De toekomst van de polymeren

Om de transitie naar een duurzame koolstofeconomie te maken en tegelijkertijd in onze consumentenbehoeftes te blijven voorzien, moet de chemische industrie veranderen. Maar hoe? En welke toekomstscenario’s zijn er? Pieter Bruijnincx, hoogleraar Duurzame Chemie en Katalyse, en Gert Jan Kramer, hoogleraar Duurzame Energievoorziening, gaan in gesprek met Lisanne Blom (VNCI).

Tekst: Lisanne Blom
Beeld: Rob ter Bekke
Gepubliceerd: 03.07.2024

Pieter Bruijnincx en Gert Jan Kramer, beide als hoogleraar aan de Universiteit Utrecht verbonden, krijgen drie scenario’s en drie stellingen voorgelegd. Moet de chemische industrie radicaal om of kunnen we ombouwen? Gaat de polymeerchemie naar een toekomst met duurzamere polyolefinen of liggen er meer kansen in een richting met zuurstofrijke producten? Of is een hybride vorm tussen deze twee meer waarschijnlijk? 

Toekomstbeeld 1: Duurzame polyolefinen

In het toekomstbeeld met duurzame polyolefinen blijven de eindproducten van de chemische industrie gelijk en worden deze nog steeds voornamelijk van olefinen gemaakt. Het grootste verschil met de huidige industrie is dat deze olefinen uit hernieuwbare in plaats van fossiele grondstoffen worden gemaakt. Dat gebeurt via mechanisch en chemisch recyclen van afval (de bruine route), het omzetten van CO2 naar olefinen met Carbon Capture and Utilization (de grijze route) en het aanvullen van de koolstofstroom met biogrondstoffen (de groene route). Zo blijft de huidige infrastructuur waarin van olefinen producten gemaakt worden grotendeels in stand gehouden. De belangrijkste drivers voor dit toekomstbeeld zijn het gebruik van de bestaande infrastructuur en de bestaande waardeketens, waardoor er in korte tijd een stuk klimaatneutraler geproduceerd kan worden. 

Toekomstige industrieketen op basis van duurzame polyolefinen

Toekomstbeeld 2: Zuurstofrijke producten

Het toekomstbeeld met zuurstofrijke producten wijkt het meest radicaal af van het huidige industriële complex. De industrie focust op het efficiënt maken van producten met de gewenste functionaliteit uit hernieuwbare grondstoffen. Uitgangspunt is dat een product de juiste functionaliteit levert, makkelijk recyclebaar, afbreekbaar of herbruikbaar is, gemaakt kan worden met zo min mogelijk energie en veilig voor mens en milieu is. Het grootste verschil met de route van duurzame polyolefinen is dat er zuurstofrijke producten gemaakt worden, omdat dit energetisch gunstiger en atoom-efficiënter is vanuit biogene en synthetische grondstoffen. De belangrijkste drivers voor dit toekomstbeeld zijn lagere energiebehoefte, hogere atoomefficiëntie, maar ook veiligheid voor mens en milieu.

Toekomstige industrieketen op basis van zuurstofrijke producten

Toekomstbeeld 3: Een hybride systeem

Het hybride toekomstbeeld ligt tussen duurzame polyolefinen en zuurstofrijke productie in en gebruikt voor elk product de route die het meest voor de hand ligt qua proces en duurzaamheid. In dit toekomstbeeld worden zuurstofrijke producten gemaakt van zuurstofrijke grondstoffen: biomassa en CO2 (de groene en grijze lijn). Polyolefinen daarentegen, zullen vooral vanuit recyclaat/pyrolyse olie geproduceerd worden (de bruine lijn). Om te compenseren voor de onvermijdelijke koolstoflekken zal een deel van de polyolefinen, net als in toekomstbeeld 1, gemaakt blijven worden met fossiele grondstoffen. Het beeld valt op door de grote diversiteit aan producten.

Toekomstige industrieketen waarin duurzame polyolefinen en zuurstofrijke producten naast elkaar worden geproduceerd

Stelling 1

Duurzame polyolefinen hebben een snelle opkomst door de makkelijke implementatie en gebruik van bestaande infrastructuur. Op lange termijn, echter, zullen ze verliezen van de zuurstofrijke producten door de lagere atoomefficiëntie, hogere energiebehoefte en persistentie in het milieu.

Pieter: “Ik ben bang dat het tweede deel van de stelling uiteindelijk niet gaat gebeuren omdat dit toekomstbeeld eigenlijk een excuus kan zijn voor business as usual. We hebben onze infrastructuur en we voeden de krakers een beetje met circulaire koolstof. Maar we weten dat we niet alle koolstof in het systeem kunnen houden. Er moet dus virgin koolstof ingebracht worden en de makkelijkste optie is om aan te blijven vullen met fossiel. Er zit een positieve klimaatgedachte in deze stelling, maar het risico is dat je een nieuwe lock-in organiseert waarbij de petrochemie in de huidige vorm in stand wordt gehouden en dat we intrinsiek inbouwen dat we nu investeringsbeslissingen gaan nemen om onze oude infrastructuur te behouden. Dan zitten we in 2050 nog steeds vast aan producten die we eigenlijk niet willen vanuit circulariteits- en milieuoogpunt.”

Gert Jan: ‘Het is heel aantrekkelijk als je een hernieuwbare grondstoffenstroom in bestaande fabrieken kunt toepassen’

Gert Jan: “Maar voor de mensen die pragmatisch naar dit vraagstuk kijken is een lock-in juist een voordeel. Het is immers heel aantrekkelijk als je een hernieuwbare grondstoffenstroom in bestaande fabrieken kunt toepassen. Als je kijkt wat we allemaal anders zouden willen voor 2050, begint het erg te wringen met geld, arbeidskrachten en ook materialen – staal, ijzer en andere grondstoffen - om zo ontzettend veel te bouwen. Een lock-in in het chemische productportfolio is niet per se negatief, want het haalt de onzekerheid weg die onvermijdelijk met een producttransitie gepaard gaat.” Pieter: “Al moeten we echt proberen alles wat tijdig haalbaar en schaalbaar is, in te zetten. Dit mag niet het eindplaatje zijn.” 

Pieter: “Ik denk dat polyolefinen het op lange termijn moeten verliezen. In de tijd die we hebben voor de transities moeten we rekening houden met energie- en grondstoffenschaarste. Je zult dus wat je hebt aan duurzame energie en grondstoffen, zo slim mogelijk moeten inzetten. Als je dan kijkt naar de energie, atoom- en redox-efficiëntie (hoeveelheid elektronen die nodig is om een bepaald product te maken, red.) van de verschillende circulaire systemen, is de afstand tussen de gewenste, nieuwe feed en de zuurstofrijke producten kleiner, wat een intrinsiek voordeel is. Maar ik denk dat de urgentie om de transitie naar het zuurstofrijke systeem in te zetten in eerste instantie moet komen vanuit de wil om van de huidige, zeer persistente moleculen af te komen, die gezondheids- en milieuproblemen met zich meebrengen. Wat we met het duurzame polyolefinen-toekomstbeeld organiseren is een lock-in waarbij we ons opnieuw bewust vastleggen in een palet aan producten waarvan we weten dat de issues enorm zijn.”

Gert Jan: “Ik zie ook wel dat er redenen zijn waarom je een producttransitie nastreeft. Ik denk dat de belangrijkste driver daarvoor inderdaad de persistentie in het milieu is. Ik denk dat dat iets is wat uiteindelijk veel dwingender door kan werken dan zoiets abstracts als lagere atoomefficiëntie. En zelfs een hogere energiebehoefte zie ik als een onvoldoende driver. Een grote verandering van het productportfolio zal mijns inziens alleen gebeuren wanneer deze door productregulering geforceerd wordt.”


Stelling 2

Chemisch recyclen van polyolefinen (bijvoorbeeld door middel van pyrolyse) is een tussenoplossing voor de komende vijftig jaar, maar gaat het niet redden op de lange termijn.

Gert Jan: “Het gevaar bij deze stelling is dat als je iets positioneert als een tussenoplossing, het nooit gaat gebeuren. Tussenoplossing is een kiss of death. Chemisch recyclen is in mijn optiek gewoon een relevante oplossing voor nu en de afzienbare toekomst. Of en hoelang het blijft bestaan, dat zullen we zien. Twee dingen zijn belangrijk voor een bedrijf bij de overweging waar je in moet investeren. Wat is het lange termijn marktperspectief van polyolefinen? Of daar straks nog vraag naar is, moet je deels overlaten aan de markt. En wat zijn de resources in de toekomst waarmee je producten kunt maken en hoe richt je als ondernemer dat proces in? Recycling is intrinsiek lastig omdat geen enkel bedrijf ownership voor de hele keten op zich kan nemen. Ik denk dat je pyrolyse van plastic afval juist wilt stimuleren, omdat het hier gaat om het chemisch recyclen van polyolefinen waarvan we gewoon nog heel lang, heel veel zullen hebben en waarvan het onzeker is of ze überhaupt weggaan.”

Pieter: ‘Wat we met het duurzame polyolefinen-toekomstbeeld organiseren is een lock-in waarbij we ons opnieuw bewust vastleggen in een palet aan producten waarvan we weten dat de issues enorm zijn’

Pieter: “Ik ben het eens met Gert Jan dat iets benoemen als tussenoplossing niet werkt. Zeker niet in een tijd waarin er overaanbod is van virgin polyolefinen waar je bij het recyclen mee moet concurreren. Chemische recycling mag en moet dus onderdeel zijn van het toekomstige landschap van bedrijven, alleen is de vraag wat er op deze manier wordt gerecycled, met welke techniek, en door wie. Het huidige landschap is te complex om in korte gesloten closed-loop-recyclingschema’s te denken, aangezien geen enkel bedrijf verantwoordelijk is voor het productproces van begin tot eind.”


Stelling 3

CCU (Carbon Capture and Utilization) heeft potentie door de dubbele functie: CO2-emissie tegengaan en producten maken. CCU is in beide toekomstbeelden relevant en is qua landgebruik gunstig, maar heeft een te grote energiebehoefte om in Nederland grootschalig geïmplementeerd te worden.

Gert Jan: “In mijn ogen is onderbelicht dat CCU echt de allerlaatste optie is. Begin eerst maar eens met alles wat mogelijk is, te elektrificeren. Zon en wind zijn de meeste schaalbare bronnen en die leveren de benodigde elektriciteit. Waar elektrificatie te kort schiet, stap je over op waterstof. En pas als dat ook niet toereikend is, ga je die waterstof ergens aan koppelen om koolstof-upgrading te doen naar energiedragers en materialen. Maar daar heb je dezelfde cascade waar het gaat om koolstofbronnen. Je begint met kijken wat je kunt recyclen en hoe: mechanisch, chemisch, pyrolyse en vergassing. Dan moet je aanvullen uit een duurzame bron, maar de voorkeur zal altijd liggen bij biomassa want dat gebeurt gratis. En dan, helemaal op het eind, komt CO2 in beeld.”

Pieter: “Ik ben het eens met het grote plaatje dat Gert Jan schetst. Ik denk dat het echt een lange termijn oplossing is, waar we misschien uiteindelijk wel op uitkomen, maar wat op de middellange termijn niet de meest relevante en ook niet de meest slimme oplossing is. Misschien dat het in een niche wel zin heeft, maar dat het in het algemeen de thermodynamische afstand en de afstand in chemische stoichiometrie (berekening van de verhouding waarin samengestelde stoffen met elkaar reageren en de verhouding tussen de reactanten en producten van een chemische reactie, red.) veel te groot is; het gebruik van biomassa voor chemicaliën is dan veel logischer. Maar gebruik van biomassa zit in het licht van de energietransitie in het verdomhoekje. Die perceptie kan een probleem zijn in de grondstoffentransitie. Als we niet duidelijk weten te maken dat biomassa een geschikte grondstof is voor de chemische industrie, raken we een belangrijke oplossing voor de middellange termijn kwijt.”

Het lijkt erop dat jullie het grotendeels met elkaar eens zijn?

Pieter: “Ik denk dat we het eens zijn dat het probleem van de transitie vraagt om een pragmatische aanpak waarin je in beide routes moet investeren, maar uiteindelijk kies ik om vooral in te zetten op de zuurstofrijke route.” Gert Jan: “Pragmatisch zijn we het grotendeels eens, al geloof ik dat de business sense zich in eerste instantie vooral op duurzame polyolefinen zal richten.” Lisanne: “Daarmee lijkt het hybride plaatje dan zo gek nog niet.”


Onderzoek Lisanne Blom

Lisanne (25) volgde de Nanomaterials Science masteropleiding aan de Universiteit Utrecht. Voor haar minor deed ze bij de VNCI onderzoek naar duurzame toekomstscenario’s voor de chemie. Ze heeft in juni haar studie afgerond. Half augustus treedt ze in dienst bij de VNCI als beleidsmedewerker Energie- en Materialentransitie.