CO2 bevat koolstof en kan worden gebruikt als basisgrondstof voor chemicaliën, synthetische brandstoffen, bouwmaterialen en vele andere toepassingen. Carbon capture & utilization/CO2-captatie bevindt zich momenteel nog op laboratoriumschaal. Voor opschaling en een brede uitrol is het nog te vroeg. Met haar ruime expertise werkt VITO over de volledige breedte mee aan het onderzoek naar CCU: van het wetenschappelijke en technische luik tot het economische plaatje.
In het klimaatakkoord van Parijs uit 2015 werd afgesproken om de opwarming van de aarde tegen 2100 te beperken tot maximaal 2 graden – liefst 1,5 graden. Dat is gemakkelijker gezegd dan gedaan, want het betekent dat de wereldwijde broeikasuitstoot de komende decennia drastisch naar beneden moet. Van CO2 (het belangrijkste broeikasgas) zou er dit decennium elk jaar al 900 miljoen ton minder de atmosfeer in mogen. De huidige jaarlijkse CO2-emissie ligt op 35 miljard ton.
In 2050 zou die uitstoot nog hoogstens 13 miljard ton mogen bedragen. In 2070 zou ze op nul moeten staan. Dat lijkt misschien volkomen onrealistisch, maar het gaat om een netto-uitstoot. Ook zogenaamde negatieve emissies, waarbij CO2 uit de atmosfeer wordt gehaald, worden in de berekening meegenomen.
CO2-captatie heeft een economische en ecologische meerwaarde
Tot voor kort werden technologieën voor negatieve emissies vooral ondergebracht in de categorie carbon capture & storage (CCS). Maar de laatste jaren is daarop een uitbreiding met meer potentieel gekomen: carbon capture & utilization (CCU). Daarbij wordt de afgevangen koolstof verwerkt en zoveel mogelijk hergebruikt, het liefst in toepassingen met een economische én een ecologische meerwaarde. In zekere zin wordt zo teruggegrepen naar het fotosyntheseproces in de natuur, want het aanplanten van bomen of van bepaalde gewassen kan worden gezien als een natuurlijke variant van CCU.
CCU verschilt dus van CCS, waarbij koolstof massaal wordt opgeslagen, bijvoorbeeld ondergronds –wat nog altijd zeer gevoelig ligt en bovendien economisch onhaalbaar lijkt. Bij CCU wordt CO2 (en blijft vaak ook) opgeslagen in producten en toepassingen. Nog een verschil met CCS is de complementariteit van CCU met (andere) emissieverlagende strategieën, zoals een doorgedreven decarbonisering van de elektriciteitsproductie, een verhoging van de koolstofefficiëntie in de procesindustrie en maximaal koolstofhergebruik bij de fabricage van plastics.
Dankzij CCU CO2 omzetten in brandstof
CCU is bijzonder interessant voor de verduurzaming en vergroening van de chemische industrie. Die stoot immers niet alleen grote hoeveelheden CO2 uit – via energieopwekking en productieprocessen – maar ze steunt ook heel sterk op koolstof als grondstof.
Hoewel de broeikasuitstoot van de chemische industrie globaal relatief beperkt is (4% in Europa) ligt dit aandeel in het sterk geïndustrialiseerde Vlaanderen veel hoger. Hier is de chemische industrie goed voor liefst 11,7 % van de Vlaamse uitstoot. Naast efficiëntieverhoging van processen en doorgedreven elektrificatie kan onze chemische industrie dus ook baat hebben bij CCU.
Door CO2 en waterstof op een gecontroleerde manier en met behulp van een katalysator te laten reageren, kunnen diverse chemische bouwstenen worden aangemaakt, zoals syngas en methanol. Deze kunnen vervolgens verder omgezet worden naar hernieuwbare brandstoffen of chemische producten zoals plastics – dit is de thermokatalytische route. CO2 en water kunnen met behulp van elektrolyse ook omgezet worden in bouwstenen voor de bulkchemie, zoals mierenzuur – dit is de zogeheten elektrokatalytische route.
Binnen beide routes spelen katalysatoren dus een hoofdrol, waardoor de link met het materialenonderzoek nooit ver weg is. Er wordt hard gewerkt aan een nieuwe generatie heterogene katalysatoren die de efficiëntie van deze processen substantieel kunnen verhogen. Dit gebeurt onder meer via 3D-printing van katalysatoren, van CO2-afvangers en van gasdiffusie-elektroden.
Chemische sector belangrijke stakeholder in CO2-captatie
Het is duidelijk dat de chemische sector – energie-intensief en met een hoge CO2-emissie – een belangrijke stakeholder is in het CCU-verhaal. Bovendien kan ze vanuit haar traditionele rol van innovator een kickstart geven aan de uitrol en ontwikkeling van CCU-technologieën en –projecten in andere sectoren.
Daarmee versterkt de chemische industrie ook haar positie van enabler in de hernieuwbare energietransitie – bijvoorbeeld door in een vereenvoudigde opslag en transport van energie te voorzien, in de vorm van ‘groene’ moleculen geproduceerd met intermitterende stroombronnen zoals zon en wind. De koppeling van CCU met het toekomstige aanbod hernieuwbare energie wordt onderzocht. De benodigde CO2-stromen hiervoor kunnen overigens ook van andere sectoren komen, zoals de staalindustrie.
CO2-neutrale bouwmaterialen dankzij CCU
Ook de bouw- en constructie-industrie kan baat hebben bij CCU om te verduurzamen. De productie van bouwmaterialen draagt immers sterk bij aan de klimaatopwarming. Het aandeel van beton in de menselijke CO2-uitstoot ligt globaal bijvoorbeeld tussen 5 à 8 % – wat grotendeels komt door de productie van cement. Ook hier kan CCU helpen om de emissies naar beneden te brengen.
Door een reactie genaamd carbonatatie – die in de aardkorst zorgt voor de aanmaak van nieuw gesteente – onder optimale omstandigheden en bij hoge CO2-concentratie te versnellen, kunnen alternatieve bouwmaterialen worden gemaakt zonder gebruik van cement. VITO werkt actief aan de ontwikkeling van deze ‘CO2-neutrale bouwmaterialen en grondstoffen’. Hierbij wordt typisch gebruik gemaakt van calcium- of magnesiumhoudende minerale grondstoffen afkomstig uit diverse industriële sectoren (energie, staal, bouw …).
Een bijkomend voordeel van deze technologie is dat ze ook een belangrijke bijdrage levert aan het duurzame gebruik van grondstoffen. CCU wordt op deze manier gekoppeld aan de transitie naar een circulaire economie en een duurzamer materialenbeleid, twee belangrijke speerpunten voor de Vlaamse en Europese economie.
Slimme opschaling van elektrochemische reacties
Het verbeteren van de procesefficiëntie van de katalytische reacties is op dit moment de grootste uitdaging. Op dit vlak kan VITO bogen op de expertise die werd opgebouwd in een jarenlange samenwerking met de onderzoeksgroep Toegepaste Elektrochemie en Katalyse (ELCAT) van de Universiteit Antwerpen.
Bij VITO en UAntwerpen wordt geprobeerd om elektrochemische reacties die goed werken in het lab, op te schalen. Dit zowel op het vlak van omzetting (actievere reacties, waardoor er meer eindproduct kan worden gemaakt met minder energie) als van tijd (snellere en stabielere reacties).
Tegelijkertijd laat VITO haar expertise in techno-economische analyses los op die opschaling, zodat de verschillende parameters kunnen worden geoptimaliseerd met het oog op de economische haalbaarheid van de eindtoepassing. Zo brengt VITO de technologie stapje voor stapje van labo- naar pilootschaal.
De verduurzaming en de versterking van de Vlaamse economie en industrie behoren tot de kernmissie van VITO. Het onderzoek naar CCU moet ook in dat licht worden gezien. Daarom gebeurt het ook vanuit verschillende onderzoeksdomeinen, zodat alle aspecten van CCU gedekt zijn: het fundamenteel scheikundige, de engineering, het techno-economische … De focus ligt daarbij niet alleen op Vlaanderen, maar ook op Europa.
In het onderzoek wordt gekeken naar de volledige waardeketen, van de afvang van CO2 aan de schoorsteen of uit de lucht tot het op de markt brengen van het eindproduct. Het maakt van CCU het onderwerp van een zeer breed onderzoeksveld. Maar in de kern is de uitdaging dezelfde: het verminderen van de broeikasuitstoot en het omzetten van CO2 in producten met economische waarde.
CO2 afvangen uit rookgassen of de omgevingslucht – onze focusEr zijn 10 manieren waarop CCU tot een daling van de CO2-uitstoot kan leiden. VITO focust vooral op de technologische CCU-oplossingen waarbij CO2 wordt afgevangen en samengebracht uit rookgassen of uit de omgevingslucht (zie kader ‘Direct air capture’). Het broeikasgas kan dan als grondstof worden gebruikt bij de industriële fabricage van koolstofgebaseerde producten. Bij het onderzoek naar CCU zijn drie onderzoeksdomeinen van VITO betrokken: duurzame chemie, duurzame energie en duurzame materialen. De link met de industrie is daarbij nooit ver weg: VITO hecht zeer veel belang aan CCU-oplossingen die deze sectoren kunnen verduurzamen. CCU zal enkel een doorbraak kennen en op brede schaal geïmplementeerd kunnen worden als het totaalplaatje klopt. Het spreekt voor zich dat er voor elke mogelijke toepassing van bij het begin van het onderzoekstraject enig potentieel moet zijn voor waardecreatie. En natuurlijk moet de totale CO2-emissie in elke waardeketen lager zijn dan de klimaatimpact van alternatieve processen – om niet in het straatje van greenwashing terecht te komen. Deze focus op het totaalplaatje maakt het tot een erg complex verhaal. afbeelding: © Hepburn et al., 2019, NATURE
|
Direct air capture als negatieve emissie om emissiedoelstellingen te halen
Voorlopig wordt de benodigde CO2 voor potentiële CCU toepassingen grotendeels afgevangen boven schoorstenen van fabrieken (zogenaamde industriële puntbronnen). Maar het broeikasgas kan ook rechtstreeks uit de lucht worden gehaald, hoewel de concentratie daar natuurlijk aanzienlijk lager ligt. Deze aanpak wordt direct air capture genoemd (DAC). DAC kan als negatieve emissie helpen om de vooropgestelde emissiedoelstellingen voor CO2 te bereiken. Omdat dit vandaag nog een dure technologie is, zoekt VITO naar strategieën en ontwikkelingen om de kosten van de CO2-afvang te laten dalen en op termijn de voorimplementatie ervan op het terrein te versnellen.
CO2-captatie onderzoek Capture van UAntwerpen, UGent en VITO
In 2019 kwam een multidisciplinaire samenwerking tot stand tussen UAntwerpen, UGent en VITO om radicale technologische innovaties binnen Vlaanderen inzake CCU te versnellen. Binnen dit Capture-initiatief kunnen verschillende onderzoeksprogramma’s rond de afvang, de scheiding en de omzetting van CO2 worden opgezet, en dit binnen verschillende stadia van technologieontwikkeling. De strategische samenwerking tussen UAntwerpen en VITO is ook in dit initiatief ingebed. En draait vooral rond katalyse (UAntwerpen) en ondersteunende competenties zoals opschaling en techno-economische analyses (VITO).
‘Het is een en-en-verhaal’, zegt Tom Breugelmans van de UAntwerpen. ‘Er zijn heel veel beschikbare technologieën en mogelijke CCU-oplossingen. Door onze krachten te bundelen gaan we op zoek naar de ideale combinatie. De hele levenscyclusanalyse moet daarbij kloppen.’ Het uiteindelijke doel is de opgebouwde kennis te valoriseren en zo de Vlaamse industrie tegemoet te komen. Dit zal gebeuren door KMO’s en grote bedrijven eerstelijnstoegang te geven tot de onderzoeksresultaten, en door hen op te nemen in een levendige en diverse business community.
