Verhitten zonder zuurstof: de opmars van pyrolyse

Pyrolyse is het snel verhitten van een feedstock zonder zuurstof tot ongeveer 500°C. Daarbij ontstaan pyrolyse-olie en bijproducten, zoals gas en kool. Vanwege onder andere de hoge procestemperatuur en de variabele samenstelling van pyrolyse-olie leek pyrolyse lange tijd niet commercieel interessant. “Ook grote bedrijven en gerespecteerde wetenschappers zeiden en zeggen dat”, zegt Gerhard Muggen, managing director van BTG Bioliquids. Dat bedrijf heeft al sinds 2015 de inmiddels winstgevende pyrolysefabriek Empyro draaien in Hengelo (nu eigendom van afvalverwerker Twence), waar jaarlijks 35 miljoen kilo houtresten in gaan en 20 miljoen liter pyrolyse-olie uitkomt. “Wij hebben het gewoon gedaan en het kan.”

Pyrolyse is bezig aan een opmars met tientallen pilots en kleine demofabrieken in Nederland. De Pyrolyse Proeftuin in Moerdijk bijvoorbeeld geeft bedrijven de kans om hun proces uit te proberen in samenwerking met onderwijs- en onderzoeksinstellingen en lokale overheden. Het doel is om commerciële pyrolyse-installaties en eindproducten op de markt te brengen. Daarnaast hebben meerdere bedrijven geïnvesteerd in projecten om met pyrolyse plastic afval, houtresten en andere reststromen om te zetten in bruikbare stoffen.

 

"Wij denken dat er met de juiste regelgeving een grote vraag naar gerecyclede producten gaat ontstaan, waardoor het commercieel aantrekkelijk wordt.”

 

Een van de meest vergevorderde toepassingen van pyrolyse is voor biomassa-reststromen zoals het proces van BTG Bioliquids. Het product vervangt fossiele olie in een kraker, dient als brandstof of als grondstof voor chemicaliën en levert daarmee een bijdrage aan het verduurzamen van de chemie. De Empyro-fabriek draait 24/7 en is winstgevend. Hoe is dat gelukt? Muggen: “Het was een lang proces, waarin we stapje voor stapje de problemen hebben moeten oplossen. Zo zagen we bijvoorbeeld zandslijtage in de piping van de zandcirculatie, een fenomeen dat we op kleinere schaal nog nooit gezien hadden.”

Magnum is het eerste bekende A-merk dat zijn kunststof bekers voor ijsverpakking gaat produceren met gecertificeerd circulair polypropyleen van SABIC.

 

Uitgangsstoffen

Naast pyrolyse van houtresten is pyrolyse van plastic reststromen een andere veelbelovende toepassing. SABIC investeerde in de pyrolysetechnologie van de start-up Plastic Energy, die in Spanje enkele demofabrieken heeft staan die plastic reststromen omzetten in pyrolyse-olie. Daarbij gaat het om een lage-temperatuurproces. Het doel is om weer uitgangsstoffen voor plastics te maken. “Wij gaan een stap verder: niet van plastic naar brandstof, maar van plastic naar plastic”, zegt Mark Vester, global leader Circular Economy bij SABIC. “De TLR (Technological Readiness Level) van pyrolyse laat het nu toe om te investeren. En het moet: de urgentie om te verduurzamen is veel hoger dan voorheen.”

De pyrolyse-olie wordt na hydrotreatment (waarmee verontreinigingen eruit worden gehaald) bijgemengd in een kraker die er onder andere etheen van maakt. Daarvan worden polymeren gemaakt die het certificaat ‘circulair’ mogen dragen – althans een deel ervan. Als er 1.000 ton gerecycled plastic in de kraker tot pyrolyse-olie is verwerkt, krijgt 1.000 ton polymeer het duurzame ISCC Plus certificaat. SABIC en Plastic Energy bouwen momenteel een demofabriek op de Brightlands Chemelot Campus. “In 2025 wil SABIC naar een minimale productie van 200.000 ton aan circulaire producten,” zegt Vester. "Wij denken dat er met de juiste regelgeving een grote vraag naar gerecyclede producten gaat ontstaan, waardoor het commercieel aantrekkelijk wordt.”

Stoomturbine

Aan pyrolyse kleeft de veronderstelling dat het veel energie zou kosten. Het tegendeel is waar, zeggen de experts. “Wij houden energie over”, claimt Muggen. “Het proces is natuurlijk geen perpetuum mobile, het rendement is ongeveer 90 procent. We verbranden de kool die achterblijft na het afscheiden van de pyrolyse-olie, en daarmee maken we elektriciteit in een stoomturbine. De drie bar stoom die we overhouden gebruiken we om de biomassa voor te verwarmen of te drogen.”

Het probleem bij biomassa ontstaat als de feedstock te nat is. Meer vocht kost meer energie om te verdampen. “Biomassa met maximaal 55 procent vocht kunnen we zonder externe energie pyrolyseren”, zegt Muggen. “Daarom gebruiken we nu vooral resthout zoals zaagsel, afvalhout uit de industrie en dergelijke. Sommige bronnen zoals pulp uit de papierindustrie zijn gewoon te nat. Andere zijn lokaal te duur, zoals stro of mais in Nederland.”

 

De milieuwinst van pyrolyse ten opzichte van verbranding voor energie is de lage CO2-uitstoot en het maken van een bruikbaar product.

 

De technologie van Plastic Energy gebruikt het gas dat als bijproduct ontstaat om zelfvoorzienend te zijn wat betreft energie. In het geval van plastic is het eveneens belangrijk om de juiste feedstock te kiezen. Huishoudelijk afval is niet direct geschikt, want dat is te veel vervuild. Alles wat geen plastic is - zoals voedselresten en andere materialen - moet er eerst uit worden gehaald. Daarna wordt het resterende plastic afval nog een stap verder gesorteerd. Een mengsel van polyolefinen en polystyreen levert de meest zuivere pyrolyse-olie. Zodra er andere plastics zoals polyamides, polyester of pvc in de stroom zitten, bevat de pyrolyse-olie chloor-, zuurstof- en stikstofhoudende verbindingen die de kraker kunnen aantasten. “Het is best een stap om dat soort olie in een grote kraker te introduceren”, vertelt Vester. “Verontreinigingen kunnen het systeem aantasten en dat moet je goed in de hand houden. Wij hebben dat proces inmiddels goed in de vingers.”

Regelgeving

Opschalen van pyrolyseinstallaties van labschaal naar demoschaal zorgt voor de nodige uitdagingen, vooral omdat het lastig is om grote hoeveelheden vaste stof sterk te verhitten. Maar een pyrolysefabriek hoeft ook weer niet heel groot te zijn om rendabel te zijn. Muggen: “Breng de fabriek daar waar de biomassa beschikbaar, duurzaam en goedkoop is. Het transporteren van biomassa is duur, dus opschalen op een centrale locatie heeft niet zoveel zin. Wij denken dat een schaal van vijf ton per uur verstandig is. De centrale opwaardering of het daadwerkelijke gebruik van de olie kan wel heel grootschalig zijn.”

Een knelpunt voor het grootschalig toepassen van pyrolyse om plastics terug te brengen tot plastics is volgens Vester de bijbehorende regelgeving. “Bijvoorbeeld wat betreft lokale CO2-emissie. In Geleen krijg je lokaal extra emissie van CO2, maar het bespaart wel emissie voor de BV Nederland. Dat moet worden erkend als verdienste van de investering.”

Daarnaast moet chemisch recyclen (waar pyrolyse onder valt) gelijkgesteld worden aan mechanisch recyclen in de recycling-doelstellingen die de EU oplegt, vindt Vester. “Welke tarieven moeten afvalverwerkers hanteren voor afvalstromen; die voor mechanisch recyclen of voor verbranding? Daar moet de regelgeving wel in voorzien.”

Voor BTG Bioliquids is de EU-regelgeving toereikend. “Het is langjarig beleid waarop je kunt bouwen en investeringen doen.” Voor het commercieel succes van pyrolyse tot brandstof ziet hij twee onmisbare randvoorwaarden: “Ten eerste de nieuwe Renewable Energy Directive (RED II) (waarin onder andere is vastgelegd welk percentage brandstof duurzaam moet zijnred.). Daarnaast heeft Scandinavië, waar wij ook een fabriek hebben, een hoge CO2-belasting. Daar is pyrolyse-olie concurrerend met fossiele olie, omdat fossiele olie plus CO2-tax veel duurder is."


Wat is pyrolyse?

Pyrolyse is verhitten zonder zuurstof. Het verschil met verbranden is dat er continu energie in moet (endotherme reactie) en dat de verbindingen uit elkaar vallen zonder dat er CO2 wordt gevormd. In de context van chemie betekent pyrolyse het verhitten van reststromen zoals plastic of biomassa bij 500-800°C. Het belangrijkste product is pyrolyse-olie, een mengsel van honderden stoffen, al naar gelang de reststroom. Pyrolyse-olie lijkt enigszins op nafta en kan voor 5 tot 10 procent worden bijgemengd in een kraker. Daarnaast ontstaat een gas dat vaak wordt gebruikt om energie op te wekken voor het pyrolyseproces. Ook ontstaat een vaste stof, kool of char. Dat bevat naast vaste koolstof ook veel mineralen en is geschikt voor energieopwekking en als grondverbeteraar in de landbouw. De milieuwinst van pyrolyse ten opzichte van verbranding voor energie is gelegen in de lage CO2-uitstoot en het maken van een bruikbaar product. Na kraken of zuiveren van pyrolyse-olie heeft het vergelijkbare toepassingen als fossiele olie. Daarmee verminder je dus het gebruik van fossiele grondstoffen.


Pilots en demo’s

Er draaien al tientallen pyrolyse-pilots en demofabrieken in Nederland (en daarbuiten) met verschillende feedstocks, processen en producten. Enkele voorbeelden.

BTG Bioliquids

BTG ontwikkelde een proces voor de pyrolyse van biomassa met een heet zandbed, waardoor de reactor klein is. Dochter BTG Bioliquids commercialiseert het proces onder andere met de Empyro fabriek die sinds 2015 draait, en met fabrieken in Finland en Zweden. Empyro maakt 20 miljoen liter pyrolyse-olie per jaar, dat aardgas vervangt bij de FrieslandCampina fabriek in Borculo.

BTG Bioliquids heeft al sinds 2015 de inmiddels winstgevende pyrolysefabriek Empyro draaien in Hengelo (nu eigendom van Twence).

 

SABIC | Plastic Energy

Het Britse Plastic Energy ontwikkelde een proces om plastics om te zetten in onder andere pyrolyse-olie die geschikt is om bij te mengen in een kraker. De fabriek in Sevilla verwerkt sinds 2017 5.000 ton plastic afval per jaar. SABIC mengt de pyrolyse-olie bij in een kraker in Geleen. Samen bouwen de bedrijven nu aan een demofabriek op Chemelot voor 15.000 ton pyrolyse-olie per jaar.

Itero

Het Britse Itero ontwikkelde een proces voor de pyrolyse van plastic afval. Momenteel wordt gebouwd aan een demonstratiefabriek op Chemelot. Die moet 27.000 ton per jaar gemengd plastic afval omzetten naar nafta (grondstof voor krakers), wax, pyrolyseolie en gas.

CFK Recycling

De Duitse scale-up CFK Recycling won 100.000 euro met de Sustainable Industry Challenge in 2020 met een proces om aramidevezels door middel van pyrolyse te recyclen. Met Teijin Aramid wordt een kleine pilotplant opgezet in Delfzijl. Die had dit jaar gebouwd moeten worden maar door de coronapandemie zijn de plannen vertraagd.

LyondellBasell

LyondellBasell ontwikkelde een proces dat 5 tot 10 kilo plastic afval per uur omzet in PE- en PP-pellets. Het gaat om pyrolyse geholpen door een katalysator die de moleculen in de juiste stukken knipt om zuivere grondstoffen te maken voor PE en PP.

BASF

BASF ontwikkelde een proces voor de pyrolyse van methaan waarbij waterstof en koolstof ontstaan. Daarmee is een productiemethode gevonden voor duurzame waterstof zonder CO2-uitstoot. De koolstof is nuttig onder andere als additief voor staal of in autobanden. In Duitsland bouwt men aan een proefinstallatie die dit jaar moet openen.


Foto's: BTG Bioliquids