Smetteloos plastic door chemische recycling

Afvalplastic recyclen tot ‘maagdelijke’ kwaliteit. Dat is alleen te bereiken via chemische recycling. Wereldwijd zijn honderden kleine en wat grotere demonstratiefabrieken hiervoor net opgestart, in aanbouw of in de planning. Deel 2 van een tweeluik over plastic recycling.

Tekst: Marga van Zundert

“Vijf jaar geleden kreeg pyrolyse van plastics weinig aandacht, maar ik merk nu echt wil én urgentie bij politiek en bedrijfsleven”, vertelt Sascha Kersten, hoogleraar Sustainable Process Technology aan de Universiteit Twente. Recycling gebeurt al decennialang mechanisch, maar lang niet al het afvalplastic kan zo worden hergebruikt. Dat geldt zelfs voor bijna driekwart van ons huishoudelijk afvalplastic. Het is een mix van verpakkingsfolies en ander single-use plastic met her en der etiketten, een verdwaalde bananenschil en andere vervuiling. Betere uitsortering en opschoning is technisch lastig en dus prijzig, waardoor het de verbrandingsoven in gaat, wat nog wat energie oplevert.

Fabriek van BlueAlp in Oostende

 

Via pyrolyse, een vorm van chemische recycling, kan dit afval echter worden omgezet in een olie die kan dienen als uitgangsstof voor nieuw, maagdelijk plastic. Dat klinkt ideaal, maar volgens Martijn Broeren, onderzoeker/adviseur Ketenanalyse bij milieuadviesbureau CE Delft, is er een belangrijk nadeel: “Mechanische recycling vermindert de carbon footprint met 2,5 tot 3,5 kilo CO2 per kilo afvalplastic vergeleken met verbranding, bij pyrolyse is dat ongeveer 1,5 kilo CO2.” Mechanisch recyclen is milieuvriendelijker, zegt ook Kersten, “maar dat kun je maar een paar keer toepassen; de kwaliteit lijdt eronder. Chemische recycling heb je dus óók altijd nodig in een circulaire economie.”


Het ‘geheim’ van pyrolyse

Wat een pyrolyse-installatie precies ‘eet’ is een beetje “het geheim van de kok”, vertelt Kuijpers (SABIC). We mogen weten dat het in Geleen gaat om “gesorteerde stromen polyolefines waarin de gehaltes aan polystyreen of PVC beperkt zijn.” Hoogleraar Sustainable Process Technology Kersten: “Het liefst wil je dat je pyrolysefabriek alle afvalplastic aankan en dat er olie uitstroomt die rechtstreeks een kraker in kan.” Maar die twee wensen zijn onverenigbaar. Polyesters en vocht in het afval zorgen bijvoorbeeld voor ongewenste zuurstof en een niet-optimale verhouding koolstof/waterstof. “Pyrolyse is helaas geen magie”, stelt Kersten. “Wat je er instopt komt er ook uit.” BlueAlps co-CEO De Neve noemt het uitdagingen. “Waar los je wat op is een belangrijke vraag in pyrolyse. Naast het pyrolyseproces zelf zet je een aantal specifieke technieken in om je opbrengst te maximaliseren.”

Volgens Kersten moeten we daarbij denken aan adsorptie, wasprocessen, hydrogenering en de inzet van katalysatoren. Voer je alles netjes uit, dan haal je nu uit plastic afval ongeveer 70 procent olieopbrengst, op basis van koolstof. Dat verwerk je weer tot nieuwe plastics zodat je uiteindelijk rond de helft van je plastic afval hebt omgezet in kraakvers nieuw plastic.

De helft van het materiaal gaat dus verloren? Kersten: “De technologie is nog jong, hier is zeker nog winst te halen. Maar de thermodynamica kun je niet verslaan, je hebt energie nodig om polyolefinen op te breken, die haal je overigens wel uit verbranding van een deel van wat de installatie ingaat.”


“En dat gaat nu echt lopen”, ziet Kersten. Ook zijn eigen onderzoeksgroep, voorheen vooral gericht op pyrolyse van biomassa is ‘om’. Al het nieuwe onderzoek draait om de productie van pyrolyseolie uit afvalplastic bij hoge temperaturen. Die olie dient weer als grondstof voor ‘verse’ kunststoffen waarmee de cirkel van plastic rond is. Dat is ook hard nodig, want om in 2030 de klimaatdoelstelling van 50 procent CO2-reductie per kilo kunststof te bereiken, zal verbranding van afvalplastic geminimaliseerd moeten worden, terwijl nu bijna driekwart in de oven belandt.

Embryonale fase

Het grootste deel van het lastig te recyclen plastic bestaat uit een mix van de olefinen polyethyleen (PE) en polypropyleen (PP), bekend van plastic zakjes en folies, maar ook water- en gasleidingen, jerrycans en auto-onderdelen. Door het materiaal kort en snel te verhitten tot 500-550 graden Celsius breken de lange moleculen op tot kortere ketens, een vrij random proces. Doel is de olie of wasachtige stof die zo ontstaat te voeden aan een kraker, te vinden op elke petrochemische site. Meestal gaat het om een stoomkraker die normaliter nafta uit aardolie omzet in etheen, de grondstof voor PE.


CM in het kort | Boodschappen: wat te doen  met de plastic verpakkingen?


Nieuw is pyrolyse niet, benadrukt Kersten. Je kunt de technologie ervoor kopen, en er draaien al pyrolysefabrieken “van enige omvang”. Toch zit die technologie in een “embryonale fase”, stelt Frank Kuijpers, general manager Corporate Sustainability bij SABIC, waar een pyrolysefabriek voor plastic afval in aanbouw is en eind dit jaar een SABIC-kraker op Chemelot continu met pyrolyseolie zal voeden. Jaarlijks gaat het om 20 kton (kiloton = miljoen kilo) olie. “Een beginnetje”, vindt Kuijpers, “want dat is welgeteld één procent van de totale feedstock van de kraker. Het moet nog zeker een factor tien tot twintig groter.” SABIC nam het initiatief voor de pyrolysefabriek samen met de Britse start-up PlasticEnergy.

Shell verwerkt in Norco en Moerdijk al in heel beperkte hoeveelheden pyrolyseolie, maar dat gaat in Moerdijk veranderen. BlueAlp heeft het ontwerp klaar voor een pyrolyse-installatie voor de productie van 30 kton pyrolyseolie en is bij Shell Moerdijk gestart met de bouw. De installatie is geen ‘omnivoor’, aldus co-CEO Jack Eggels van BlueAlp, maar verwerkt wel een relatief brede stroom gemengd, vervuild plastic. “Stromen die nu worden verbrand of gestort, uit huisvuil, maar ook van andere bronnen.” Verwachte start van de fabriek is begin 2024.

Wetgeving

SABIC en BlueAlp zijn niet de enigen die bouwen aan een pyrolysefabriek. Kuijpers: “Er zijn zeker honderden initiatieven wereldwijd, maar allemaal nog beperkt van schaal en het zijn zelden continue processen zoals wij hebben en wat een voorwaarde is voor verdere schaalvergroting.”

Wat is er bij SABIC nog nodig voor snelle, verdere uitrol? Kuijpers: “Je praat over forse investeringen, denk aan vele honderden miljoenen voor een full scale fabriek. Dat vraagt om bepaalde garanties in wetgeving. De CO2-credits belanden bijvoorbeeld nu niet bij ons, maar bij de vuilverbranders die minder verbranden. De politiek denkt mee over een oplossing, maar dat zijn lange trajecten.”

"De thermodynamica kun je niet verslaan, je hebt energie nodig om polyolefinen op te breken."

Co-CEO Valentijn de Neve van BlueAlp benadrukt het belang van samenwerking in de keten, of beter gezegd: de cirkel. Het plastic gaat van producent naar product, naar gebruiker(s), naar afvalverzamelaar, naar sorteerder, naar recycler en vervolgens opnieuw naar een producent. “BlueAlp is maar één van die benodigde schakels: een leverancier van technologie en advies. Om de boel echt los te trekken moeten veel partijen de armen om elkaar heen slaan.” Ook niet onbelangrijk: wie gaat de uitrol realiseren? Eggels: “Wij groeien op dit moment hard, daarvoor hebben we technisch geschoolde mensen nodig. Gelukkig willen vooral jonge mensen graag een bijdrage leveren aan de transitie naar een circulaire economie, maar dan nog is personeel schaars.”

Coca-Cola

Niet alles is polyethyleen (PE) en polypropyleen (PP). Er zijn ook kunststoffen die met minder energie chemisch te recyclen zijn. Zoals polystyreen (veel gebruikt voor goedkope geperste voorwerpen zoals wegwerpbekertjes en frietbakjes en voor ‘piepschuim’) en polyester (onder andere kleding, vitrage en transportbanden). Dat komt omdat ze niet random opbreken maar op de plekken waar de bouwstenen eerder aan elkaar werden geschakeld; het maakproces wordt omgekeerd: depolymerisatie. Na het afscheiden van de vervuiling zijn de delen daarom ook makkelijk weer aaneen te rijgen tot nieuwe, frisse kunststoffen. Volgens CE Delft bespaart deze recyclemethode ongeveer drie kilo CO2 per kilo afvalplastic, tweemaal meer dan pyrolyse. Al is dat een wat kromme vergelijking, want de PE/PP depolymeriseren lukt niet.


Lees ook | Coca-Cola Europacific Partners investeert in recyclingstartup CuRe in Emmen


De thermoplastische polyester PET (polyethyleentereftalaat), veel gebruikt voor voedselverpakkingen zoals drankflessen, is prima te depolymeriseren door hydrolyse of glycolyse, weet Jan Jager, lector Circular Plastics bij NHL Stenden Hogeschool. Hij is betrokken bij de start-up CuRe Technology die samen met onder andere Coca-Cola bouwt aan een proeffabriek (20 kilo afvalplastic per uur) in Emmen. Ook de Eindhovense start-up Ioniqa ontwikkelde een depolymerisatieprocedé voor polyesters en heeft sinds 2019 een 10 kton pilotplant voor PET.

Om in 2030 50 procent CO2-reductie per kilo kunststof te bereiken zal verbranding van afvalplastic geminimaliseerd moeten worden.

PET-afval bevat vaak kleine hoeveelheden andere plastics zoals PE of PA (polyamide), gebruikt in een dunne laag om voedselverpakkingen beter lucht- of vochtdicht te maken, plus voedselresten, etiketten en inkt. Ze kunnen worden verwijderd met was-, filter- of absorptieprocessen zodra het polymeer (deels) is afgebroken. Het resultaat is uiteindelijk nieuw, transparant polyester. Ook polyester tapijt, kleding of autogordels kunnen zo worden gerecycled. Polyester upcycling aldus Ioniqa; polyester rejuvination volgens CuRe. Jager onderzoekt inmiddels of ook ‘polykatoen’, een in de textielindustrie veelgebruikte mix van katoen en polyester, via deze route te recyclen is in puur polyester én puur katoen.


Fabrieken (in aanbouw) voor pyrolyse van afvalplastics in NL

  • SABIC & Plastic Energy. 20 kton pyrolyseolie per jaar. Chemelot. In aanbouw, opstart verwacht eind 2022.
  • Pryme. 30 kton pyrolyseolie per jaar. Rotterdam. In aanbouw, opstart in 2022. 
  • BlueAlp &Shell. 30 kton pyrolyseolie per jaar. Moerdijk. In aanbouw, opstart verwacht begin 2024. 
  • Xycle (joint-venture NoWit, Patpert Teknow Systems en Vopak). 20 kton pyrolyseolie per jaar.
  • Europoort. Start bouw verwacht in 2022, opstart in 2023. 
  • Itero. 19 kton pyrolyseolie per jaar. Chemelot. Bouw aangekondigd, opstart verwacht in 2024.
  • Dow, Fuenix & Haldor Topsoe. 10 kton pyrolyseolie per jaar. Terneuzen. Bouw aangekondigd.
  • Neste, Ravago & Alterra Energy. Ongeveer 38 kton pyrolyseolie per jaar. Vlissingen. Aangekondigd.
  • Teijin Aramid & Clariter. Omvang onbekend. Delfzijl. Aangekondigd. Specifiek voor supersterk (hoogmoleculair) PE (visnetten, touwen, luchtvaartcontainers).
  • Blue Cycle. 16,5 miljoen liter pyrolyserolie per jaar. Heerenveen. Productie start in oktober 2022.

In het Belgische Oostende heeft BlueAlp met Renasci in 2021 ook een fabriek opgestart, voor 12 kton pyeolyseolie per jaar, met mogelijke uitbreiding in 2022.

SABIC & Plastic Energy bouwen op Chemelot een fabriek voor 20 kton pyrolyseolie per jaar. Opstart verwacht eind dit jaar.

In Terneuzen draait sinds juni 2021 een demonstratiefabriek (3,3 kton) voor depolymerisatie van polystyreen isolatieschuim (EPS) uit de bouw. In het proces wordt ook de inmiddels verboden broomhoudende vlamvertrager HBCD afgevangen. De recyclingfabriek is een Nederlands initiatief, maar maakte in mei een doorstart onder de naam PS Loop dankzij het Duitse consortium GEC.

Legoblokje

Is het niet slimmer om in een circulaire economie geheel over te stappen naar de makkelijk te depolymeriseren polymeren, in plaats van forse investeringen te doen in pyrolyse van de ‘lastige’ polyolefinen? Kuijpers (SABIC) reageert sceptisch: “Het betekent dat je miljoenen producten moet omstellen – een soort reset naar de jaren vijftig. En bedenk: het gaat jaarlijks alleen al om tweehonderd miljoen ton aan verpakkingen. In theorie kan het, maar is het realistisch?”

Broeren (CE Delft) kent geen onderzoek dat een dergelijke shift heeft doorgerekend. “Er komt veel meer bij kijken dan enkel het vergelijken van de CO2-winst van de recyclingprocessen. Denk aan alle nieuwe infrastructuur, en productkwaliteit weegt ook mee. Een zeventig jaar oud legoblokje past nog steeds precies op een nieuw blokje. Dat telt, maar hoe precies, dat is lastig doorrekenen.”

Kersten: “Het eerlijke antwoord lijkt mij: we weten nog niet goed wat wijsheid is. We hebben tot 2030 om dat verder te onderzoeken en te ontdekken. Maar we kunnen een man op de maan zetten, dus we kunnen zeker ook plastic efficiënt gaan recyclen.”


Bacterie lust PET

Op de regel dat kunststoffen niet afbreken in het milieu blijken uitzonderingen te bestaan. In 2016 ontdekten Japanse biologen een bacterie die PET lust. Het gaat om Ideonella sakaiensis, gevonden in een bodemmonster rondom een PET-recyclefabriek. De bacterie blijkt twee enzymen uit te scheiden die met water het polymeer opknippen in de oorspronkelijke twee uitgangsstoffen: ethyleenglycol en tereftaalzuur. Die gebruikt de bacterie als voeding.

Omdat enzymen bij lage temperaturen hun werk doen, zagen biotechnologen meteen in dat dergelijke enzymen, PET-ases, interessant zouden kunnen zijn voor een industrieel enzymatisch recycleproces voor afvalplastic. Maar daarvoor heb je een robuust en snelwerkend enzym nodig. Onlangs zetten wetenschappers van de University of Texas een belangrijke stap daarheen. Ze gebruikten een zelflerend algoritme om het natuurlijke PETase stabieler en actiever te maken. Door vijf mutaties ontstond een nieuw enzym, FAST-PETase, dat binnen een week meer dan vijftig verschillende producten van PET tot de grondstoffen kon verknippen bij temperaturen tussen 30-50 graden Celsius. Ook lukte het om de uitgangsstoffen te isoleren en er opnieuw PET van te synthetiseren.


Solvolyse

Er is nog een (experimentele) recyclingtechnologie die als het ware tussen mechanische en chemische recycling in zit: solvolyse. Plastic wordt niet gedepolymeriseerd maar opgelost, waarna met filters en andere scheidingstechnieken vervuiling wordt verwijderd om hoogkwalitatief gerecycled plastic te verkrijgen. De Rotterdamse startup Obbotec ontwikkelt een procedé voor polyolefines, dat een alternatief zou kunnen worden voor pyrolyse.


Dit is het tweede deel uit een tweeluik over plastic recycling. Het eerste artikel is in juni 2020 gepubliceerd. "Waarom verbranden we nog steeds plastic afval?"