyse met behulp van Raman-spectroscopie en TDLAS-analyzers.

Gezien de hoge kosten van de CO₂-afvang is de mogelijkheid om aanzienlijke volumes van dit gas om te zetten in een waardevol product interessant voor verwerkers die CCUS-technologieën implementeren. De toepassingen en industrieën die kunnen profiteren van het koolstofgebruik zijn talrijk en omvatten onder andere, maar niet exclusief, de volgende voorbeelden:

De bouwindustrie, waarvan bekend is dat het energieverbruik hoog ligt en de CO2-voetafdruk groot is, kan profiteren van koolstofafvang en -gebruik om meer duurzame bouwmaterialen te produceren. Bij traditionele cementproductieprocessen worden materialen tot 1450 °C (2642 °F) verhit, waarbij doorgaans zware stookolie, kolen, aardgas of andere uit afval gewonnen brandstoffen worden gebruikt. Bovendien moet voor de doorgaans gebruikte chemische reactie voor het maken van cement calciumcarbonaat worden omgezet in calciumoxide-achtige verbindingen, waarbij CO₂ ontstaat als bijproduct. Samen zijn deze emissies verantwoordelijk voor ca. 7% van de mondiale broeikasgasproductie.

Dit kan echter worden verminderd door het kooldioxide uit de uitlaatstroom af te vangen via aminegasbehandeling en dit te injecteren in vers beton tijdens het mengproces. Het geïnjecteerde CO₂ reageert met calcium-ionen in het betonmengsel, waardoor calciumcarbonaat wordt gevormd, een natuurlijk voorkomend bindmiddel. Dit verrijkt het beton door verhoging van de druksterkte en permanente isolatie van het kooldioxide, waardoor de noodzaak voor opslag en bewaking in geologische formaties komt te vervallen. 

Deze grotere sterkte van het beton maakt materiaalbesparingen in bouwprojecten mogelijk, wat kostenbesparingen oplevert die deels de kosten van de aminebehandeling compenseren. Bovendien kan CO₂-injectie worden geïntegreerd in bestaande betonproductieprocessen met minimale aanpassingen aan de bestaande infrastructuur. 

Kooldioxide kan ook worden gebruikt voor het maken van synthetische aggregaten, een belangrijke component van beton, waarbij het de traditionele aggregaten vervangt die uit de aarde worden gedolven. Bovendien onderzoeken innovators de ontwikkeling van biogebaseerde koolstof-negatieve alternatieven voor beton waarin het productieproces meer CO₂ absorbeert dan afgeeft.

De transportindustrie, zeer afhankelijk van fossiele brandstoffen, kan significante duurzaamheidsvoordelen door het gebruik van koolstof realiseren. Door diverse chemische processen kan afgevangen CO₂ worden omgezet in hernieuwbare brandstoffen zoals methanol en duurzame vliegtuigbrandstof (SAF), wat helpt bij het reduceren van de CO2-voetafdruk van de industrie.

Voor het produceren van hernieuwbaar methanol reageert kooldioxide met groene waterstof bij de aanwezigheid van een katalysator bij hoge temperatuur en druk. Methanol kan worden gebruikt als een directe brandstof voor automobielen of als basismateriaal voor andere brandstoffen, zoals biodiesel. 

S&P Global schat dat de hernieuwbare-methanolmarkt rond 2050 jaarlijks een omvang van 400 miljoen ton zal hebben, wat zijn enorm potentieel aangeeft. Er bestaan echter nog enkele uitdagingen bij het gebruik van methanol in de transportindustrie, zoals de behoefte aan een speciale infrastructuur. 

Zo verkent de luchtvaartindustrie het gebruik van SAF dat is geproduceerd van afgevangen CO₂, om haar afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen. Voor het maken van SAF verbindt het afgevangen kooldioxide zich eerst met waterstof in het zogenaamde water-gas-shiftproces, waarbij syngas ontstaat, een mengsel van koolmonoxide en waterstof. 

Vervolgens wordt het syngas omgezet in een mengsel van koolwaterstoffen met behulp van het Fischer-Tropsch-proces; het koolwaterstofmengsel ondergaat dan hydrobewerking om onzuiverheden te verwijderen en de brandstofeigenschappen in te stellen. De eigenschappen van vliegtuigbrandstof, zoals energiedichtheid, vlampunt en stollingspunt, moeten zorgvuldig bewaakt en geregeld worden.

Hoewel SAF nog in de beginfase van de ontwikkeling verkeert, verwacht de International Air Transport Association dat SAF kan bijdragen aan een reductie van 65% van de broeikasgas-emissies in de luchtvaart.

De chemische industrie maakt momenteel intensief gebruik van fossiele brandstoffen, maar kooldioxide kan in veel gevallen worden gebruikt als alternatief basismateriaal voor de productie van een groot aantal chemicaliën en polymeren. Hiertoe behoren onder andere kunstmest-ureum, kunststoffen en verpakkingsmaterialen. 

Als CO₂ reageert met ammoniak onder hoge druk en temperatuur, ontstaat er ammoniumcarbamaat. Bij de ontleding van deze chemische stof ontstaat er ureum en water, wat dan kan worden verwerkt en gegranuleerd tot een vaste vorm voor gebruik als kunstmest. 

Kooldioxide kan ook worden gebruikt om polycarbonaten te produceren. Deze duurzame en doorzichtige polymeren worden veel gebruikt in elektronica, brillen en auto-onderdelen. Deze polymeren worden gevormd door een directe reactie van CO₂ met epoxiden, een soort cyclische ether, bij aanwezigheid van een katalysator. 

De polyurethaanproductie is een andere belangrijke toepassing van kooldioxide in de chemische industrie. Polyurethanen, bekend om hun veelzijdigheid en toepassingen in schuimstoffen, coatings en isolatie, worden traditioneel gemaakt van polyolen die worden verkregen uit fossiele brandstoffen. Verwerkers kunnen deze echter vervangen door polyolen op kooldioxidebasis, waardoor de afhankelijkheid van conventionele brandstoffen worden gereduceerd om de CO2-voetafdruk van polyurethaanproducten te verlagen.  

Deze duurzame circulaire-economiepraktijken zijn veelbelovend, maar ze hebben te maken met uitdagingen in de vergelijking met traditionele fossiele brandstofgebaseerde productie door de hogere kosten als gevolg van de koolstofafvang. 

De agrarische sector kan ook profiteren van het koolstofgebruik door de toepassing van ureumkunstmest en direct gebruik. Kooldioxidegas kan broeikassen verrijken om platengroei te stimuleren en opbrengsten te vergroten. Bovendien kan afgevangen CO₂ worden gebruikt voor het kweken van algen, die kunnen worden verwerkt in biobrandstoffen, diervoeders en voedingsmiddelen.

Ondanks het duurzame potentieel heeft de toepassing van CCUS te maken met substantiële hindernissen. De implementatie van met name koolstofafvangtechnologieën is kostbaar. Het opschalen van de productie voor het verminderen van broeikasgas-emissies vereist significante investeringen in de infrastructuur en marktontwikkeling. Overheden en ngo's zullen waarschijnlijk moeten zorgen voor een groot deel van het vereiste kapitaal. 

Bovendien is het voor het waarborgen van de koolstofafvang en de algehele duurzaamheid van het gebruik nodig, dat de processen worden aangedreven door energie afkomstig van hernieuwbare bronnen. Het gebruik van fossiele brandstoffen ten behoeve van CCUS-technologieën zou contraproductief zijn, als de milieuvoordelen teniet zouden worden gedaan. 

Mettertijd zal onderzoek en ontwikkeling helpen de processen te optimaliseren en de efficiëntie te verhogen, waardoor de bedrijfskosten van de CCUS-technologie zullen dalen. Economische haalbaarheid, of op zijn minst betaalbare koolstofafvang, is cruciaal voor de brede toepassing binnen de industrie, met name omdat steeds meer bedrijven en consumenten wereldwijd duurzaamheid waarderen.  

Verder onderzoek op het gebied van koolstofafvang en -gebruik kan helpen om de broeikasgas-emissies te verlagen en een schadelijk bijproduct in een waardevolle bron om te zetten. Koolstofgebruik is één van de vele middelen om de kooldioxide-emissies in diverse industrieën te verlagen, waardoor wordt bijgedragen aan een duurzamere toekomst.