De samenleving wil snel af van de fossiele brandstoffen, maar daarmee is onze afhankelijkheid van aardolie nog lang niet ten einde. De vraag naar kunststoffen blijft bijvoorbeeld onverminderd hoog. Daarom zoeken chemici naar oplossingen die de petrochemie kunnen vergroenen met elektriciteit, waterstof, opslag van kooldioxide en recycling.
- Grondstof voor chemie
- Van wind naar waterstof
- E-finery: ethyleen uit stroom en kooldioxide
- Lagere uitstoot met chemisch recyclen
- Innoveren kost tijd
- Geen benzine maar xyleen
- Peak oil, maar wanneer?
Grondstof voor chemie
Al honderd jaar proberen olieraffinaderijen zoveel mogelijk benzine, diesel en kerosine uit een vat ruwe olie te persen, maar die trend is aan het keren. De opmars van elektrisch vervoer laat zien dat de vraag naar benzine en diesel op termijn gaat dalen. Toch betekent dit niet dat aardolieraffinage tot het verleden behoort. De vraag naar petrochemische grondstoffen voor polymeren blijft namelijk onverminderd hoog en vervangende koolstofbronnen, zoals biomassa, zijn nog niet concurrerend.
De komende decennia stroomt minder koolstof uit aardolie richting tankstations, en meer richting polymeren, kunsthars en verf. Tegelijkertijd staat de petrochemie vooral in West-Europa onder steeds meer maatschappelijke druk om te vergroenen. Omdat aardoliedestillatie en omzetting van aardoliefracties hoge temperaturen vereist, is een flink deel van de kooldioxide-uitstoot van chemische complexen afkomstig van gasgestookte fornuizen. Die fossiele bronnen vervangen door waterstof of elektriciteit is een optie, maar is nog volop in ontwikkeling. Dat geldt nog sterker voor het maken van chemische grondstoffen met elektriciteit, kooldioxide en water.
De geschatte wereldoliereserve is 1700 miljard vaten
Van wind naar waterstof
Olieraffinaderijen hebben waterstof nodig voor katalytische kraakinstallaties, waarin zwaardere aardoliefracties worden omgezet in ingrediënten voor diesel en benzine. Raffinaderijen gebruiken aardgas als waterstofbron. Dat geldt ook voor chemiebedrijven die uit waterstof en stikstof ammoniak maken: een belangrijke anorganische grondstof in de industrie, onder meer voor het maken van kunstmest.
Waterstof produceert de industrie via stoomreforming van methaan. Dat proces verloopt bij 800°C en vréét energie, en daardoor zorgt waterstofproductie voor ongeveer 11% van de kooldioxide-uitstoot van de raffinagesector. In theorie is er een alternatieve bron, want waterstof kun je ook maken via grootschalige waterelektrolyse. Alleen is het dan wel zaak dat de elektriciteit niet afkomstig is van een gas- of kolengestookte centrale, maar van windmolens en zonnecellen.
Het belangrijkste obstakel voor deze vorm van waterstofproductie is een gebrek aan goedkope zonne- en windenergie. Grootschalige aanleg van windparken op zee, plus omvangrijke investeringen in opslag en waterelektrolyse, biedt pas op langere termijn toegang tot goedkope groene elektriciteit en waterstof.
E-refinery: ethyleen uit stroom en kooldioxide
Ruud van Ommen, hoogleraar chemische technologie aan de TU Delft, is sinds januari 2022 directeur van e-Refinery, een Delfts instituut dat enkele jaren geleden is gestart met onderzoek naar chemisch-technologische innovaties voor industriële basischemie zonder fossiele bronnen. Denk aan inzet van elektrolysers voor waterstofproductie of de directe elektrochemische synthese van ethyleen uit kooldioxide. ‘We onderzoeken binnen e-Refinery twee hoofdroutes’, vertelt Van Ommen. ‘De eerste, indirecte route richt zich op groene waterstofproductie met elektrolyse; vervolgens laat je de waterstof in een tweede proces met kooldioxide reageren tot bijvoorbeeld methanol, ethyleen of mierenzuur. Waterstofelektrolyse is bekende technologie, maar er zitten nog wel proces-technische uitdagingen aan, zoals optimalisering bij een fluctuerend stroomaanbod.’
Bij de tweede route gebruik je water met daarin opgelost CO2 om met elektrolyse direct koolwaterstoffen te maken zoals ethyleen of syngas. Op die manier ontstaat een éénstapsproces. Van Ommen: ‘We verwachten daarom dat deze route een wat hogere efficiëntie kan bereiken, en bij relatief lage temperaturen kan verlopen. De lab-reactors die we nu hebben staan, hebben elektroden van 10 bij 10 cm. De grote uitdaging is verdere opschaling.’ Kun je bijvoorbeeld gaan naar elektroden van 1 bij 1 m, zonder dat de vloeistofstroming tussen de twee platen in het gedrang komt? En kun je tientallen van dergelijke elektrodes naast elkaar zetten en eventuele warmte goed afvoeren? ‘Verder maakt een elektrolyser verschillende producten, die je naderhand moet scheiden’, vervolgt de hoogleraar. ‘Dat wil je zonder klassieke destillatie doen; we onderzoeken wat er mogelijk is met bijvoorbeeld membranen.’
Daarnaast is volgens Van Ommen technologie nodig om fluctuaties in aanbod van wind en zonnestroom op te vangen. ‘Batterijen zijn vaak erg duur voor grootschalige energieopslag. Wat dat betreft kan opslag in chemicaliën aantrekkelijk zijn, zoals in methanol. Een andere technologische optie is de battolyser: een batterij die elektriciteit opslaat en zodra de maximale capaciteit is bereikt, waterstof gaat produceren.’
Lagere uitstoot met chemisch recyclen
Je kunt plastics mechanisch recyclen, in stukjes hakken, smelten en omvormen tot bijvoorbeeld bloempotten en emmers. Maar veel verpakkingen bestaan uit gemengd en gekleurd kunststof, waarbij dat niet goed mogelijk is. Toch is het zonde om dit afval naar de vuilverbrandingsoven te sturen.
Chemisch recyclen kan de koolstof in de kringloop houden. Petrochemiebedrijf SABIC neemt dit jaar een pilotfabriek in gebruik op het Chemelot-terrein bij Geleen, voor de chemische verwerking van plastic huishoudafval. SABIC werkt daarbij samen met het Britse Plastic Energy, dat een pyrolysemethode heeft ontwikkeld die gemengd plastic afval onder vacuüm bij 300 a 400°C transformeert tot olie (Tacoil). Tac staat voor Thermal Anaerobic Conversion, het gepatenteerde proces waarmee kunststoffen worden omgezet in olie en een kleiner deel brandbaar gas. Een ton afvalplastic levert zo ongeveer 850 liter Tacoil.
De pyrolyse-olie gaat met de bulkstroom nafta, afkomstig uit aardolie, richting stoomkraker. Daar wordt die omgezet in verse kunststofbouwstenen zoals ethyleen en propyleen. Via certificering worden de tonnen gerecycled plastic toegerekend aan een deel van de in Geleen geproduceerde polymeren. De demofabriek in Geleen komt naar verwachting dit najaar in bedrijf en krijgt een jaarlijkse productiecapaciteit van 15 kiloton Tacoil. Verwerking van een kilo plasticafval levert via deze route twee kilo kooldioxide minder op in vergelijking met verbranding.
Innoveren kost tijd
De rol van fossiele grondstoffen in de chemische industrie zal niet op korte termijn veranderen, zegt Kevin Van Geem, hoogleraar en directeur van het Centrum voor Duurzame Chemie aan de Universiteit Gent. ‘Er zijn een aantal vertragende factoren. Het gaat om zeer grote investeringen, die in decennia worden afgeschreven. Alleen al daarom wordt dit een transitie die 30 à 40 jaar gaat duren. Er spelen ook socio-technische processen: ontwikkelen van Europees beleid rond bijvoorbeeld chemische plasticrecycling duurt lang en de uitkomst is vaak een compromis.’
Grootschalige petrochemische processen kun je niet aan- en afschakelen, legt Van Geem uit. Een chemisch complex moet 8000 uur per jaar in bedrijf kunnen zijn, anders wordt het rendement te laag. ‘Als je overstapt van fossiele brandstof op groene elektriciteit moet je dus fluctuaties in wind- en zonne-energie met een constante toevoer kunnen ondervangen. Dan is kernenergie een logische optie, met alle voor- en nadelen.’
Er zijn in Vlaanderen en Nederland vijf stoomkrakers in bedrijf. Om dat proces volledig elektrisch te laten draaien, heb je per stoomkraker één kerncentrale nodig. Van Geem: ‘Daarom denk ik dat in de toekomst hybride systemen de oplossing zijn, met hernieuwbare elektriciteit plus waterstof als energiedrager. Een van de uitdagingen bij verwarmen met waterstof is de hogere verbrandingstemperatuur en daarmee de vorming van extra stikstofoxiden.’
Simpel gezegd is de vraag naar plastics gekoppeld aan de welvaart; die vraag zal wereldwijd blijven groeien, verwacht Van Geem. De verschuiving in de petrochemie van brandstof naar grondstof gaat door, vooral in grote olieproducerende landen zoals Amerika, Rusland en Saoedi-Arabië. Volgens de meeste toekomstscenario’s zullen grondstoffen in 2040 nog grotendeels fossiel zijn, al dan niet in combinatie met ondergrondse opslag van kooldioxide. ‘De transitie gaat traag’, zegt Van Geem, ‘maar dat betekent niet dat we ons daarbij kunnen neerleggen. Het probleem van klimaatverandering is duidelijk. Realistisch denken over de chemische industrie is nodig, maar tegelijkertijd moeten we er alles aan doen om snel te innoveren.’
Geen benzine maar xyleen
Het aandeel van petrochemische grondstoffen in de vraag naar ruwe olie zal stijgen van minder dan 20% in 2019 richting 50% in 2050 – afhankelijk van het precieze toekomstscenario. Dat voorspelt oliemaatschappij BP in de Energy Outlook 2022. Met andere woorden, over dertig jaar wordt er meer aardolie verwerkt tot bijvoorbeeld polymeren dan tot brandstof.
De motor achter die verandering is vooral de snelle economische groei in Afrika en Azië. Er ontstaat daar een nieuwe middenklasse met veel meer koopkracht; in 2030 telt die groep alleen al in Azië zo’n 3,5 miljard mensen. Daardoor groeit de vraag naar kleding, schoenen, auto’s, banden, woningbouw, isolatiemateriaal, meubels, elektronica en voorverpakt voedsel. In en om al die producten zitten koolwaterstoffen uit aardolie, en dat laat zien dat er voorlopig een groeimarkt bestaat voor de petrochemie.
Investeringen onderstrepen die trend. Het Chinese Zhejiang Petroleum & Chemical (ZPC) is vergevorderd met de bouw van twee grote raffinaderijen die elk 400.000 vaten olie per dag verwerken. De complexen zetten rond de 50% van elk vat ruwe olie om in petrochemische bouwstenen. Zo produceert de eerste Zhejiang-raffinaderij jaarlijks 4 miljoen ton paraxyleen, 1,5 miljoen ton benzeen, 1,4 miljoen ton ethyleen, plus een reeks andere verbindingen.
Uit 1 ton plasticafval is 850 liter olie te winnen
Peak oil, maar wanneer?
Het was geofysicus Marion King Hubbert (1903 – 1989) die in 1956 de winning van olie als een klokvormige grafiek beschreef. Het maakt niet uit of je kijkt naar een enkel olieveld of de reserves van een land: oliewinning start bescheiden, neemt gestaag toe en piekt, om daarna weer geleidelijk te dalen. Achter die grafiek zit een model dat rekent met oliereserves, winning en de ontdekking van nieuwe oliereserves. Hubbert voorspelde zo dat de aardolieproductie in de Verenigde Staten zou pieken tussen 1965 en 1970. Zijn voorspelling kwam in 1970 uit, al volgde er toch nog een opleving vanaf 2010 door de winning van schalieolie.
Zo’n klokvormige grafiek beschrijft ook de wereldwijde aardoliewinning, maar ondanks allerlei voorspellingen is de piek van de oliecurve nog niet waargenomen. Geen van die voorspellingen kwam uit, en in 2021 en 2022 schommelt de jaarlijkse olieproductie rond de 35 miljard vaten. De wereldoliereserves worden op dit moment geschat op circa 1700 miljard vaten. Met de huidige vraag van ongeveer 30 miljard vaten per jaar zit er nog voor een halve eeuw olie in de grond. Dat is een erg onnauwkeurige schatting, want sommige olievoorraden zitten in de diepzee of in teerzanden, wat winning kostbaar maakt. Tot slot kunnen er nieuwe reserves bijkomen, en de vraag naar olie kan gaan dalen doordat elektrisch rijden de nieuwe standaard wordt. Hoe dan ook: de olie raakt ooit op, maar wanneer precies, dat blijft nog even de vraag.
Nog geen opmerkingen