‛Aan de ene kant is ons verhaal visionair en bedoeld om te inspireren, aan de andere kant moet het ook realiteitszin brengen in het debat’, begint katalyse-expert Bert Weckhuysen (Universiteit Utrecht). Samen met zijn collega-hoogleraar Eelco Vogt haalde hij onlangs Nature met hun Refinery of the Future; een verkenning naar de mogelijkheden om de huidige olieraffinaderijen tussen nu en 2050 te vervangen door CO₂-neutrale installaties die dezelfde producten leveren, maar in het geheel geen fossiele grond- of brandstoffen meer nodig hebben.  

Conclusie: technisch gezien moet het mogelijk zijn. Het is een kwestie van opschalen van bestaande chemische processen en van het bestendig maken van – bijvoorbeeld – katalysatoren tegen onzuiverheden die inherent zijn aan hernieuwbare koolstofbronnen. Maar dit alles gaat wel pijn doen in de portemonnee. 

Schaaldieren

Oil change, zo kondigde Nature het aan op de cover. Pun intended. Vogt en Weckhuysen stellen voor om fossiel als energiebron te vervangen door elektriciteit uit zon en wind, indien nodig aangevuld met kernenergie. Als bijbehorende grondstof willen ze kunststofafval gebruiken en alle mogelijke soorten biomassa, of het nu planten zijn of chitinehuidjes van schaaldieren en gebruikt frituurvet. De koolstofbehoefte wordt aangevuld met CO₂ die als het even kan in geconcentreerde vorm uit de schoorstenen van andere processen komt, en verder direct uit de atmosfeer.  

Als je dat combineert met ‛groen’ geproduceerde waterstof kun je in principe alles maken wat nu uit olieraffinaderijen komt. Wel met een duidelijk andere verhouding tussen de productstromen. ‛Nu bestaat bijna de helft van de productie uit benzine’, legt Vogt uit. ‛Maar in 2050 of 2060 heb je dat waarschijnlijk niet meer nodig, want alles wat op benzine loopt kun je elektrificeren.’ Door het wegvallen van de benzinefractie verschuift de nadruk naar chemicaliën en polymeren. Nu is dat nog geen vijfde van de totale productie, straks de helft.  

De andere helft bestaat dan uit diesel en jet fuel. Voor lange-afstandstrucks, scheepvaart en vooral luchtvaart kun je die brandstoffen voorlopig niet missen: waterstoftanks zijn te volumineus, accu’s te zwaar en methanol of ammoniak nog te zeer toekomstmuziek. Vogt benadrukt wel dat je voor brandstof vooral de ‛gevangen’ CO₂ moet gebruiken. Biomassa is beperkt beschikbaar en bevat veel nuttige organische verbindingen, dus die kun je beter reserveren voor de productie van chemicaliën. Hooguit zijn wat aromaten uit biomassa-lignine nodig om bij de kerosine te mengen – met alleen lineaire koolstofketens haal je de gewenste specificaties niet. ‛Al kun je die aromaten bijvoorbeeld ook maken uit methanol’, vult Weckhuysen aan. 

Demonstratiemodel 

Die methanolomzetting gebeurt nu al op industriële schaal. Dat geldt bijvoorbeeld ook voor Fischer-Tropschsynthese, ook bekend als gas to liquids, die CO en H₂ omzet in koolstofketens. Bij BASF in Ludwigshafen heeft Weckhuysen onlangs een demonstratiemodel bekeken van een elektrisch verhitte stoomkraker die zulke koolstofketens op de gewenste lengte knipt. Depolymerisatie van kunststofafval en biomassa gebeurt ook al maar moet nog wel worden opgeschaald. Zoals gezegd vormen onzuiverheden, die heel anders zijn dan in aardolie, daarbij een uitdaging op zich.  

Aan de invoerkant moet meer gebeuren. Een gemiddelde olieraffinaderij verwerkt 150.000 vaten ruwe olie per dag, ongeveer 20.700 ton. Volgens Vogt en Weckhuysen moeten de huidige installaties om waterstof elektrolytisch vrij te maken uit water een factor 300 worden opgeschaald om een vergelijkbare capaciteit te halen. Voor de elektrokatalytische omzetting van CO₂ in CO is dat een factor 720. En ‛s werelds grootste installatie voor het opvangen van CO₂ uit de atmosfeer, in IJsland, is op dit moment zelfs een factor 1600 te klein. 

Maar het kan zomaar hard gaan. ‛Op de dag dat ons artikel verscheen, meldde dat IJslandse bedrijf dat ze net een tweede installatie in bedrijf hebben genomen. Ze zitten nu op 100 in plaats van 10 ton per dag’, vertelt Weckhuysen. En Vogt vult aan: ‛Dat kregen ze dus in drie jaar voor elkaar. Nu hoeven we nog maar een factor 160. Nog een keer 10 en nog een keer 10, dat zou wel eens sneller kunnen gaan dan we denken.’ 

Energievraag

Hoe snel het ook gaat, goedkoop gaat het nooit worden. In de omzetting van CO₂ naar iets nuttigers gaat per definitie zo veel energie zitten (letterlijk!) dat sommige deskundigen het niet eens willen overwegen. In het ontwerp van Weckhuysen en Vogt gebruiken processen zo veel mogelijk elkaars restwarmte, met als resultaat dat de energievraag vooral wordt bepaald door de waterstofproductie. Naar schatting absorbeert die per raffinaderij 5,5 GW aan elektriciteit, ruwweg equivalent aan een zonnepark van 10 bij 10 km én 328 grote windturbines van 14 MW elk. Mocht je kiezen voor kernenergie, denk dan aan een stuk of vijf kleine reactoren.  

Mede daardoor gaat de vervanging van een bestaande raffinaderij naar schatting €20 miljard kosten – en wereldwijd zijn er ruim zeshonderd raffinaderijen. Ga er maar aan staan. ‛Misschien is dit wel de echte prijs die je moet betalen om koolwaterstoffen te blijven gebruiken’, zegt Vogt. En Weckhuysen kan zich voorstellen dat ze in een land als China nog eerder iets zullen gaan bouwen dan in het Westen – daar ligt de bereidheid om te investeren in de toekomst toch wat hoger. 

Richtinggevend 

Weckhuysen benadrukt dat het geen exacte getallen zijn, maar ordes van grootte. Bovendien zijn er ongetwijfeld alternatieven voor de processen die hij en Vogt aandragen. ‛Het is niet bedoeld om met een apothekersweegschaal te gaan afwegen. Het gaat over de vraag wat de consequenties zijn als we helemaal geen gebruik meer willen maken van aardolie. Dan denk ik dat dit verhaal iedereen met de voeten op de grond zet, maar dat het ook richtinggevend kan zijn.’ Misschien kan het zelfs jonge mensen laten zien dat er heel wat perspectief zit in een studie chemie of chemische technologie.  

Vogt ziet intussen een keuze aankomen voor minder radicale scenario’s. ‛Sommige mensen zullen genoegen nemen met een beetje CO₂-opslag in de bodem. Anderen willen iets verder weg stappen en processen elektrificeren die veel warmte nodig hebben, wat toch nog relatief dicht bij de bestaande technologie blijft. Het is verleidelijk om daarna tevreden achterover te leunen. Maar zo werkt het dus niet. 2050 is minder ver weg dan het lijkt.’ 

Eelco Vogt, Bert Weckhuysen, The refinery of the future, Nature (2024)

Reinvent oil refineries for a net-zero future, Nature Editorial (2024)