In 2100 zijn CO2 en biomassa de grondstoffen voor de chemie, zegt chemicus en katalyse-expert Pieter Bruijnincx. Maar maakt de industrie daarmee hetzelfde productpallet als nu, dan is er een grote kans gemist. CO₂-neutraal produceren kan namelijk efficiënter en schoner met moleculen die circulair zijn by design.
“Een enorme opgave”, zo noemt Pieter Bruijnincx, hoogleraar Duurzame chemie en katalyse aan de Universiteit Utrecht, de transitie naar niet-fossiele grondstoffen die de chemische industrie de komende decennia zal doormaken. Een klus die voor 2050 ook nog niet geklaard zal zijn, waarschuwt hij. “De urgentie is voelbaar, maar 2050 is dichterbij dan we denken. Bovendien zal duurzame energie nog schaars zijn de komende tijd. Dus moeten we het gebruik van fossiele grondstoffen nog een tijdlang compenseren via opslag van CO2”.
Een compleet fossielvrij chemische industrie lukt dus niet voor 2050. Wel voor 2100?
Pieter Bruijnincx: “In 2100 is de industrie – ik ben een optimist – compleet afgestapt van fossiele grondstoffen, wellicht zo tegen 2080. Door goed recyclen houden we zoveel mogelijk koolstof vast in een loop. Maar met alleen rondpompen van koolstof red je het niet. De wereldbevolking en levensstandaard groeien en daarmee de vraag naar kunststoffen, medicijnen, schoonmaakmiddelen, et cetera. Bovendien is een circulair systeem nooit honderd procent efficiënt, er zijn onvermijdelijk lekverliezen. Dat geldt ook voor recycling, ook dat is geen silver bullit. Schattingen gaan ervan uit dat er in 2050 vierhonderd tot vijfhonderd miljoen ton extra verse koolstof per jaar nodig is. Dat is ongeveer gelijk aan wat er nu wereldwijd wordt gebruikt. Er moet dus nog veel koolstof bij in de loop – groene, niet-fossiele koolstof, afkomstig van CO2 uit de lucht of uit biomassa.”
Is de technologie hiervoor beschikbaar?
“Dat ligt eraan wat we precies willen produceren. De nu veelgebruikte polyolefinen – polyethyleen en polypropyleen – zijn heel stabiel, terwijl ze gemaakt zijn van hoogenergetische monomeren. Ze zitten als het ware in een diepe thermodynamische put. Ze weer opbreken en stapsgewijs terugbrengen tot de oorspronkelijke eenheden – chemical recycling – hebben we in principe onder de knie, maar vraagt heel veel energie. En juist duurzame energie zal schaars zijn de komende decennia, de bottleneck in het systeem. Polymeren zoals polyesters en polyamiden vragen minder energie voor chemische recycling en zijn dus eigenlijk geschikter voor de circulaire economie. Maar ook daar is nog veel te winnen door ontwerp van energiezuinigere, slimmer recyclebare varianten. De keuze voor moleculen en materialen was altijd gericht op functie en daarmee op persistentie, niet op circulariteit. De keuze voor andere moleculen kan dus helpen in de transitie.”
Maar er is haast, een switch naar andere moleculen en materialen vergt tijd en extra investeringen.
“Wat dat betreft zijn drop-ins, CO2-neutrale grondstoffen identiek aan de bekende fossiele feedstockstromen, natuurlijk makkelijker. Ze zijn direct inpasbaar in de sterk geïntegreerde ketens van de chemische industrie. De meeste chemische recycling is gericht op routes naar drop-ins en dat komt nu op stoom. Maar als wetenschapper vind ik het belangrijk ook de nadelen te benoemen van het huidige pallet aan materialen. Polyolefinen moet je uit die ‘thermodynamische put’ halen voor chemische recycling. En de grondstoffen van de toekomst sluiten moleculair gezien niet goed aan bij deze kunststoffen. Maak je polyolefinen op basis van CO2 of biomassa dan ben je atomen aan het weggooien. Het kost veel energie en waterstof, creëert afval, en kan het op prijs concurreren?
We lopen het gevaar in een fossiele en een polyolefinen-lock-in te blijven zitten. Je ziet dat ook aan de lange adem die bijvoorbeeld Avantium nodig heeft om een nieuw, goed recyclebaar polyester op basis van biomassa op de markt te brengen. Als we in 2100 nog dezelfde materialen maken als nu, ook al zijn die honderd procent CO2-neutraal, dan hebben we volgens mij als chemici toch een kans gemist in duurzaamheid.”
Wat is er nodig om uit die fossiele lock-in te komen?
“Dat vraagt om een systeemverandering en is onwijs ingewikkeld. Bijkomend gevaar is dat door de elektrificatie van transport veel goedkope fossiele koolstof beschikbaar zal zijn. Overheden moeten echt gaan sturen, bijvoorbeeld via eerlijke CO2-beprijzing en goede internationale afspraken. En er is dus herontwerp van materialen op moleculair niveau nodig: duurzaamheid by design.”
Wat houdt dat in?
“Chemical & Engineering News, het tijdschrift van de American Chemical Society, koos nieuwe, makkelijk recyclebare polymeren uit tot de belangrijkste doorbraak in de chemie van 2021. Het gaat om kunststoffen met dezelfde of betere functionaliteiten als nu, maar die bij lage temperaturen en met de juiste katalysator rap uiteenvallen in de oorspronkelijke monomeren. Die zijn dan weer opnieuw aaneen te rijgen. Recycling wordt zo veel energie-efficiënter. Daar ligt echt een spannende taak voor ons chemici: simpele ‘klikbare’ polymeren ontwerpen. Dat kan. Circulariteit en functie kun je ‘inbakken’ in je materialen. De meeste stoffen zijn nog niet gemaakt, zeg ik altijd.”
“We moeten dus aan de tekentafel en herontwerpen voor circulariteit op basis van C02 of biomassa. Dan kom je op andere moleculen uit dan nu. Katalyse speelt daar een belangrijke rol bij en ook elektrochemie: produceren met elektriciteit in plaats van hitte. En dat sluit weer aan bij een wereld die straks draait op hernieuwbare energie. Al deze onderwerpen staan ook hier in Nederland volop in de aandacht nu, bijvoorbeeld in het Chemical Building BlocksConsortium (ARC CBBC) en ook in het nieuwe groeifondsvoorstel GroenvermogenNL, consortia waar industrie en academici samenwerken. We moeten ons echt afvragen: wat willen we eigenlijk maken?”
Wat wil jij maken?
“Het liefst herontwerp ik niet alleen voor CO2-neutraliteit, voor een lagere emissie-footprint, maar voor een lagere totale milieu-footprint. We focussen nu erg op emissies. De Roadmap van de VNCI concentreert zich daar ook volledig op. Terecht, want de klimaatproblemen zijn zeer urgent. Maar de maatschappij maakt zich ook terecht zorgen over pfas, de plastic soep en luchtvervuiling. Bij herontwerp hoort daarom wat mij betreft ook safe by design. Hou rekening met end-of-life, we moeten milieueffecten minimaliseren met de keuze voor de juiste moleculen. Alles begint bij de moleculen.”
Wie gaat de nieuwe bouwstenen produceren?
“Ik zie startups ontstaan en groeien. Ook grote chemiebedrijven hebben aandacht voor biobased en solar building blocks, maar daar zie ik vooral grote plannen voor chemische recycling van bestaande materialen. In een circulaire biobased economie gaan ook de agro- en papier- en pulpindustrie een belangrijke rol spelen, nieuwe spelers in de chemie, maar met veel expertise in biomassa.”
Nieuwe feedstocks
Biobased drop-ins | Veelgebruikte grondstoffen voor de chemische industrie zoals ethyleen of butanol zijn niet alleen uit aardolie maar ook uit biomassa te produceren: biobased ethyleen en monoethyleenglycol, n-butanol en 1,3-propaandiol. Omdat ze chemisch identiek zijn, zijn deze zogeheten ‘drop-ins’ een ideale feedstock voor bestaande fabrieken en installaties; er zijn geen aanpassingen in nodig. Bruijnincx: “Biobased drop-ins zijn er, vaak op basis van fermentatie. Maar ze worstelen in de competitie met fossiele stromen omdat ze alleen op prijs moeten concurreren. In de praktijk gaat het nog vaak om bescheiden volumes.”
Kunststofafval als grondstof | Veel kunststofafval is een mix van (vervuild) plastic, ongeschikt om om te smelten en tot nieuwe producten te persen of gieten. Door het bij hoge temperaturen op te breken in kleine bouwstenen (pyrolyse of ‘kraken’) kan het opnieuw als grondstof dienen. Bruijnincx: “Je ziet zogeheten ecosystemen ontstaan in chemische recycling: verzamelaars, verwerkers en afnemers organiseren zich om het van de grond te tillen.” Een voorbeeld is te vinden op Chemelot waar SABIC samen met Plastic Energy bouwt aan een fabriek waar kunststofafval wordt omgezet in een pyrolyseolie die dient als grondstof voor SABICs nieuwe polymeren.
Circulaire building blocks | Bruijnincx ziet de laatste tien jaar meer aandacht voor groene grondstoffen. “Groene chemie als basisprincipe, en – meer recent – recycling en circulariteit.” Dat is zeker ook het geval in zijn onderzoeksgroep aan de Universiteit Utrecht. Een recente toppublicatie beschrijft een efficiënte route naar bio-aromaten uit houtsuikers. Een slimme koppeling van reacties zet de ‘verkeerde’ reactieproducten steeds opnieuw terug om, terwijl het gewenste product wordt afgevoerd. Zo lukt het een hoge opbrengst te behalen. Het idee wordt verder uitontwikkeld in een spin-off bedrijf van onderzoekspartner TNO.
CO2 en groene koolstof | In een compleet CO2-neutrale chemische industrie bestaat de feedstock uit biomassa of CO2 uit de lucht. Dat moeten de grondstoffen van de toekomst zijn. Bruijnincx: “Direct capture op schaal zie ik pas na 2050 echt substantieel worden. Met duurzame energie als beperkende factor is biomassa voorlopig de snelste route naar groene koolstof. We hebben al geleerd dat je daarbij alle duurzaamheidsaspecten moet meenemen, dus effecten op landgebruik, water en biodiversiteit.”
Makkelijk recyclebaar by design
Polyethyleen en polypropyleen zijn groot geworden omdat ze sterk en licht zijn, en bovendien goedkoop te produceren. Maar het chemisch recyclen, het opbreken in de oorspronkelijke bouwstenen, kost veel energie. “Dat kan met andere moleculen een stuk efficiënter”, aldus Bruijnincx. Een voorbeeld is een polyacetaal ontwikkeld door Cornell University in 2021. Het polymeer is stabiel tot 325 °C, maar als je een sterk zuur als katalysator toevoegt valt het bij slechts 73 °C uiteen in de monomeren. En omdat die vloeibaar zijn, zijn ze eenvoudig terug te winnen. Een ander recent voorbeeld, afkomstig van de University of Akron, is een polymeer gemaakt uit een monomeer bestaande uit twee ringen. Ringspanning zorgt ervoor dat de monomeren zich bij kamertemperatuur spontaan aaneenrijgen. Met een ruthenium katalysator valt het polymeer bij verhitting al bij 50 °C weer uiteen in de monomeren. Zonder katalysator blijft het materiaal echter tot hoge temperaturen (370 °C) stabiel.
Menu
