Chemie kan volledig circulair draaien

Perpetual Next gaat biomassa in methanol omzetten

In Nederland gaat de aandacht in verband met het klimaatbeleid vooral uit naar de energietransitie. Voor de materialentransitie is veel minder aandacht, terwijl die net zo noodzakelijk is om van het gebruik van fossiele grondstoffen af te komen. Rene Buwalda en Martijn Dekker, respectievelijk CEO en CTO van Perpetual Next, richten zich op de recycling van koolstof via methanol. Ze verwachten dat de chemische industrie op den duur volledig circulair kan draaien op basis van biogrondstoffen en niet-fossiele energie.

Van biomassa tot biomethanol

Perpetual Next heeft een schoon en economisch proces ontwikkeld voor de verwerking van biomassa tot biomethanol en gaat dit toepassen in een nieuwe fabriek in Moerdijk. Hiervoor is 6 hectare beschikbaar gesteld, zo’n twintig procent van de oppervlakte van het zogeheten Industrial Park Moerdijk. Ook zijn er plannen voor de bouw van zo’n fabriek in Delfzijl. Doel is te komen tot een jaarlijkse productie van 660.000 ton biomethanol in Europa, die behalve als chemische grondstof ook kan dienen als duurzame en schone brandstof voor de zeescheepvaart.

Injectie in het regionale gasnet

OMR Moerdijk, dochteronderneming van Perpetual Next is al eerder in 2005 begonnen met de productie van biogas in Moerdijk door vergisting van afval van de voedselindustrie en restaurants en over-de-datum-producten uit de schappen van onze supermarkten, die niet meer geschikt zijn voor menselijk of dierlijke consumptie. Dit levert biogas op met een methaangehalte van circa zestig procent en voor de rest voornamelijk CO₂. Tot op heden werd dit biogas ingezet voor productie van elektriciteit en warmte. Door verwijdering van het CO₂ wordt het gas nu geschikt gemaakt voor injectie in het regionale gasnet. Het gaat om 669 kubieke meter gas per uur. Net voor de zomer heeft Perpetual zijn reststoffen-vergister in Moerdijk verkocht aan het Nederlandse fonds CVC DIF.

In Engeland blijft Perpetual Next nog wel actief met biogas. Daar is een vergistingsinstallatie in aanbouw bij Ellesmere Port, niet ver van Liverpool.

Rene Buwalda: “Wij richten ons op voedselafval en dierlijk afval dat niet geschikt is voor menselijke consumptie en dus niet concurreert met de voedselvoorziening.” Hij legt uit dat anaerobe vergisting van voedselafval 15% biogas oplevert. De rest (digestaat) bestaat voor 95% uit water en 5% product. Na afscheiding van het water en centrifugeren en drogen van het product blijft 4% van de oorspronkelijke vloeistofstroom, die de vergister in ging, als vast product over. Het bedrijf levert die in de vorm van kleine korreltjes, onder andere voor het bemesten van wijngaarden in Frankrijk.

Een voordeel is dat ze langzaam uitlogen en de mest niet bij de eerste de beste regenbui wegspoelt. Vreemd genoeg wordt ook deze mest - afkomstig uit afval - in Nederland en België officieel als afval beschouwd en mag deze dus niet op het land worden gebruikt. Hier zijn alleen dierlijke mest en kunstmest toegestaan.

Torrefactie als sleuteltechnologie

Perpetual Next richt zich nu ook op het verwerken van onder meer sloophout tot biomethanol. “Biomassa in de vorm van houtpellets wordt vaak bijgestookt in kolencentrales, maar dat is een laagwaardige toepassing. Het rendement van elektriciteitscentrales is immers maar ongeveer 37%, de rest van de energie uit hout gaat als warmte verloren, tenzij je het gebruikt voor de verwarming van industrie of huizen en alle koolstof gaat hierbij verloren. Wij richten ons op de verwerking van hout via syngas tot methanol. Dat gaat weliswaar met een vergelijkbaar energierendement (40 %) gepaard, maar maakt vooral hoogwaardige toepassingen mogelijk. Te denken valt aan hergebruik van de koolstof door de chemische industrie of als brandstof voor transport dat zich niet laat elektrificeren, zoals dat met containerschepen.”

"Als je hout meteen vergast, leidt dat tot een onbeheersbaar teerprobleem"

Perpetual Next gaat sloophout niet zomaar vergassen, maar eerst torreficeren. “Als je hout meteen vergast, leidt dat tot een onbeheersbaar teerprobleem”, legt Martijn Dekker uit. “Het teer slaat overal neer en de vergassingsinstallatie loopt vast. Bij torrefactie komen ook teermoleculen vrij, maar die verbranden we binnen twee seconden, waarbij we de vrijgekomen warmte gebruiken om het proces aan de gang te houden en om te drogen. Verkoold hout - dat een hogere energie-inhoud heeft en een brosse structuur - blijft over, waardoor het op steenkool lijkt en die dus kan vervangen in bestaande vergassingsinstallaties.”

Torrefactie vindt plaats in een zuurstofarme omgeving bij atmosferische druk bij temperaturen tussen 200 °C en 400 °C. Voordeel is dat een van de houtbestanddelen, lignocellulose, dat bij vergassing teerachtige aromatische verbindingen oplevert, nu overgaat in gassen die onmiddellijk verbrand kunnen worden.

Torrefactie is niet nieuw, zegt hij. In 2005 stond TNO in Petten (destijds Energieonderzoek Centrum Nederland) aan de wieg van de combinatie van torrefactie en vergassing voor het verwerken van hout of houtachtige materialen. De onderzoekers gaven toen al aan dat deze combinatie economisch ingezet kan worden. Dat was het startschot voor verscheidene scale-ups om ermee aan de slag te gaan. “Eén ervan stond in Steenwijk. Onze aandeelhouder heeft daar de boedel van overgenomen en is er in het Engelse Derby mee aan de slag gegaan om hout te torreficeren ten behoeve van de elektriciteitsproductie”, aldus Dekker.

Hij vervolgt: “De visie was toen om brandstof te maken voor elektriciteitscentrales die van steenkool als brandstof af wilden stappen. Die visie is in de periode 2018-2020 enorm gaan schuiven door het besef dat het inzetten van afvalstromen voor de opwekking van elektriciteit eigenlijk een heel laagwaardige toepassing betreft en dat je groene elektriciteit veel beter met windturbines en zonnepanelen kunt opwekken. Met biomassa verbranden breng je, anders dan met fossiel, overigens weliswaar CO₂ in een kringloop, maar met nog steeds een aanzienlijke tijdschaal, want bomen doen er jaren over om weer de benodigde hoeveelheid hout te produceren.”

“In 2020 stelden we vast dat we naar een veel hoogwaardiger toepassing van hout toe moesten werken met behulp van torrefactie"

Buwalda: “In 2020 stelden we vast dat we naar een veel hoogwaardiger toepassing van hout toe moesten werken en dat we hiervoor onze inmiddels opgebouwde kennis van torrefactie goed zouden kunnen gebruiken.”

“Maar dat niet alleen”, vervolgt Dekker. “Wil je met de vergassingsroute impact hebben, dan moet je met torrefactie aansluiten bij bestaande industriële vergassers, dus van een schaalgrootte van honderden megawatts uitgaan. En ook bij nieuwe vergassingsinstallaties die flexibeler kunnen opereren. Hierbij kun je gebruik maken van bestaande procestechnologie die in eerste instantie is ontwikkeld voor de methanolproductie op basis van steenkool.”

 

Het 'goed-genoeg-punt'

Bij torreficeren is het zaak bij een bepaald optimum te blijven, of het ‘goed-genoeg-punt’, zoals Dekker het noemt. Dat is het punt waarbij het product net voldoet aan de eis dat het steenkool kan vervangen in de vergasser. Bij langer torreficeren gaat meer koolstof in gas over, waardoor het economisch rendement afneemt. “Het gaat erom, zoveel mogelijk koolstof via syngas om te zetten in methanol en eventueel aansluitend in olefinen.”

Bij de torrefactie gaat altijd wat koolstof in gas over, maar dat levert in de naverbrander warmte op. Dat is precies genoeg om het endotherme torrefactieproces en het daaraan voorafgaande droogproces aan de gang te houden. Door de verbranding van het gas komt uiteraard CO₂ vrij, maar per saldo is sprake van CO₂-reductie vergeleken met het gebruik van fossiele grondstoffen. “De reductie is 2 ton CO₂ per ton biokool dat wij leveren ”, aldus Dekker.

De vergassing van biokool met behulp van stoom levert vervolgens koolmonoxide en waterstof op in een molaire verhouding van 1:1. Maar om methanol te maken is meer waterstof nodig. Daarvoor dient de zogenoemde water-gas-shift-reactie, waarbij koolmonoxide met stoom in CO₂ en waterstof wordt omgezet. Aangezien dit een evenwichtsreactie is, wordt nog meer waterstof geproduceerd als de CO₂ wordt afgescheiden. Deze pure CO₂ kan weer aan de industrie of tuinbouw geleverd worden. “Je bereikt dan de juiste stoichiometrie voor de productie van methanol, zeg maar een verhouding van 1 mol koolmonoxide en 2 mol waterstof”, aldus Dekker.

Perpetual Next beschouwt methanol als een ideaal platformmolecule voor de chemische industrie

E-methanol: een ideaal platformmolecule

In principe kan deze CO₂ of die van elders ook met groene waterstof in methanol worden omgezet. “Een van de interessante dingen die wij in ons ontwerp van een vergassingsinstallatie meenemen, is de mogelijkheid om groene waterstof in het proces te injecteren”, licht Dekker toe. “Met groene waterstof erbij bereik je nog eerder de juiste stoichiometrie van koolmonoxide en waterstof voor de productie van methanol. Stel nu dat op een bepaald moment windparken hun elektriciteit aan het landelijk elektriciteitsnet niet kwijt kunnen, dan kun je met die elektriciteit met behulp van elektrolysers waterstof maken en meteen injecteren in onze installatie. De windenergie sla je dan als het ware op in methanol. Alternatief is de windturbines stilzetten, zoals nu regelmatig gebeurt, maar dat is pure verspilling. Het vergt wel een flexibele vergassingsinstallatie en daar werkt onze technologieleverancier Air Liquide aan. Het komt erop neer dat we de biomassastroom dan tijdelijk naar beneden bijstellen en toch evenveel methanol blijven produceren. Daarnaast werken we eraan dat andere bedrijven groene waterstof produceren en aan ons leveren.”

Perpetual Next beschouwt methanol als een ideaal platformmolecule voor de chemische industrie om verschillende producten van te maken, waaronder olefinen als bouwstenen voor plastics. Buwalda: “Aanvankelijk dachten we dat methanol vanzelf zijn weg naar de chemie zou vinden, maar de overstap naar cyclische grondstoffen gaat niet zo snel. Daarom richten we ons in eerste instantie op het leveren van methanol als groene cyclische brandstof voor containerschepen.”

Circulaire grondstoffen als oplossing

Volgens Buwalda is er genoeg biomassa beschikbaar voor de chemische industrie. Grootschalige bosbouw is daarvoor niet nodig. “Als je huizen voortaan voornamelijk van hout bouwt, dan kun je die na pakweg vijftig jaar slopen en het afvalhout verwerken tot methanol. Dat levert ook veel minder CO₂-emissie op dan huizen bouwen van beton.”

“Ook wil iedereen weg van de verbranding van sloophout, want dan is het materiaal meteen weg en duurt het jaren voordat bossen dezelfde hoeveelheid hout weer hebben aangemaakt”, aldus Buwalda.

Perpetual Next kan voorlopig vooruit met afvalhout, waarvan in Nederland jaarlijks 1,2 miljoen ton vrijkomt. Momenteel wordt de helft daarvan verbrand ten behoeve van de energievoorziening.

"Momenteel leiden de schaarste en tekorten aan grondstoffen tot geopolitieke spanningen"

Volgens hem is er ook geen sprake van competitie met de voedselvoorziening. “Bij de land- en tuinbouw ontstaan sowieso reststromen. Met de Wageningen Universiteit en Research kijken we naar de mogelijkheden om onder meer aardappelloof, tomatenloof en suikerrietafval op te waarderen. Daar kunnen we dan brandstof voor zeeschepen van maken of basismoleculen voor de chemische industrie.”

Dekker: “Mijn motivatie om hieraan te werken, is dat we in verband met het klimaat er alles aan moeten doen om uiteindelijk tot een cyclische chemie te komen.”

Buwalda: “Momenteel leiden de schaarste en tekorten aan grondstoffen tot geopolitieke spanningen. Het lijkt alleen om olie als brandstof te gaan, maar olie is ook indirect een grondstof voor vrijwel al onze producten. Ook verbruiken we mineralen voor onder andere onze voedselproductie. Willen we daarvan loskomen, dan moeten we alle productie circulair maken en zorgen dat de grondstoffenvoorziening en -gebruik weer in balans zijn.”