Hoofdrol voor elektriciteit in afname gebruik aardolie

Vrijwel alle chemicaliën en de daaruit voortkomende materialen die we dagelijks gebruiken, zijn gemaakt van aardolie. Bijvoorbeeld plastics, wasmiddel, medicijnen en ook veel kleding. Maar aardolie als grondstof is niet milieuvriendelijk (zie kader fossiele grond- en brandstoffen). Bovendien kunnen toekomstige generaties niet op dezelfde manier materialen blijven maken, want de aardolie raakt op.

Materialen en chemicaliën uit biogrondstoffen

Wetenschappers zoeken al jaren naar manieren om alledaagse materialen te maken uit planten of plantenresten, ook wel biomassa of biogrondstoffen genoemd. De afgelopen jaren hebben onderzoekers daar flinke stappen in gezet. Zo maakt de industrie bijvoorbeeld al plastics van maïsstengels en suikerriet. 

Een dergelijk systeem waarbij natuurlijke, hernieuwbare grondstoffen gebruikt worden om materialen en chemicaliën te maken, heet ook wel een circulaire economie. Werken met biogrondstoffen heeft voordelen, volgens Harry Bitter, hoogleraar Biobased Chemistry and Technology. Afvalhout en de houtstof lignine zijn opgebouwd uit grote, complexe moleculen. Die zijn ideaal om andere complexe materialen mee te maken. “We hoeven dus niet vanaf de allerkleinste bouwsteen te beginnen”, zegt Bitter.

Vroeger haalden grote pompen, de zogenoemde ja-knikkers, aardolie uit de grond in Nederland.

Elektriciteit als vervanger voor warmte

“Of het nu gaat om olie, een moleculaire stof of ingrediënten van een cake: de ene stof omzetten naar een andere kost altijd energie”, zegt Bitter. Om losse ingrediënten zoals boter, suiker en bloem om te zetten in een geurig, smakelijk baksel, is bijvoorbeeld menskracht en warmte nodig. Ook de petrochemische industrie, die aardolie omgezet in nuttige producten, maakt gebruik van warmte. Alleen verhitten ovens in de industrie niet tot 160 graden zoals nodig voor een cake in de oven, maar tot temperaturen van honderden graden Celsius.

Om zulke hoge temperaturen te halen, verbrandt de petrochemische industrie fossiele brandstof zoals aardgas. Daarbij komt koolstofdioxide vrij. Wageningse wetenschappers werken aan een milieuvriendelijk alternatief, waarbij geen aardgas nodig is of koolstofdioxide vrijkomt. “We vervangen de warmte door een andere vorm van energie: elektriciteit”, zegt Jacco van Haveren, programme manager Biobased Chemicals and Fuels. Dat proces, waarbij materialen en chemicaliën gemaakt worden met elektriciteit, noemen ze elektrosynthese.

Gerichte reacties met elektrosynthese

Stof A reageert bij hoge temperatuur tot stof B. “Simpel gezegd komt dat doordat moleculen in een stof bij hoge temperatuur en hoge druk snel bewegen”, legt Bitter uit. “Door die beweging knallen de moleculen op elkaar en vormen zo nieuwe stoffen”. Maar zulke bewegingen gebeuren ongecontroleerd, net als een handje knikkers wanneer je die in een doos werpt.

In de laboratoria van Bitter en Van Haveren staan vaten met twee staafjes erin, de zogenoemde elektroden (vergelijk de plus en min pool van een batterij). In het vat zetten de wetenschappers biogrondstoffen om in bruikbare materialen door er elektrische stroom door te laten lopen.

Bitter verwacht dat die bewegingen, en dus de reacties, veel selectiever zijn met elektriciteit. Het idee is dat de elektrische stroom de deeltjes een kleine lading geeft, doordat het een elektron toevoegt of juist weghaalt. De moleculen veranderen dan in een soort zwakke magneetjes die elkaar aantrekken. Dat forceert een gerichte reactie, zelfs bij lage temperatuur. Dat kun je je voorstellen als stilliggende magnetische knikkers in een doos, die vervolgens langzaam naar elkaar toe bewegen.

Tweerichtingsverkeer

In Wageningen werken twee groepen samen aan elektrosynthese met biogrondstoffen. Ieder met hun eigen expertise. De leerstoelgroep Biobased Chemistry and Technology, onder leiding van Bitter, richt zich op de fundamentele kant van de elektrosynthese. “Wij proberen te begrijpen wat er precies gebeurt zodra de grondstoffen in aanraking komen met de stroom en welke stoffen er vormen”, aldus Bitter. Van Haveren en zijn collega’s bij Wageningen Food & Biobased Research (WFBR) vormen de schakel naar de industrie. “Wij bekijken welke producten interessant zouden zijn voor de industrie, hoe we de processen kunnen verbeteren en in de praktijk kunnen brengen”, vertelt Van Haveren.

Hoewel de wetenschappers van WFBR voortborduren op de kennis die de groep van Bitter verzamelt, is de samenwerking wel degelijk tweerichtingsverkeer, verzekert Van Haveren. “Soms leidt ons onderzoek tot nieuwe fundamentele vragen, waar Biobased Chemistry and Technology vervolgens weer mee aan de slag gaat.”

Levulinezuur

De twee groepen richten hun pijlen onder andere op restproducten zoals levulinezuur, een bijproduct van suikerverwerking.  Levulinezuur is nu is een grondstof voor bijvoorbeeld oplosmiddelen, maar met een paar aanpassingen zou het ook een bouwsteen kunnen zijn voor coatings en lijmen. Samen met de Universiteit Utrecht en TU Eindhoven onderzoeken de wetenschappers hoe ze dit stofje gaan omvormen.

“Eenvoudig gezegd zetten we stofje A, het levulinezuur, om in stofje B”, legt Bitter uit. Maar stof B moet wel nuttig zijn. Daarom passen de onderzoekers levulinezuur steeds een beetje aan en bestuderen ze hoe het eindproduct eruit ziet nadat het is blootgesteld aan elekriciteit.

Levulinezuur is een bijproduct van de suikerindustrie. Met elektrosynthese proberen wetenschappers dat stofje om te zetten in bruikbare bouwstenen om bijvoorbeeld medicijnen, voedingsadditieven en verf mee te maken.

Die aanpassingen doen de wetenschappers niet in het wilde weg. Op basis van eerdere studies en de structuurformule van de stofjes, schatten de scheikundigen in welk effect een bepaalde aanpassing heeft. Toch blijft het deels trial and error, geeft Bitter toe. “Soms hangen we bijvoorbeeld een extra staartje aan een stof en dan is het afwachten welk stofje zich vormt tijdens de elektrosynthese.”

De eerste resultaten van de experimenten met levulinezuur zijn hoopgevend. “We zijn erin geslaagd om levulinezuur om te zetten in het nuttige product valeriaanzuur”, vertelt Van Haveren. Maar daarmee zijn de onderzoekers nog niet bij de eindstreep. Op dit moment zet elektrosynthese slechts een deel van de levulinezuurmoleculen om in een nuttige bouwsteen. Voor de resterende stoffen worden nog toepassingen gezocht. De wetenschappers zoeken daarom verder naar manieren om de reactie specifieker te maken en de hoeveelheid 'nuttig eindproduct' te verhogen. “We kijken nu goed naar de hoeveelheid stroom die we door het vat laten lopen en welke elektroden en katalysatoren we het best kunnen gebruiken”, aldus Van Haveren.

Elektrosynthese werkt niet alleen voor levulinezuur. Tot nu toe slaagden de Wageningse wetenschappers erin om zo’n twintig verschillende producten te maken met de elektrische methode. “Dat lijkt misschien niet veel”, zegt Van Haveren, “Maar we zijn nog maar twee jaar bezig met een handje vol onderzoekers”. Hij verwacht dat ze over twee jaar twee keer zo veel producten kunnen maken van biogrondstoffen.

Voor- en nadelen

Van Haveren en Bitter richten zich op elektrosynthese met biogrondstoffen, omdat het een milieuvriendelijk alternatief is voor de olieraffinaderij. Maar ook het feit dat voor elektrosynthese geen hoge temperaturen nodig zijn, is een voordeel volgens Van Haveren. “Wanneer je reacties bij hoge temperatuur en hoge druk laat verlopen, zijn allerlei dure materialen en voorzorgsmaatregelen nodig om ontploffing te voorkomen”, legt Van Haveren uit. Omdat elektrosynthese onder mildere omstandigheden verloopt, is dit dus een veiliger alternatief waarbij bovendien geen dure, beveiligende apparatuur nodig is.

Daarnaast verloopt een reactie met elektriciteit relatief snel, omdat de moleculen gericht met elkaar reageren. Bovendien is zo’n reactie starten en stoppen of onderbreken een kwestie van een druk op de knop. Chemische reacties waarbij aardgas verbrand wordt, moeten vaak worden geblust om de reactie te stoppen.

De industrie heeft flink geïnvesteerd is de huidige fabrieken en die zijn niet zomaar om te bouwen.

Genoeg voordelen van elektrosynthese dus. Binnen tien jaar zullen er ook toepassingen mogelijk zijn, denkt Van Haveren. Toch verwacht Bitter dat het nog zo’n 25 jaar zal duren voordat een groot deel van onze kleding, medicijnen en andere alledaagse materialen gemaakt worden met biogrondstoffen en elektriciteit. “Een groot deel van de huidige petrochemische industrie vervangen zal flink wat tijd kosten”, licht Bitter toe. De industrie heeft enorme hoeveelheden geld geïnvesteerd in de huidige fabrieken. Al die fabrieken ombouwen zal opnieuw een flinke investering zijn. En daarvoor moet elektrosynthese eerst minstens zo efficiënt en goedkoop worden als de olieraffinage.

Zo ver is de ontwikkeling van elektrosynthese met biogrondstoffen nog niet. Het staat nu nog in de kinderschoenen en is nog lang niet even goedkoop als aardolie verwerken. “Zodra we meer hernieuwbare elektriciteit opwekken, gaat de prijs van die elektriciteit en ook die van de elektrosynthese omlaag”, aldus Van Haveren. Dan vormt elektrosynthese een serieuze concurrent van aardolie.

Is er wel genoeg?

Hoewel windmolens en zonnepanelen de afgelopen jaar steeds meer hernieuwbare elektriciteit opwekken, is er op dit moment nog niet voldoende om die op grote schaal te gebruiken voor de productie van materialen en chemicaliën. Maar wetenschappers verwachten dat dit gaat veranderen. In 2016 wekte Nederland bijvoorbeeld al drie keer meer hernieuwbare energie op dan in 2004. “Er komt een moment dat we meer elektriciteit opwekken dan we gebruiken”, zegt Van Haveren. “Dat is het goede moment om in te zetten op elektrosynthese.”

Waarschijnlijk is er dus voldoende elektriciteit beschikbaar in 2045. Maar hoe zit het met biogrondstoffen, hebben we daar wel genoeg van? Van Haveren denkt van wel. “Als we slim omgaan met de biogrondstoffen die we hebben, kunnen we daarmee prima in onze materialen- en chemicaliënbehoefte voorzien.” De industrie kan bijvoorbeeld rest- en bijproducten van de voedselindustrie gebruiken, maar wellicht ook direct gewassen, denkt Van Haveren. “In Nederland gaat nu ook een deel van de landbouwgrondstoffen naar non-food doeleinden, en dat zal toenoemen”. Wel waarschuwt hij dat het mis zou gaan wanneer we ook alle brandstoffen uit biogrondstoffen gaan maken, omdat er dan niet voldoende van is en ook weer meer koolstofdioxide vrij komt in de atmosfeer.

Blijven investeren

Voorlopig zal de industrie dus nog geen elektriciteit inzetten om materialen en chemicaliën te maken. Elektriciteit zal ons de komende twintig tot dertig jaar vooral helpen koken, rijden en ons huis warm stoken. Maar de wereld blijft investeren in zonnepanelen, windmolens en andere manieren om hernieuwbare energie op te wekken, waardoor we wel langzaam afstevenen op het energieoverschot waar de chemische technologen op wachten. Wellicht hebben de wetenschappers tegen die tijd ook uitgevogeld hoe ze van verschillende soorten biogrondstoffen, hoogwaardige, nuttige materialen maken.