Fischer-Tropschreactie: hoe je gas in vloeibare brandstof verandert
Stel je een chemische bakkerij voor. In plaats van bloem en water gebruikt deze bakkerij twee simpele gassen: koolstofmonoxide (CO) en waterstof (H2), samen 'syngas' of synthesegas genoemd. Onder de juiste temperatuur, druk en met een metalen 'bakplaat' als katalysator - een stof die de reactie versnelt zonder zelf te verdwijnen - plakken de gasmoleculen aan elkaar tot steeds langere ketens. Het resultaat is niet één product, maar een heel assortiment: van lichte gassen tot benzine, diesel, kerosine en zelfs kaarsvet-achtige was. Dit proces heet de Fischer-Tropschreactie, genoemd naar de Duitse chemici Franz Fischer en Hans Tropsch, die het in 1925 ontdekten.
Het bijzondere is dat de grondstof niet per se aardolie hoeft te zijn. Syngas kan gemaakt worden uit kolen, aardgas, houtafval, huisvuil, of - en dat is waarom de term de laatste jaren weer opduikt in nieuwsberichten - uit water en CO2 met behulp van groene stroom. Daarmee wordt de eeuwenoude reactie ineens relevant voor de energietransitie: als vervanger voor fossiele kerosine en diesel in sectoren die moeilijk te elektrificeren zijn, zoals de luchtvaart en de zeevaart.
Wat is het precies?
Het proces verloopt in twee grote stappen. Eerst moet er syngas komen: een mengsel van koolstofmonoxide en waterstofgas. Dat kan op klassieke wijze door kolen of aardgas onder hoge temperatuur gedeeltelijk te verbranden ('vergassen'), of op een moderne, klimaatvriendelijke manier door water te splitsen met elektrolyse (groene waterstof) en CO2 - opgevangen uit de lucht of uit een fabriek - om te zetten in koolstofmonoxide via een reactie die de 'omgekeerde water-gas-shift' heet.
Daarna komt de eigenlijke Fischer-Tropschstap: het syngas stroomt over een katalysator van ijzer of kobalt, bij een temperatuur van ruwweg 150 tot 300 graden Celsius en onder verhoogde druk. Op het oppervlak van de katalysator breken de gasmoleculen open en groeien de koolstofatomen aaneen tot ketens van wisselende lengte, ongeveer zoals kralen die willekeurig aan een ketting worden geregen. Dit heet polymerisatie. Omdat de ketenlengte statistisch verdeeld is - een patroon dat bekendstaat als de Anderson-Schulz-Flory-verdeling - ontstaat er altijd een mix van producten: methaan, lpg, nafta, diesel en was, in verhoudingen die afhangen van de gekozen katalysator, temperatuur en druk.
Die ruwe mix is nog geen bruikbare brandstof. In een laatste stap, upgrading genoemd, wordt het mengsel gekraakt (lange ketens worden geknipt tot kortere) en gedestilleerd tot herkenbare producten zoals synthetische diesel of kerosine. Het eindresultaat is chemisch bijna identiek aan het fossiele origineel, wat betekent dat het zonder aanpassingen aan motoren of vliegtuigen gebruikt kan worden - een zogeheten 'drop-in' brandstof.
Wat wil men ermee bereiken?
De oorspronkelijke drijfveer, honderd jaar geleden, was simpel: energiezekerheid. Duitsland had nauwelijks eigen olievelden maar wel veel steenkool, en gebruikte Fischer-Tropschfabrieken tijdens de Tweede Wereldoorlog om synthetische brandstof te maken. Later deed Zuid-Afrika hetzelfde, omdat het land tijdens de apartheid met een internationaal oliehandelsembargo te maken kreeg en zelf geen olie heeft, maar wel kolen.
Vandaag ligt de motivatie anders. Elektrische auto's kunnen op batterijen rijden, maar vliegtuigen en grote zeeschepen hebben voorlopig energiedichte, vloeibare brandstof nodig. Met de Fischer-Tropschroute kun je zulke brandstof maken zonder nieuwe olie uit de grond te halen: door CO2 die al in de atmosfeer zit (of uit een fabrieksschoorsteen) te combineren met waterstof uit groene stroom, ontstaat een zogeheten e-fuel of synthetische brandstof. Bij verbranding komt er weliswaar nog steeds CO2 vrij, maar dat is dezelfde CO2 die er eerder uit de lucht is gehaald - in theorie een gesloten kringloop in plaats van extra fossiele uitstoot. Daarnaast kan de route ook afval of biomassa als grondstof gebruiken, wat aantrekkelijk is voor het verwerken van reststromen die anders gestort of verbrand zouden worden.
Voorbeelden uit de praktijk
Sasol Secunda (Zuid-Afrika) is verreweg de grootste Fischer-Tropschfabriek ter wereld, draaiend op steenkool sinds de jaren tachtig. Het bedrijf Sasol ontstond direct uit de Zuid-Afrikaanse behoefte aan brandstofonafhankelijkheid en produceert er nog altijd een groot deel van de nationale dieselbehoefte, al staat de fabriek onder druk vanwege haar hoge CO2-uitstoot.
Shell Pearl GTL in Ras Laffan, Qatar, geopend in 2011, zet aardgas in plaats van kolen om in vloeibare producten (gas-to-liquids) en is de grootste installatie van dat type ter wereld.
Haru Oni bij Punta Arenas, Chili is een pilotproject van het Chileens-Amerikaanse HIF Global, samen met Porsche en Siemens Energy. Sinds 2022 wordt hier, gevoed door de sterke Patagonische wind, e-methanol en via een Fischer-Tropsch-achtig traject synthetische benzine gemaakt - vooralsnog op kleine, experimentele schaal.
Norsk e-Fuel / Nordic Electrofuel in Noorwegen ontwikkelen fabrieken die groene waterstof en afgevangen CO2 omzetten in synthetische kerosine voor de luchtvaart, met steun van onder meer luchtvaartmaatschappijen die willen voldoen aan Europese bijmengverplichtingen.
Velocys' Altalto-project bij Immingham (Verenigd Koninkrijk) wilde huishoudelijk afval via vergassing en Fischer-Tropsch omzetten in vliegtuigbrandstof; het project kende de afgelopen jaren aanzienlijke financierings- en planningsproblemen, wat illustreert hoe moeilijk het is om dit soort fabrieken daadwerkelijk gebouwd te krijgen.
Hoe ver is de techniek?
De chemie zelf is niet nieuw en volledig bewezen: Sasol en Shell draaien al decennia fabrieken op industriële schaal, gevoed door kolen of aardgas. In die zin is Fischer-Tropsch een volwassen technologie.
De variant die nu de aandacht trekt - e-fuels op basis van groene waterstof en afgevangen CO2 - staat echter nog in de kinderschoenen. De meeste projecten zoals Haru Oni en de Noorse initiatieven draaien op pilot- of demoschaal: duizenden tot enkele miljoenen liters per jaar, terwijl de mondiale luchtvaart jaarlijks honderden miljarden liters kerosine verbruikt. Opschalen blijkt lastig, vooral omdat elke tussenstap - waterstof maken, CO2 afvangen, syngas produceren, Fischer-Tropsch uitvoeren, upgraden - energie kost en geld. Van de oorspronkelijk ingestopte groene stroom komt uiteindelijk vaak niet meer dan 40 tot 50 procent als bruikbare brandstofenergie terug; de rest gaat verloren als warmte in de tussenstappen.
Een belangrijke aanjager is regelgeving: de Europese Unie verplicht luchtvaartmaatschappijen via de ReFuelEU Aviation-verordening om vanaf 2025 een groeiend percentage duurzame vliegtuigbrandstof (SAF) bij te mengen, met een specifiek quotum voor synthetische e-kerosine dat vanaf 2030 oploopt. Zonder zulke verplichtingen of subsidies is e-fuel via Fischer-Tropsch op dit moment aanzienlijk duurder dan fossiele kerosine, en het is nog onzeker hoe snel de kosten zullen dalen. Verschillende aangekondigde projecten zijn de afgelopen jaren vertraagd, afgeschaald of stopgezet vanwege financieringsproblemen, wat de weg naar grootschalige toepassing onvoorspelbaar maakt.
Wie werken eraan?
Sasol (Zuid-Afrika) en Shell blijven de grootste operators van klassieke, fossiel gevoede Fischer-Tropschfabrieken. Op het gebied van e-fuels zijn Duitse bedrijven als Sunfire en INERATEC prominent, met elektrolyse- en Fischer-Tropschtechnologie voor kleinschalige, modulaire installaties. HIF Global (met wortels in Chili en de VS) en de Noorse initiatieven Norsk e-Fuel en Nordic Electrofuel richten zich specifiek op synthetische kerosine en benzine. De Deense technologieleverancier Topsoe levert katalysatoren en procestechnologie aan diverse van deze projecten.
Op onderzoeksgebied ligt de historische bakermat bij het Max Planck Institut für Kohlenforschung in Mülheim (Duitsland), waar Fischer en Tropsch hun ontdekking deden en waar nog altijd fundamenteel katalyseonderzoek plaatsvindt. Ook instituten als het Duitse ruimtevaart- en energieonderzoekscentrum DLR en, in Nederland, TNO doen onderzoek naar efficiëntere routes en katalysatoren. Op beleidsniveau is vooral de Europese Unie een drijvende kracht, met de eerdergenoemde bijmengverplichtingen, terwijl landen als Duitsland en Noorwegen actief subsidies verstrekken aan pilotfabrieken.