Vergassing: hoe afval, biomassa en kolen veranderen in bruikbaar gas
Stel je een grote pan aardappelen voor die je niet kookt maar juist heel heet laat worden zonder dat ze verbranden tot as. In plaats daarvan vallen de moleculen uiteen en ontstaat er een damp die je kunt opvangen en gebruiken als brandstof. Iets vergelijkbaars gebeurt bij vergassing, alleen dan met afval, hout, kolen of ander koolstofhoudend materiaal. Door het onder hoge temperatuur en met een beperkte hoeveelheid zuurstof te behandelen, ontstaat er geen as en rook zoals bij een kachel, maar een brandbaar gasmengsel: synthesegas, kortweg syngas.
Dat syngas is veelzijdig. Het kan direct worden verbrand om elektriciteit op te wekken, maar het kan ook worden omgebouwd tot waterstof, methanol of zelfs synthetische diesel en kerosine. Daarmee is vergassing een van de weinige technieken die vaste, rommelige grondstoffen zoals huisvuil of houtsnippers kan omzetten in de vloeibare of gasvormige brandstoffen waar onze economie al een eeuw op draait. Het is geen nieuwe uitvinding: fabrieken gebruikten al in de negentiende eeuw "stadsgas" uit kolenvergassing voor straatverlichting. Wat nieuw is, is de hoop dat dezelfde chemie nu kan helpen om afval en biomassa duurzamer te verwerken.
Wat is het precies?
Vergassing is een thermochemisch proces: een chemische omzetting die wordt aangedreven door hitte, meestal tussen de 700 en 1500 graden Celsius. Het cruciale verschil met gewoon verbranden is de hoeveelheid zuurstof. Bij verbranding krijgt het materiaal ruim voldoende zuurstof en verbrandt het volledig tot kooldioxide (CO2) en waterdamp, waarbij vooral warmte vrijkomt. Bij vergassing krijgt het materiaal veel minder zuurstof dan nodig is voor volledige verbranding, meestal maar tien tot dertig procent van die hoeveelheid. Daardoor breken de moleculen wel uiteen, maar verbranden ze niet helemaal. Het resultaat is een gasmengsel van vooral koolmonoxide (CO), waterstof (H2), een beetje methaan (CH4) en kooldioxide (CO2): het syngas.
Er is nog een derde route die vaak in één adem wordt genoemd: pyrolyse. Daarbij is er helemaal geen zuurstof aanwezig, en ontstaan er vooral vloeibare oliën en vaste houtskoolachtige resten in plaats van gas. Vergassing zit dus qua zuurstofgebruik tussen verbranding en pyrolyse in.
Het materiaal dat vergast wordt, gaat een reactor in die een gasgenerator of gasifier wordt genoemd. Er bestaan verschillende ontwerpen. In een "fixed bed"-reactor zakt het materiaal langzaam door een vaste laag naar beneden terwijl het gas van onder- of bovenaf wordt toegevoerd; dit is een relatief eenvoudig en goedkoop ontwerp, vooral geschikt voor kleinere installaties. In een "fluidized bed"-reactor wordt het materiaal juist opgewerveld door een gasstroom, zodat het zich gedraagt als een kokende vloeistof; dat zorgt voor een gelijkmatigere temperatuur en is geschikter voor grotere, industriële toepassingen. Bij "entrained flow"-vergassing wordt fijngemalen materiaal samen met zuurstof met hoge snelheid de reactor ingeblazen, wat zeer hoge temperaturen en een schoon gas oplevert, maar ook veel energie kost om het materiaal fijn te malen. Een minder gangbare variant is plasmavergassing, waarbij een elektrische boog van duizenden graden wordt gebruikt om zelfs lastig materiaal zoals gemengd afval volledig te ontleden; dit is krachtig maar ook duur in elektriciteitsverbruik.
Wat wil men ermee bereiken?
De belofte van vergassing is dat het twee problemen tegelijk aanpakt. Ten eerste biedt het een manier om afval en biomassa te verwerken die minder vervuilend kan zijn dan simpelweg storten of verbranden, omdat het proces beter te beheersen is en omdat het syngas relatief schoon gemaakt kan worden voordat het wordt gebruikt. Ten tweede levert het een grondstof op die breed inzetbaar is: hetzelfde syngas kan, afhankelijk van de verdere verwerking, elektriciteit opwekken, worden omgezet in waterstofgas, of dienen als bouwsteen voor chemicaliën zoals methanol en ammoniak.
Bijzonder is de mogelijkheid om via het zogeheten Fischer-Tropsch-proces (genoemd naar de Duitse chemici die het in de jaren twintig van de vorige eeuw ontwikkelden) syngas om te zetten in vloeibare synthetische brandstoffen zoals diesel of kerosine. Dat maakt vergassing interessant voor sectoren die moeilijk te elektrificeren zijn, zoals de luchtvaart, waar synthetische kerosine uit afval of biomassa wordt gezien als een van de weinige realistische routes naar minder fossiele uitstoot. Ook past vergassing in het streven naar een circulaire economie: in plaats van grondstoffen te storten, worden ze teruggebracht in de keten als brandstof of chemische bouwsteen.
Voorbeelden uit de praktijk
Het bekendste en langstlopende voorbeeld staat in Zuid-Afrika. Het bedrijf Sasol vergast in Secunda al sinds de jaren zeventig op grote schaal steenkool en zet het resulterende syngas via het Fischer-Tropsch-proces om in vloeibare brandstoffen en chemicaliën. Dit ontstond destijds vooral uit noodzaak: door internationale olieboycots tijdens de apartheid moest Zuid-Afrika zelfvoorzienend worden in brandstof. Het is daarmee het grootste en langstlopende bewijs dat de route van vaste grondstof naar vloeibare brandstof op industriële schaal werkt, al is de klimaatvoetafdruk van kolen als grondstof groot.
Een voorbeeld met afval in plaats van kolen is Enerkem in Edmonton, Canada. Deze fabriek vergast niet-recyclebaar huishoudelijk afval en zet het syngas om in methanol en ethanol, die weer als grondstof voor de chemie of als brandstofcomponent dienen. Het is een van de weinige commerciële installaties wereldwijd die dit met gemengd stedelijk afval doet.
In Finland vergast de energiecentrale Kymijärvi II van Lahti Energia sinds de jaren 2010 afval dat niet meer geschikt is voor recycling, en gebruikt het resulterende gas om samen met een kolencentrale stadsverwarming en elektriciteit te leveren aan de stad Lahti. Dit is een voorbeeld van vergassing die niet op zichzelf staat, maar als schakel wordt ingebouwd in een bestaande energiecentrale.
Nederland heeft ook ervaring, en niet alleen positieve. De Willem-Alexandercentrale in Buggenum, ooit gebouwd door Nuon, vergaste kolen (en later deels biomassa) om er via een combinatie van gasturbine en stoomturbine elektriciteit uit te halen, een opzet die bekendstaat als IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle). De centrale draaide vanaf de jaren negentig, maar werd uiteindelijk gesloten omdat ze economisch niet kon concurreren met goedkopere manieren van elektriciteitsopwekking. Dat voorbeeld laat zien dat de techniek weliswaar kan werken, maar dat de economische haalbaarheid een hardnekkig struikelblok blijft.
Hoe ver is de techniek?
Kolenvergassing is, in tegenstelling tot wat je zou denken, de meest bewezen en meest toegepaste vorm. Zuid-Afrika en vooral China hebben tientallen grote installaties die kolen vergassen tot syngas voor de chemische industrie en brandstofproductie. Dat is dus geen toekomsttechniek meer, maar gevestigde industrie, met als belangrijkste nadeel dat kolen als grondstof zelf een zware klimaatbelasting met zich meebrengt.
Afval- en biomassavergassing zijn technisch eveneens bewezen, maar economisch en operationeel lastiger. Afval is namelijk een heterogeen mengsel: de samenstelling verschilt van vrachtwagen tot vrachtwagen, wat de procesvoering bemoeilijkt. Bovendien ontstaat er in het syngas vaak teer, een kleverige verontreiniging die installaties kan verstoppen en die eruit gefilterd moet worden. Diverse Europese projecten, waaronder eerdere pogingen in het Verenigd Koninkrijk, zijn hierdoor stopgezet of hebben jarenlange vertraging opgelopen doordat de techniek in de praktijk lastiger bleek te beheersen dan op papier. Een terugkerend obstakel is verder dat de investeringskosten hoog zijn terwijl syngas moet concurreren met relatief goedkoop aardgas en met steeds goedkopere elektriciteit uit wind en zon.
Een opkomend toepassingsgebied is waterstofproductie via vergassing van biomassa of afval, gezien als mogelijke aanvulling op waterstof die via elektrolyse van water wordt gemaakt. Dit bevindt zich veelal nog in de fase van pilotinstallaties en demonstratieprojecten, niet in grootschalige commerciële uitrol. Kortom: de scheikunde is niet het probleem, de economie en de betrouwbaarheid bij wisselende grondstoffen wel.
Wie werken eraan?
Op het gebied van kolenvergassing zijn Sasol en grote Chinese chemieconcerns de belangrijkste spelers, met China als land dat verreweg de meeste vergassingscapaciteit heeft staan, vooral voor de productie van chemicaliën en synthetische brandstoffen uit het eigen ruime kolenaanbod. Industriële gasbedrijven als Air Liquide en Linde zijn wereldwijd betrokken bij het zuiveren en verwerken van syngas tot bruikbare industriële gassen.
Op het gebied van afval- en biomassavergassing is Enerkem uit Canada een van de bekendere commerciële spelers. In Europa houden onderzoeksinstituten zich bezig met het verder ontwikkelen en verbeteren van de techniek, waaronder TNO in Nederland en VTT in Finland, vaak in samenwerking met energiebedrijven en afvalverwerkers. De Nederlandse en bredere Europese aandacht richt zich vooral op de rol die vergassing kan spelen binnen de circulaire economie en bij de opschaling van groene waterstof, al blijft dit vooralsnog kleinschaliger dan de gevestigde kolenvergassingsindustrie in Azië en Afrika.