CO₂ als grondstof: “De technologieën zijn op weg naar volwassenheid”

Benutting van (afgevangen) CO₂ als grondstof voor nieuwe productieprocessen (CCU) is één van de mogelijke routes naar een duurzame chemiesector. De VNCI is daarom met een kernteam een voorstel aan het voorbereiden voor de derde ronde van het Nationaal Groeifonds. Drie voorbeelden van CO₂-benutting laten zien dat er verschillende benaderingen mogelijk zijn.

Tekst: Leendert van der Ent

Veel grote bedrijven vangen inmiddels CO2 bij puntbronnen af. Het doel van deze Carbon Capture is vaak Storage (CCS), een probate manier om met bestaande technologie de broeikasgasemissies snel omlaag te krijgen. Bij Carbon Capture and Utilization (CCU) zijn er nog wat fundamentele technologische en logistieke uitdagingen te overwinnen. Een verandering van grondstofstromen en processen leent zich niet voor een tijdelijke oplossing. Helaas voor beide benaderingen is de eerste C, de Capture, nog erg energie-intensief. De huidige katalytische afvanginstallaties, vooral amine-scrubbers, verlagen het netto (duurzaamheids)rendement. Verbetering vraagt om verdere innovatie. Behalve efficiëntere katalyse voor Capture is ook doeltreffender omzetting voor Utilization nodig. Utilization is behalve via chemische katalyse en elektrochemische katalyse ook mogelijk via fermentatie. En behalve afvang van een puntbron wordt voor de langere termijn ook gewerkt aan Direct Air Capture (DAC), waarbij CO2 rechtstreeks uit de omgevingslucht wordt afgevangen.

 

"Er is ruimte voor een fundamentele discussie over het traject van CO2 tot eindproduct en de meest efficiënte keuzes daarin."

 

“Wat zijn procestechnologisch gezien de meest zinvolle routes voor de duurzame inzet van C1-moleculen?” Daarmee stelt corporate scientist Industrial Microbiology Harald Ruijssenaars van Corbion, een grote producent van melkzuur uit landbouwgrondstoffen (suikerbieten), de hamvraag rond CCU. Is CO2 wel het meest logische vertrekpunt? Er zijn zes mogelijk inzetbare stoffen met één koolstofatoom. Methaan (CH4) is de minst geoxideerde en CO2 de meest geoxideerde variant. “Een deel van de complexiteit is het aantal variabelen in routes, technologieën en (eind)producten. In het algemeen geldt: hoe verder geoxideerd, hoe meer energiebenutting het zal kosten. Kies je daarbij zonlicht, waterstof of elektriciteit als bron?”

Voedingsketen

CEO en medeoprichter Pete Rowe van het Brits-Nederlandse Deep Branch, dat eiwitrijke ingrediënten voor diervoeders produceert uit afgevangen CO2, bekijkt CO2 als grondstof positiever: “We hoeven met bio-processen niet volledig afhankelijk te zijn van alleen hoogwaardiger koolstofbronnen in een suiker-gebaseerde economie. Dan is het mooi als je ook CO2-gebaseerde producten die geen landbouwgrond gebruiken in de voedingsketen kunt inbrengen.”


Lees ook | Melkzuur maken met licht en lucht, Photanol gaat productie op demoschaal bewijzen


“De vraag is verder”, voegt chief science and sustainability officer Marcel Wubbolts van Corbion toe, “of je die C1-moleculen beter direct of indirect kunt omzetten. Wij benutten bij de productie van melkzuur uit plantsuikers tot nu de indirecte manier. Planten of algen nemen namelijk de CO2-afvang via (natuurlijke) Direct Air Capture voor hun rekening. Dat maakt energie-intensieve CO2-afvang voor ondergrondse opslag vanuit economisch oogpunt tot een minder voor de hand liggende optie.”

Het lijkt hem bij CCU zinvol om dat ook in het oog te houden: “Je kunt allerlei routes voor CCU ontwerpen. Maar vergeet daarbij de groene plant als benchmark niet. Er is ruimte voor een fundamentele discussie over het traject van CO2 tot eindproduct, inclusief biomassa, en de meest efficiënte keuzes daarin.”

Beprijzing

De dynamiek van CO2-beprijzing compliceert dit vraagstuk nog verder, vinden Wubbolts en ook Annelie Jongerius, technology manager bij Avantium, dat werkt aan de elektrochemische omzetting van CO2 naar mierenzuur. Zij zegt: “De huidige CO2-heffing geldt alleen voor (directe) uitstoot van fossiele CO2 naar de lucht. Het geldt niet voor de CO2 in de grondstof. Als de CO2 in een product wordt ingebouwd en na de gebruiksfase alsnog vrijkomt, geldt de heffing niet. Dat zit de snellere toepassing van CCU in de weg.”


Photanol en Corbion: fotosynthese mogelijk efficiënter

In Delfzijl produceert Photanol in een demoplant sinds 2021 melkzuur en een tweede organisch zuur. Via fotosynthese zetten cyanobacteriën met behulp van zonlicht CO2 om. Corbion is als partner betrokken. Het bedrijf volgt de efficiëntie van het Photanol-proces en werkt aan het opwerken van het melkzuur uit het proces. Vanwaar die betrokkenheid? Wubbolts (Corbion): “Dit fotosynthetische proces laat zich beter met plantengroei in de landbouw vergelijken en is mogelijk efficiënter. De directe omzetting van CO2 in melkzuur door cyanobacteriën met behulp van zonlicht slaat in feite suiker als grondstof over. Het rekent anders, ook omdat CO2-beprijzing een grote rol zal spelen.”

Corbion is betrokken bij het Photanol-proces, waarbij bacteriën met behulp van zonlicht CO2 omzetten.

Wubbolts: “Het European Trade System (ETS) bepaalt mede welke productieroutes rendabel zijn. Ook het aankomende, verwante Carbon Border Adjustment Mechanism (CBAM) doet dat, doordat dit het gebruik van lokale, groene grondstoffen bevordert.”

Beprijzing is een goed middel, vindt Wubbolts, mits het juist wordt toegepast. “Nu wordt alleen het vermijden van fossiele uitstoot beloond en benutting van biobased grondstoffen niet. Ook plastic meermaals recycleren en dan verbranden levert in het huidige systeem niets op.” Jongerius: “Bij specifieke energietoepassingen, zoals de inzet van zonnecellen en de productie van groene waterstof, is zo’n onderscheid er niet. Als je de chemische industrie sneller wilt verduurzamen, kun je dit onderscheid beter afschaffen.”

Elektrochemie

Het weerhoudt Avantium niet van de keuze voor biobased grondstoffen. Jongerius: “Maar het landgebruik door biomassaproductie voor de chemie maakt dat wij ook naar andere oplossingen kijken. Wij zien ook een grote rol voor CCU via elektrochemie.” Dat gaat in eerste instantie over de omzetting naar formiaat en daarna naar mierenzuur. Voor de langere termijn werkt Avantium aan de complexere, maar ook hoogwaardiger elektrochemische omzetting naar monomeren voor plastics. “Het commercialiseren van elektrochemische productie van chemicaliën met CO2 als grondstof is voor ons een belangrijk proces voor de toekomst”, aldus Jongerius.  

Ook Deep Branch zit voor de lange termijn in CCU. Het baseert zijn Utilization op fermentatietechnologie. Die is uitgangspunt voor “hoogwaardige ingrediënten voor een duurzamere en robuustere voedselvoorziening”, aldus Rowe. Met dit productieproces slaat het bedrijf twee vliegen in één klap: minder uitstoot van broeikasgassen en een duurzame vervanging van vismeel en soja als eiwithoudend ingrediënt voor diervoeding. Een belangrijke hoeveelheid zal in eerste instantie worden verkocht aan een Deense toeleverancier van zalmkwekerijen.

Visvoer met 70 procent eiwit uit CO2.

 

En het voldoet ook uitstekend als pluimveevoeder – een Britse afnemer uit die sector staat al klaar. In die hoek kan Deep Branch met een product dat geen beslag op kostbare landbouwgrond legt intensief geteelde soja en maïs vervangen. “In noordelijk Europa kunnen we met landbouw-gebaseerde diervoeding moeilijk concurreren met warme regio's die twee groeiseizoenen per jaar hebben. Wij stellen daar een biotechnologisch alternatief tegenover.”

Winnaar

“Er zijn veel ontwikkelingen gaande in het upgraden van CO2 waar de chemische industrie en de fermentatie-industrie iets mee kunnen”, resumeert Ruijssenaars van Corbion. “De technologieën zijn op weg naar volwassenheid. Daarmee is het in dit stadium nog te vroeg om een duidelijke winnaar aan te wijzen. Wij zullen voor onze melkzuurproductie geen eigen productie van C1-moleculen gaan bedrijven. Zodra een of meer winnaars zich aandienen, zullen we degene kiezen die het best aansluit bij ons proces.”

 

"Het European Trade System bepaalt mede welke productieroutes rendabel zijn."

 

CO2 (biobased) en (groene) waterstof komen tijdens de energietransitie steeds meer voorhanden. En mocht de CO2-afvang bij puntbronnen na verloop van tijd verminderen: in vijftien tot twintig jaar kan Direct Air Capture mogelijk ook volgroeide technologie zijn.


Avantium: vindt het wiel uit

Het elektrochemie-team van Avantium ontwikkelt een proces voor de omzetting van CO2 naar formiaat in één elektrochemische stap. Jongerius: “Proof of principle was er al. We zijn het proces in het kader van EU Horizon 2020 OCEAN onder industrieel relevante condities aan het testen in de RWE Energiecentrale in Niederaußem.” Daarmee behoort Avantium tot de voorlopers. Het geproduceerde formiaat wordt in een tweede stap omgezet in mierenzuur. Dat is bijvoorbeeld een bruikbare grondstof voor de productie van melkzuur. Een tweede testopstelling voor EU Horizon 2020 RECODE in Griekenland is bijna operationeel. De bron is hier een cementfabriek.

Voorspellen wanneer zo’n nieuwe technologie operationeel zal zijn is lastig. Onder het nodige voorbehoud schat Jongerius de weg naar testen op operationele schaal op een aantal jaren. “Vervolgens hebben we ook de nodige tijd nodig om van een testopstelling naar operationele productie te gaan. Er zijn nog weinig voorbeelden van opschaling van elektrochemische processen. We vinden hier echt het wiel uit.”


Deep Branch: van CO2 naar eiwit

Technologieplatform Deep Branch gaat uit 99,9 procent pure CO2-ingrediënten voor diervoeding produceren met 70 procent eiwit, onder de naam Proton. De CO2 komt uit bijvoorbeeld de uitstoot van de biomassacentrale Drax in Yorkshire (UK). Een amine-scrubber vangt de CO2 af, waarna het tot hoge zuiverheid wordt opgewerkt. Andere bronnen van CO2-uitstoot, zoals in de Rijnmond, worden momenteel ook bestudeerd op bruikbaarheid.

Volgens CEO Rowe zit de doorbraak in twee engineeringsaspecten: “Je hebt een uitstekend gecontroleerde fermentatie-omgeving nodig in combinatie met een volledig veilige toepassing van waterstof en zuurstof. Die combinatie hebben wij ontwikkeld.” In het continue productieproces – een biochemische pendant van fotosynthese – gaat de CO2 met waterstof, water en micronutriënten een bioreactor in. De (non-GMO) micro-organismen produceren hierin eencellige eiwitten. Zuivering of extractie zijn verder niet nodig, drogen volstaat om ingrediënten voor voer voor de zalmkweek met de gewenste samenstelling van 70 procent eiwit en weinig vezels te maken.

In mei 2022 startte in Geleen de productie op pilotplant-schaal: 10 ton per jaar, vooralsnog met ‘food grade’ CO2 van Air Liquide. Over twee tot drie jaar moet die productie 250 tot 500 ton bedragen, als opmaat naar 100.000 ton aan het eind van het decennium. Vijf mogelijke locaties in Noordwest-Europa die over de benodigde infrastructuur beschikken zijn daarvoor in de race. De logistiek richting de afnemer in Denemarken is daarbij een relevante factor.