06.07.2020

Avantium benut afgevangen CO₂


In het kort

  • Kooldioxide omzetten in producten is volgens Avantium zinvoller dan opslaan in de bodem.
  • ​Elektrochemische reductie van CO2 tot formiaat en koolmonoxide biedt perspectief.
  • (Eind)toepassingen lopen uiteen van huidcrème tot kerosine en monomeren voor plastics.

Avantium werkt al jaren aan Carbon Capture and Utilisation (CCU). In de Amsterdamse haven is een pre-pilotinstallatie actief voor de productie van koolmonoxide. Grondstof is direct uit de lucht afgevangen CO2. Begin volgend jaar komt daar in Duitsland een installatie voor de productie van formiaat bij. Zo heeft Avantium ijzers in het vuur voor zowel specialty-toepassingen als bulkproducten. Tweede deel van een drieluik over CCU.

 

Tekst: Leendert van der Ent

Er is een bijna eindeloos aantal alternatieven om energie te winnen uit hernieuwbare bronnen, waaronder waterkracht, zon, wind, getijden en aardwarmte. Maar voor het maken van materialen uit hernieuwbare bronnen zijn er slechts twee opties: biomassa en CO2. Avantium werkt al 15 jaar aan het maken van kunststof uit biomassa. “Sinds 6 jaar bestuderen we ook CCU serieus. We richten ons op elektrochemische reductie en oxidatie van CO2”, zegt Gert-Jan Gruter, CTO van Avantium en hoogleraar Duurzame Industriële Chemie aan de UvA.
 

"Het is en kwestie van het optimaliseren van de current density: de omzetting van de hoeveelheid CO2 per tijdseenheid en per oppervlak."

 

Opslag van CO2 in de bodem, Carbon Capture and Storage (CCS), is lineair, kost minimaal 100 euro per ton CO2 en levert verder niks op. “Daarom kun je beter het circulair inzetten van CO2  onderzoeken”, stelt Gruter. “Het ontwikkelen van commercieel haalbare methoden voor CCU is weliswaar niet makkelijk, maar al snel aantrekkelijker dan CCS.” 

 

Elektrochemische reductie

CO2 vertegenwoordigt de hoogste oxidatiefase van koolstof. Daarmee is het een soort 'chemisch eindstation', vanwaar het moeilijk vertrekken is. “Chemische omzetting vanuit zo'n stabiele eindfase is lastig”, beaamt Gruter. "Daarvoor is een zeer hoge temperatuur en hoge druk nodig. Het kost ontzettend veel energie en de reacties ontaarden, omdat ze bij hoge temperatuur moeilijk in de hand zijn te houden. Daardoor krijg je er niet erg selectief de producten uit die je zou willen."

Met elektrochemische reductie, waarbij het voltage de CO2 activeert tot omzetting, ligt dat anders. Die technologie begint de laatste jaren dan ook populair te worden. Op tientallen plaatsen in de wereld werken groepen inmiddels aan nieuwe toepassingen. Gruter: “Elektrokatalyse kan gewoon bij kamertemperatuur plaatsvinden. Bij die lage temperatuur is het reactieverloop veel beter te beheersen: er vinden minder nevenreacties plaats en het is mogelijk de reacties stop te zetten als de gewenste omzetting is bereikt. Je kunt dit proces via het voltage selectief sturen.”

CO2 kan aan de basis van zeer veel verschillende eindproducten staan. Gruter: “Voor een optimale inzet van duurzame elektriciteit is het verstandig om producten te selecteren die door middel van een twee-elektronreductie per molecuul CO2 verkregen kunnen worden.”

 

CO en formiaat

Je zou theoretisch bijvoorbeeld ook methanol uit kooldioxide kunnen maken, maar daarvoor heb je acht elektronen nodig. Dat kost veel meer energie dan een twee-elektronreductie naar formiaat. Ook de atoomefficiëntie helpt een handje mee. In het geval van 100 procent opbrengst kun je uit een ton CO2 maar 727 kilo methanol maken. Gruter: “Kies je daarentegen voor formiaat, het zout van mierenzuur, dan kun je uit een ton CO2 ruim een ton formiaat (HCOO-) maken. Dat is dan ook het product waar wij ons in eerste instantie op richten.”

Elektrochemische cellen bevinden zich tussen twee platen. Ze hebben een kant voor oxidatie en een kant voor reductie, met daartussen een membraan. De platte cellen hebben een optimale omvang van anderhalf bij anderhalve meter, dus 2,25 vierkante meter. Je kunt ze stapelen (stacken). De omzetting van CO2 naar formiaat of CO in deze elektrochemische cellen kent een belangrijk verschil met een 'gewone' chemische installatie, vertelt Gruter. “Waar de kosten van scale up van een chemisch proces bijvoorbeeld vier keer zo hoog zijn bij tien keer zoveel capaciteit, stijgen de kosten van een scale out van elektrochemische cellen lineair. Tien keer zoveel cellen zijn gewoon tien keer zo duur.”

Daar staat tegenover dat het risico bij opschaling veel lager is. “Tien cellen gedragen zich hetzelfde als één cel”, weet Gruter. “Bij een chemisch proces kan een proces zich op pilotplant-schaal anders gedragen dan op plant-schaal.”

 

Specialty en bulk

Avantium participeert momenteel in drie Europese miljoenenprojecten: de OCEAN demo van CO2 naar formiaat, de CELBICON CO2 naar koolmonoxide demo en de TERRA Tandem-synthese met gelijktijdige reductie en oxidatie. Voor CELBICON staat een pre-pilot demonstratie-unit in Prodock in de Amsterdamse haven. Deze installatie oogst CO2 via een Direct Air Capture (DAC)-unit (kooldioxide direct uit de lucht) van het Zwitserse Climeworks. Vanaf het eerste kwartaal van 2021 zal voor OCEAN een unit bij de R&D-afdeling van RWE in Essen gereed zijn voor testen. Deze unit zet CO2 uit een energiecentrale om tot formiaat.

Het formiaat uit Essen zou als grondstof voor monomeren voor polyesters kunnen dienen. Gruter: “Wij zien het formiaat als basis voor de productie van oxaalzuur en glycolzuur, stoffen die we gebruiken in de ontwikkeling van nieuwe polyesters. Daarnaast kan uit oxaalzuur ook glyoxylzuur worden gemaakt voor hoogwaardige toepassingen zoals huidcrèmes.”

 

"Het ontwikkelen van commercieel haalbare methoden voor CCU is weliswaar niet makkelijk, maar al snel aantrekkelijker dan CCS"

 

Koolmonoxide heeft een lagere waarde dan formiaat. Maar juist het feit dat het aan de basis van bulkproducten staat, heeft volgens Gruter een aantrekkelijke kant: “Van koolmonoxide en waterstof is syngas te maken als opstapje naar bijvoorbeeld de productie van benzine en kerosine. Aan de kathode (reductiekant) van de cel zet je CO2 en twee protonen om tot koolmonoxide en water, en aan de anode (oxidatiekant) splits je water in zuurstof en protonen. Protonen uit de splitsing van water kunnen ook worden gebruikt om waterstof te maken. De koolmonoxide en het waterstof benut je voor de brandstofproductie in een Fischer-Tropsch-proces.”

Voor materialen zoals plastics heeft de productie van CO uit CO2 als nadeel dat je massa verliest. Voor brandstoffen gaat het om zoveel mogelijk energie per kilogram. Dat maakt de productie van benzine en kerosine uit CO2 en water (via syngas) interessant. We denken dat de elektro-katalytische productieroute van syngas uit CO2 en water op termijn concurrerend kan worden. Alle grote raffinagebedrijven kijken ernaar.”

 

Tweesporenbeleid

De commerciële haalbaarheid van kerosineproductie uit kooldioxide hangt nauw samen met de prijs van duurzame elektriciteit. “In het Midden-Oosten wordt al zonne-energie opgewekt voor een eurocent per kilowatt”, zegt Gruter. “95 procent energie-efficiëntie in een elektrochemische cel maakt dat een interessante combinatie. Het is verder een kwestie van het optimaliseren van de current density: de omzetting van de hoeveelheid CO2 per tijdseenheid en per oppervlak.”

Door zowel op koolmonoxide als op formiaat te mikken volgt Avantium een tweesporenbeleid. Het doel is eerst ‘hoge toegevoegde waarde’-toepassingen te realiseren met formiaat en al doende het proces te optimaliseren. Die procesoptimalisatie komt dan ook ten goede aan de productie van koolmonoxide voor de bulkproductie van commodities.

De verwachting is dat commerciële toepassing van de productie van formiaten over 5 jaar aan de orde kan zijn. Commerciële koolmonoxide-installaties kunnen over 8 tot 10 jaar realiteit zijn. Gruter: “De toepassing met hoge toegevoegde waarde vormt daarbij een springplank naar de bulktoepassing.”

 


Productie op basis van gunstige elektriciteitsprijs

Elektrochemische omzetting van CO2 kan bijdragen aan vermindering van de hoeveelheid kooldioxide in de atmosfeer. Voorwaarde is wel dat het proces op basis van hernieuwbare energie verloopt – met fossiele energie zou het alleen maar meer CO2 opleveren. Een groot voordeel van elektrochemische omzetting is dat het makkelijker aan en uit te zetten is dan een chemisch proces. Dat komt goed van pas, want op momenten dat de elektriciteitsprijs op z’n hoogst is, kan omzetting  verliesgevend zijn. Avantium heeft modellen die het optimum berekenen tussen Operational Expenditure (OPEX, kosten zoals elektriciteit en lonen) en Capital Expenditure (CAPEX, de procestechnologie). In de regel zal dat optimum betekenen dat een installatie 80 tot 90 procent van de tijd kan produceren. Nouryon past ook dergelijke modellen toe bij de elektrochemische productie van chloor uit zout.


Volta technologieplatform

Avantium startte 6 jaar geleden dankzij een Europese subsidie met de bestudering van elektrochemische reductie en oxidatie van CO2. “We namen daarvoor Klaas-Jan Schouten aan, gepromoveerd bij professor Marc Koper aan de Universiteit Leiden. Schouten vormde een groep die zich in eerste instantie focuste op de reductie van CO2 tot mierenzuur. In 2017 nam Avantium een van de toonaangevende bedrijven op dit gebied over, de Princeton start-up Liquid Light. De apparatuur, tientallen patenten en een aantal onderzoekers van dat bedrijf kwamen naar het Science Park Amsterdam, waar de elektrochemische activiteiten in een nieuw laboratorium werden geïntegreerd. Vijftien mensen zijn daar nu druk doende verschillende chemische omzettingen als onderdeel van het Volta-technologieplatform door te ontwikkelen. Avantium wil deze technologie tot het punt brengen waarop het op commerciële schaal bewezen is en uitlicentiëring mogelijk wordt. 


 


Gerelateerde dossier(s): Duurzaamheid
Gerelateerde tag(s): Chemie Magazine