In een hoogoven komen lucht, ijzererts en cokes samen om na verhitting ruwstaal te vormen. De cokes is daarbij niet alleen de energiebron, maar werkt ook als 'reductor' om zuurstof van het ijzer te halen. De koolstof in cokes verandert daarbij in koolmonoxide. Bij staalfabriek ArcelorMittal in Gent wordt sinds kort in een proeffabriek hoogovengas afgevangen en gezuiverd (van onder meer zwavel), waarna uit de koolmonoxide nafta wordt gemaakt. De synthetische nafta dient als grondstof voor Dow Benelux in Terneuzen. Zo worden de kolen uit het staalproces als het ware twee keer gebruikt. “Het gaat erom de koolstof in de cyclus te houden en niet meer de atmosfeer in te blazen”, zegt programmamanager Geoffrey Schouten van het Institute for Sustainable Process Technology (ISPT). “Door van enkelvoudig via meervoudig uiteindelijk naar circulair gebruik van grondstoffen over te stappen, kan de uitstoot terug naar nul. Twee sectoren die tot voor kort geen banden onderhielden, kunnen op deze manier hun molecuulstromen integreren tot een nieuwe waardeketen.”

De gezamenlijke uitstoot van de bedrijven staat gelijk aan een derde van de totale uitstoot van de Nederlandse industrie.

Het idee komt voort uit het Alternative Feedstock programma van Dow Terneuzen. “Wij kijken heel breed naar alternatieven”, zegt programmaleider Matthijs Ruitenbeek. “Dat zijn in grote lijnen: hernieuwbare grondstoffen toepassen of fossiele grondstoffen circulair inzetten. De kringloop sluiten betekent: de koolstof niet verbranden. Bijvoorbeeld door voor recycling ontworpen plastics aan het eind van hun levenscyclus chemisch te recyclen: een gesloten kringloop. Een open kringloop is ook een optie: de koolstofbron uit het proces van andere industrieën betrekken. Dat is het principe van Steel2Chemicals. Deze benutting van CO maakt het mogelijk om de CO₂-uitstoot uit de staalproductie enorm verminderen.”

CO, CO₂, waterstof en syngas: hoe zit dat?

De proeffabriek draait om de afvang van CO (koolmonoxide), terwijl het overkoepelende thema de vermindering van de CO₂-uitstoot is. De overeenkomst is uiteraard de C, de koolstof. In het staalproductieproces worden veel CO en CO2 gevormd. CO is gevaarlijk en mag niet worden uitgestoten. Staalfabrieken vangen CO daarom af en zetten die in eigen energiecentrales in om elektriciteit op te wekken. Die stoten op hun beurt weer CO₂ uit. Zo leidt de omzetting van CO tot nog meer CO₂. Die uitstoot per kilowattuur opgewekte stroom is enorm, zelfs bij de staalfabrieken in de Benelux die tot de schoonste ter wereld behoren. Het idee om de CO niet te verbranden in energiecentrales maar te benutten als bouwsteen voor de chemische industrie, grijpt terug op de chemie van voor het olietijdperk: de synthesegaschemie. Syngas bestaat uit koolmonoxide en waterstof en wordt gemaakt van aardgas, kolen, biomassa of plastic afval. Via een aangepast Fischer-Tropsch-proces, dat de gelijknamige Duitse geleerden in de jaren 1920 ontwikkelden, kan met syngas ook nafta worden gemaakt. Deze synthetische nafta is bruikbaar in het proces van Dow om er grondstoffen voor bijvoorbeeld kunststoffen van te maken en zo de koolstof vast te leggen.

Voor het maken van de nafta is het nodig om waterstof toe te voegen. In de proeffabriek worden op één deel CO twee delen waterstof toegevoegd. De waterstof komt nu uit flessen, maar op termijn zou die op locatie op industriële schaal kunnen worden gemaakt.

Nog geen eindstation

Lucht bevat behalve zuurstof en kooldioxide ook stikstof. “De inerte stikstof soupeert voorlopig als loos volume ongeveer de helft of meer van de capaciteit op in de proeffabriek”, vertelt Schouten. “Daarom onderzoekt TNO in Petten in een tweede, parallelle traject binnen S2C of het mogelijk is de stikstof van de koolmonoxide te scheiden voordat die de proeffabriek ingaat.” Dat is een notoir moeilijke scheidingsstap, die ook nog eens veel energie kost. “Gelukkig zijn er wel allerlei oplossingsrichtingen voor, met adsorbentia.”

De proeffabriek in Gent is bedoeld om de technologie te valideren, maar nog geen eindstation voor de CO-omzetting. Ruitenbeek: “Om de robuustheid van de technologie vast te stellen, zullen we deze in een tweede fase optimaliseren bij Tata Steel in IJmuiden. Er zijn subtiele verschillen in het hoogovengas van beide locaties te verwachten. De vraag is dus, werkt wat in Gent werkt ook in IJmuiden?”

"De gedachte hierachter is van zo'n geniale eenvoud dat je je afvraagt waarom het niet eerder is bedacht."

Senior projectmanager Hans van Zutphen van Tata Steel: “De gedachte hierachter is van zo'n geniale eenvoud dat je je afvraagt waarom het niet eerder is bedacht. Dankzij het uitgebreide voorwerk van Dow ga ik ervan uit dat het werkt. De vragen die bepalen of de grootschalige praktijktoepassing het gaat halen is hoe efficiënt het werkt en hoe stabiel en betrouwbaar het proces gedurende langere tijd blijkt. Hoe gevoelig is het proces voor verontreiniging? Hoe doet de installatie het op dag één en op dag honderd? Wat leren we over de warmtehuishouding in de reactor van de proeffabriek, die je graag zo stabiel mogelijk houdt? Al die vragen maken de huidige stap van laboratorium naar praktijk spannend. De praktijk zal het leren.”

De onderzoeksvraag voor de komende tijd is: is de kwaliteit van de nafta goed genoeg voor de praktijktoepassing?

Opwindend

“Als het proces bij zowel ArcelorMittal Gent als bij Tata Steel IJmuiden werkt, kun je er van uitgaan dat het bij alle hoogovens werkt”, concludeert projectleider Ruitenbeek. “Dan zijn we natuurlijk erg benieuwd wat het gaat kosten per ton voorkomen CO₂-uitstoot. En hoe die besparing zich verhoudt tot de CO₂-prijs in het ETS plus een eventuele Nederlandse malus daarop. Dit bepaalt of deze route de moeite waard is of niet.”

CO₂-uitstoot: feiten en cijfers

De totale Nederlandse CO₂-uitstoot bedroeg in 2019 – het laatste pre-coronajaar – volgens het CBS zo'n 150 miljoen ton. De industrie droeg daaraan 56,7 mton bij, de elektriciteitsopwekking 42,3, mobiliteit 35,2, de landbouw 26,4 en de gebouwde omgeving (ruimteverwarming) 25,3. ArcelorMittal Gent (in België, dus niet in de Nederlandse industrie-uitstoot opgenomen), Dow Benelux en Tata Steel IJmuiden stoten gezamenlijk 15 miljoen ton CO₂ uit. Dit maakt duidelijk hoe groot de klapper is die deze bedrijven gezamenlijk kunnen maken: hun uitstoot staat gelijk aan een derde van de totale uitstoot van de Nederlandse industrie en dertien procent van de totale Nederlandse uitstoot.

Als de pilot succesvol is en voldoende perspectief op economische haalbaarheid biedt, is de volgende fase een demonstratiefabriek. Dat zou de laatste stap in schaalgrootte zijn voordat toepassing op het volledige operationele proces aan de orde komt.

“De samenwerking binnen Steel2Chemicals gaat een stap verder dan we gewend zijn”, zegt Van Zutphen van Tata Steel. “De prestatie van de installatie is bijvoorbeeld volledig inzichtelijk voor de consortiumpartners “De gezamenlijke ontwikkeling binnen dit consortium is heel interessant, nu de hele industrie zichzelf met het oog op de grondstoffentransitie helemaal opnieuw moet uitvinden. Dat maakt het opwindend om hierbij betrokken te zijn.” Ruitenbeek: “Deze technologie kan een gigantische impact hebben. Het kan volgens onze berekeningen in Europa de uitstoot van 25 miljoen ton CO₂ besparen en tegelijk een kwart van de Europese vraag naar nafta invullen.” 

Alternatieven

Of het koolmonoxide-naar-naftaproces een succes wordt, hangt mede af van de alternatieven die zowel de chemie als de staalindustrie hebben. Programmaleider Ruitenbeek (Dow): “Met chemie kun je alles maken, maar kan het duurzaam en economisch rendabel? Wij kunnen ook verduurzamen door hernieuwbare grondstoffen toe te passen of door fossiele grondstoffen circulair in te zetten.”

Tata Steel werkt hard aan verduurzaming en staat binnen de staalindustrie voor grote uitdagingen. Van Zutphen: “Tata Steel bestaat al meer dan honderd jaar en we zijn al jaren bezig met het inzetten van een duurzaamheidsroute om in 2050 CO2-neutraal staal te maken. Eentje die voor de korte termijn al kijkt naar een 40 procent CO2-reductie. Daarvoor kiezen wij voor de korte termijn voor ondergrondse opslag van CO₂.” Voor de lange termijn ziet Tata Steel waterstof in plaats van koolstof als de aangewezen energiedrager en reductor. “Dat vraagt om zoveel (groene) waterstof dat die voorlopig nog niet beschikbaar is, maar het gaat er wel komen. We kunnen waterstof ook in plaats van elektriciteit zelf uit hoogovengas produceren. Waar het op neerkomt is dat welke groene kant je ook op wilt, alles begint bij waterstof. Als afvalplastics nu ook nog eens gedeeltelijk of zelfs geheel de cokes als voeding voor de hoogovens zouden kunnen vervangen, wat de bedoeling is, maakt dit het concept uiteindelijk helemaal circulair.”

Steel2Chemicals-consortium

In Steel2Chemicals werken verschillende partijen sinds eind 2018 voor vier jaar samen. Als leveranciers van hoogovengas met koolmonoxide zijn staalproducenten ArcelorMittal in Gent en Tata Steel in IJmuiden betrokken. Dow in Terneuzen staat aan de basis van de technologie en zal de grondstof verwerken tot producten. Zeton ontwierp en bouwde de pilotfabriek voor CO-conversie op basis van ideeën van Dow. De Universiteit Gent (UG) analyseert in samenwerking met Dow de komende twee jaar de afgassen en de geproduceerde nafta. Ook maakt de UG een levenscyclusanalyse en berekent de universiteit hoeveel CO₂-uitstoot de installatie voorkomt en tegen welke kostprijs. TNO en ISPT zijn betrokken als kennis- en coördinatiepartners. ISPT staat voor de systeemintegratie en maakt in samenwerking met Quo Mare in Gouda modelanalyses van waardeketens voor de grondstoffentransitie. Wat is de optimale route om zo'n nieuwe keten in de toekomst in de praktijk te laten werken, mede gegeven andere verwachte technologische ontwikkelingen en randvoorwaarden zoals het ETS, stimuleringsmaatregelen en nationale CO₂-belasting? TNO werkt aan een methode om de stikstof uit het hoogovengas te verwijderen. Dat zou de technologie een stuk compacter en rendabeler maken.