Van broeikasgas tot grondstof: CCU als wapen tegen de klimaatopwarming

Vijf jaar geleden werd het historische klimaatakkoord van Parijs ondertekend. Daarin werd afgesproken om de opwarming van de aarde tegen 2100 te beperken tot maximaal 2 graden – idealiter 1,5 graden. Dat is gemakkelijker gezegd dan gedaan, want het betekent dat de mondiale 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 belanden (de huidige jaarlijkse CO₂-emissie ligt op 35 miljard ton). In 2050 zou die uitstoot nog hoogstens 13 miljard ton mogen bedragen, en in 2070 zou ze nihil moeten zijn. Dat laatste lijkt misschien volkomen onrealistisch, ware het niet dat het om een netto-uitstoot gaat. Ook zogenaamde negatieve emissies, waarbij CO₂ aan de atmosfeer wordt onttrokken, worden immers in de berekening meegenomen.

Economische en ecologische meerwaarde

Tot voor kort werden technologieën voor negatieve emissies vooral ondergebracht in de categorie carbon capture & storage, oftewel CCS. Maar de laatste jaren is daarop een uitbreiding met meer potentieel voor het voetlicht getreden: carbon capture & utilization, oftewel CCU. Daarbij wordt de afgevangen koolstof verwerkt en zoveel mogelijk hergebruikt, het liefst in toepassingen met zowel een economische als 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 – iets 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.

CCU binnen VITO

In grote lijnen zijn er tien ‘paden’ waarlangs CCU een bijdrage kan leveren aan de daling van de CO₂-uitstoot. In deze figuur staan ze allemaal opgesomd.

VITO focust vooral op de technologische CCU-oplossingen waarbij CO₂ wordt afgevangen en samengebracht uit rookgassen of uit de omgevingslucht (zie stuk ‘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 dan ook zeer veel belang aan CCU-oplossingen die de overeenkomstige sectoren kunnen verduurzamen.

CCU zal enkel een doorbraak kennen en op brede schaal kunnen worden geïmplementeerd 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 – teneinde niet in het straatje van greenwashing terecht te komen. De focus op het totaalplaatje maakt het wel tot een zeer complex verhaal. Dankzij haar veelheid aan expertises is VITO hiertoe echter uitstekend uitgerust.

Drie VITO-domeinen

CCU is bijzonder interessant voor de verduurzaming en vergroening van de chemische industrie. Die stoot immers niet alleen grote hoeveelheden CO₂ uit – zowel via energieopwekking als via productieprocessen – maar ze steunt ook heel sterk op koolstof als grondstof. Hoewel de broeikasuitstoot van de chemische industrie globaal relatief beperkt is (in Europa is ze verantwoordelijk voor 4 procent van de broeikasgassen) ligt dit aandeel in het sterk geïndustrialiseerde Vlaanderen veel hoger. In onze regio is de chemische industrie goed voor liefst 11,7 procent 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 katalysators dus een hoofdrol, waardoor de link met het materialenonderzoek nooit ver weg is. Vanuit de VITO-units Duurzame chemie en Duurzame materialen wordt dan ook naarstig gewerkt aan een nieuwe generatie heterogene katalysators die de efficiëntie van deze processen substantieel kunnen verhogen. Dit gebeurt onder meer via 3D-printing van katalysators, van CO₂-afvangers en van gasdiffusie-elektroden.

Het staat dan ook buiten kijf 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 hoedanigheid 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 hernieuwbare-energieaanbod wordt onderzocht binnen de VITO-unit Duurzame energie. De benodigde CO₂-stromen hiervoor kunnen overigens ook van andere sectoren komen, zoals de staalindustrie.

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 procent – wat grotendeels op het conto komt van 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 binnen haar domein Duurzame materialen 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

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. Zowel bij VITO als de UAntwerpen wordt getracht om elektrochemische reacties die goed werken in het lab, op te schalen (zie stuk ‘CO₂ in de pijplijn’). 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 in het kader van 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 units en 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 de vermarkting 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.

Direct air capture

Vooralsnog 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 verschillende grootte-ordes lager ligt. Deze aanpak wordt direct air capture genoemd, oftewel DAC.

DAC kan als negatieve emissie helpen om de vooropgestelde emissiedoelstellingen voor CO₂ te bereiken. Vermits deze technologie vandaag nog duur 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 in de pijplijn

In 2019 kwam een multidisciplinaire samenwerking tot stand tussen de UAntwerpen, de 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.

Binnen dit initiatief ligt ook de al langer bestaande strategische samenwerking tussen de UAntwerpen en VITO ingebed, die vooral draait rond katalyse (vanuit de UAntwerpen) en ondersteunende competenties zoals opschaling en techno-economische analyses (vanuit VITO). ‘Het is een en-en-verhaal’, zegt Tom Breugelmans van de UAntwerpen. ‘Er zijn heel veel beschikbare technologieën en mogelijk 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 zowel KMO’s als grote bedrijven eerstelijnstoegang te verlenen aan de onderzoeksresultaten, en door hen op te nemen in een levendige en diverse business community.

capture-resources.be/capture