Deel dit artikel

markus antonietti van het max-planck-institut für kolloid- und grenzflächenforschung beweert de oplossing voor de co2-uitstoot te hebben gevonden: hij is erin geslaagd om op vrij eenvoudige manier allerhande biomassa om te zetten tot een fijn steenkool-bruinkoolpoeder. dit zou een serieuze doorbraak betekenen zowel voor het energievraagstuk als voor de globale klimaatproblematiek. maar zijn deze bevindingen over hydrothermische carbonisatie wel zo revolutionair?

Biosteenkool uit de kookpot van Antonietti

William D’haeseleer

‘Magic Coal from the Steam Cooker’ is de Engelse titel van het artikel over een schijnbaar revolutionaire doorbraak aan het Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam, Duitsland, gepubliceerd in het najaar van 2006. De directeur van het instituut en meteen ook de ‘uitvinder/ontdekker’ van de nieuwe techniek, de hoogleraar Markus Antonietti, maakt hierin kenbaar dat hij in staat is om op een zeer eenvoudige wijze allerhande biomassa om te zetten tot een zeer fijne soort steenkool-bruinkoolpoeder. Dit zou op het eerste gezicht en volgens de enthousiaste Antonietti een serieuze doorbraak betekenen zowel voor het energievraagstuk als voor onze klimaatproblematiek. Zoals zo vaak het geval is, moeten zulke aankondigingen echter met een wat ambivalente houding worden bekeken. Eerst de positieve kijk: we moeten er durven op rekenen dat een ‘oplossing’ voor de energiekwestie (en de ermee gepaard gaande klimaatproblematiek) zal moeten komen van een revolutionaire doorbraak die gebaseerd is op fundamentele principes uit onder andere de fysica (kwantum- en/of nano- of vaste-stof-gerelateerd), de basischemie en/of de biochemie. In die zin kan zo’n werk alleen maar worden toegejuicht en moet dergelijk onderzoek worden gestimuleerd. Dan volgt echter de meestal onvermijdelijke ontnuchtering: wetenschappers zijn soms zeer enthousiast over hun verwezenlijkingen, maar de impact ervan wordt dikwijls overschat. De aankondiging van Antonietti ontsnapt niet aan dit euvel. Ook de Max-Planck-Gesellschaft (de overkoepelende organisatie van de Max-Planck-Institut) lijkt dit te beseffen, want na een echte storm van media-aandacht werd een half jaar later een en ander al genuanceerd en beter gekaderd in een vervolgartikel in hun populariserende tijdschrift. Ook heeft de Gesellschaft zelf een commissie van experts in het leven geroepen om dit alles te evalueren. Sindsdien lijkt het er vrij stil geworden.

Waarover gaat het? Op een schijnbaar zeer eenvoudige manier blijkt het mogelijk te zijn om een mengsel van water en allerhande soorten biomassa, variërend van gewassen tot afval, om te zetten tot een ‘bouillon’ die bestaat uit water en een zeer fijn ‘steenkoolpoeder’. Dit omzettingsproces vindt plaats gedurende een ‘kookperiode’ van amper twaalf uur op een temperatuur tot 180 graden Celsius in een ‘drukstoompot’. Dit proces van ‘hydrothermische carbonisatie’ is op zich niets nieuws, want ‘plantenkool’ of ‘vegetarische kool’ (in contrast tot ‘steenkool’) volgt eigenlijk hetzelfde proces als de vorming van echte steenkool in de ondergrond over een tijdspanne van miljoenen jaren. Alleen gaat het proces hier heel veel sneller dan bij de steenkoolvorming. Het eindproduct heeft ook lichtelijk andere eigenschappen (die op zich voor praktische toepassingen minder relevant zijn). Antonietti laat niet na te stellen dat we tot nog toe eigenlijk nooit verder hebben gekeken dan onze neus lang is.

Dit onderzoek bouwt voort op de geschriften van Nobelprijswinnaar Friedrich Bergius, die de hydrothermische behandeling van plantenmateriaal al in 1913 beschreef. Dat is ook de reden waarom de Max-Planck-Gesellschaft hiervoor geen octrooiaanvraag heeft ingediend. Bij een hydrothermische behandeling wordt het basisbiomateriaal ‘ontwaterd’ en worden vijf watermoleculen van de suikermoleculen verwijderd zodat je bijna zuivere koolstof krijgt. Vermits er nog enkele waterstof- en zuurstofgroepen overblijven, is er ook wat bruinkool aanwezig. Het ‘geheim’ van die ontdekking is nu dat er enkele kruimels katalysator moeten worden aan toegevoegd om dit snel te laten opgaan. Ook kan het proces worden gestuurd om de grootte en de vorm van de korrel te beïnvloeden. Zo is het mogelijk korreltjes op nanoschaal te maken, wat eventueel interessante toepassingen kan hebben. De grootste verwezenlijking van dit proces is dat de koolstof volledig wordt vastgehouden en er dus geen CO2-vrijzetting plaatsvindt. Ook gaat het om een exotherm proces zodat er ook nog wat energie vrijkomt. Bovendien is het mogelijk om verschillende eindproducten te krijgen door met de ‘kookduur’ en de temperatuur te spelen. Dit gaat dus van ‘biokool/bruinkool’, over petroleumrijpe vloeistoffen (zogenaamde petroleumvoorlopers die nog wat ‘nazorg’ vergen via H2-reacties), tot synthesegas (een mengsel van koolmonoxide CO en waterstof H2). Na een wat langere tijd is het mogelijk om een humusachtige stof (of nog zwarte bioaarde) te produceren (maar nog altijd met een honderd procent CO2-captatierendement) die kan worden aangewend om schrale gronden vruchtbaar te maken.

De grootste verwezenlijking van dit proces is dat de koolstof volledig wordt vastgehouden en er geen CO2-vrijzetting plaatsvindt

Het lijkt erop dat Antonietti een zeer interessante conversiepiste heeft gevonden om allerhande biomassa op een efficiënte wijze en zonder vrijzetting van CO2 tot nuttige eindproducten om te zetten. Zijn methode staat tegenover al gekende agro-industriële processen zoals vergassing (voor het maken van synthesegas), fermentatie voor de productie van ethanol, of anaerobe afbraak voor de productie van biogas (bestaande uit methaan en CO2). Zonder in te gaan op de verschillende chemische reacties die plaatsvinden, lijkt zijn hydrothermische proces in concurrentie te treden met het pyrolyseproces (soms ook wel losweg ‘kraken’ genoemd). Door het verhitten van biomassa in de afwezigheid van zuurstof kan die massa thermochemisch worden ontbonden in drie eindproducten: een gas gelijkaardig aan synthesegas en CO2, een olieachtige vloeistof en een vast residu. De relatieve verhouding van die eindproducten hangt af van de reactieduur en -temperatuur. Om een goed energetisch rendement te hebben moet volgens Antonietti bij pyrolyse de biomassa echter al voldoende droog zijn, wat helemaal niet nodig is bij zijn methode. Ook zou hydrolyse veel langer duren dan zijn proces. Het grote voordeel van zijn methode is de mogelijke kleinschaligheid. Terwijl de andere methoden technologisch ingewikkelder zijn en grote industriële installaties vergen om echt rendabel te zijn, is zijn methode zeer toepasbaar op kleine schaal, en dus goed geschikt voor ontwikkelingslanden.

Maar of dit nu een echte revolutionaire doorbraak is, kan worden betwijfeld. De verwezenlijking van Antonietti biedt zeker perspectieven, maar lijkt toch wat tekort te schieten om het keurmerk ‘revolutionair’ opgespeld te krijgen, ten minste wat het energieluik betreft. Uiteraard lijkt dit een interessante piste om biomassa om te zetten tot nuttige intermediaire energiedragers zoals kool, olie en gas, maar een verdere conversie tot drijfvermogen, elektriciteit en/of warmte gebeurt dan wel weer via de gekende technologieën, mét vrijzetting van de CO2 in de atmosfeer. Afhankelijk van de kwaliteit van het ‘biokoolproduct’ is het waarschijnlijk mogelijk om de technologieën van moderne poederkoolcentrales aan te wenden voor de productie van elektriciteit. Dus eerder dan bijmengen van tien tot dertig procent biomassa in de huidige en toekomstige steenkoolcentrales (gekend als ‘bijstook’) kan men dit misschien optrekken tot honderd procent en zo een zuivere biomassacentrale bekomen met behoorlijk hoog rendement. Als men daarbij dan CO2-afvang toepast op de verbrandingsgassen (het zogenaamde ‘Carbon Capture & Storage’ – CCS), dan komt men uiteindelijk tot een negatieve CO2-balans. Hoewel CCS zeer waarschijnlijk een onontkoombare technologie zal zijn om de (op wereldschaal) onvermijdelijke CO2-uitstoot van de thermische elektrische centrales sterk te reduceren, betreft het hier toch ook geen revolutionaire technologie. Omwille van de enorme opschaling in vergelijking met bestaande industriële CCS-installaties en de benodigde infrastructuur voor het transport en de berging van die CO2 ontbreekt het in deze piste nog aan maturiteit. Het zal waarschijnlijk nog minstens twintig tot dertig jaar duren vooraleer CCS routinematig commercieel toepasbaar zal zijn. En deze CCS-techniek zal sowieso worden nagestreefd los van het Antonietti-verhaal.

Een verdere conversie tot drijfvermogen, elektriciteit of warmte gebeurt wel weer via de gekende technologieën

Antonietti suggereert ook dat zijn kool-waterbouillon kan worden aangewend in een nieuw type brandstofcel, gevoed met een waterige koolsmurrie. Brandstofcellen zijn elektrochemische toestellen (een soort batterijen waarbij aan de elektroden respectievelijk brandstof en lucht wordt toegevoegd) die rechtstreeks elektriciteit produceren. De ideale brandstof voor brandstofcellen is waterstof. Het eenvoudigste oxidans is zuivere zuurstof. De chemische omzetting gebeurt door oxidoreductie (of redox)reacties aan de elektroden, waarbij (in het geval van waterstof als brandstof) water en elektriciteit de enige producten zijn. (Als aardgas – wat vooral uit methaan, of CH4 bestaat – of andere koolstofhoudende brandstoffen worden gebruikt, dan wordt ook CO2 als product geproduceerd.) Dit proces kan het best worden begrepen als het omgekeerde van het elektrolytische scheiden van water in zijn bestanddelen zuurstof en waterstof. Die rechtstreekse productie van elektriciteit doet geen beroep op een thermodynamische cyclus zoals in verbrandingsmotoren, gasturbines of elektrische centrales, waar veelal stoomcycli worden gebruikt. Daardoor is het rendement in brandstofcellen niet beperkt door het Carnotrendement en zijn in principe hogere rendementen nodig.

Recent blijkt nu aan de universiteit van Harvard ‘vooruitgang’ te zijn geboekt voor een op steenkool gebaseerde lagetemperatuurbrandstofcel, terwijl General Electric ‘succes’ blijkt te hebben met een hogetemperatuurbrandstofcel. Net zoals bij alle andere momenteel gekende brandstofcellen worden omzettingsrendementen voorgespiegeld van vijftig tot zestig procent. Maar zelfs die klassieke types brandstofcellen zijn nog ver verwijderd van een echte commerciële doorbraak – deels omdat er eigenlijk waterstofgas (H2) voor nodig is – en schieten op systeemniveau nog behoorlijk tekort om die beloofde rendementen te bereiken. Het omzettingsrendement van de steenkool-brandstofcel uit Harvard bedraagt amper zeven procent (gerapporteerd in 2005). Van de GE-cel werden geen cijfers vrijgegeven.

Ook hier lijkt het zinvol onderzoek naar die koolgevoede brandstofcellen aan te moedigen, al was het maar omdat de lastige H2-omweg wordt vermeden. Maar die koolgebaseerde brandstofcellen stoten wel alle CO2 uit van de steenkool die men erin steekt. Omdat het meestal om kleine installaties gaat, is CCS (nog niet) vanzelfsprekend. Het CC-deel is misschien wel doenbaar, maar het transport en de opslag van die CO2 leiden tot heel wat ongemak. We mogen echter niet vergeten dat brandstofceltechnologie vooralsnog uitermate duur is en dat CCS nog eens voor een extra zware kost zou zorgen. Koolbrandstofcellen staan eigenlijk los van het biokoolverhaal van Antonietti, al is het niet uitgesloten dat de nanokorrelgrootte van zijn biokool de prestaties van die koolbrandstofcellen kunnen verbeteren. Als ze brandstofcellenbiokool gebruiken, is het in principe mogelijk een nul-CO2-balans te bekomen. Alleen met (een op die schaal niet evidente) CCS zou die balans negatief kunnen zijn. Maar eventueel toekomstige commercieel rijpe koolbrandstofcellen zullen ook worden gebruikt voor gewone steenkool, met dezelfde CO2-problematiek. In dit licht lijken koolbrandstofcellen zeker interessant, maar het extra kleine rendement van die brandstofcellen weegt wellicht niet op tegen de nadelen van kleinschaligheid. Steenkool zal immers nog lange tijd wereldwijd worden gebruikt (of men dat graag hoort of niet) en het lijkt zinvoller die te gebruiken in grote gecentraliseerde centrales waar CCS wellicht doenbaar zal zijn. Koolbrandstofcellen hebben dus twee zijden. Een positieve manier om dit alles te bekijken is dat de koolbrandstofcel een interessante technologie is die moet worden gestimuleerd, maar waarbij men het gebruik van biokool promoot als brandstof in plaats van gewone steenkool. Vermoedelijk zal dit alleen doenbaar zal zijn als de biokool voldoende betaalbaar is en er tegelijkertijd een CO2-taks komt op de CO2-uitstoot van gewone steenkool, ook bij kleinschalige installaties.

Interessante laboratoriumprocessen bedenken is iets anders dan de praktische realisatie ervan op energie- en klimaatsysteemniveau tot stand brengen

Meer algemeen worstelt Antonietti op energiegebied met dezelfde ‘duurzaamheidsproblematiek’ als alle biomassa. Hoewel zijn proces perfect lijkt te werken met bioafvalstromen, zal het ongetwijfeld ook worden gebruikt voor omzetting van andere soorten biomassa, waarbij dan weer eventuele conflicten met de voedselketen, de be/ontbossingsproblematiek en de volledige landbouwproblematiek kunnen opduiken. De grootste verdienste van het verhaal van Antonietti lijkt zich eerder te situeren op het grensvlak tussen landbouw en klimaat. Zoals eerder gezegd leidt de hydrothermische carbonisatie in de gepaste omstandigheden tot de productie van zeer hoogwaardige humus, zonder in het omzettingsproces CO2 vrij te zetten. Dit soort humus kan worden gebruikt om schrale gronden vruchtbaar te maken en zo het landbouwareaal van bepaalde landen (zoals in Zuid-Amerika en Afrika) te vergroten. De idee is te vergelijken met het gebruik van biohoutskool (‘biochar’) voor het opwaarderen van arme landbouwgrond om zo de plantengroei te laten toenemen, met een positieve biologische CO2-opname uit de atmosfeer tot gevolg. Het verrijken van de gronden met biohoutskool wordt vooral gepromoot door hoogleraar Johannes Lehmann van de Cornell Universiteit. Recent werd in het Verenigd Koninkrijk een ‘Biochar Research Centre’ (UKBRC) opgericht. De ‘geëigende’ methode voor de productie van deze biohoutskool loopt via pyrolyse. De koolstofhumus van Antonietti zou eveneens zeer gunstige eigenschappen hebben voor grondverrijking en is zeer stabiel zodat het zelf ook werkt als een langdurige CO2-‘sink’. De CO2-vangst is dus dubbel: voor de productie van de humus werd biomassa aangewend waarbij de koolstof is vergrendeld en door de toegenomen vruchtbaarheid van eerder onvruchtbare grond nu biomassa kan groeien wat weer leidt tot een verdere CO2-opname. Daartegenover staat dan weer dat het gebrek aan biodegradatie van die biokoolachtige humus verder moet worden onderzocht.

De verwezenlijkingen van Antonietti over hydrothermische carbonisatie zijn zeer lovenswaardig en verdienen verder te worden opgevolgd. Het verhaal toont ook dat interessante doorbraken te verwachten zijn dankzij fundamentele fysische en chemische inzichten. Toch is nuchterheid geboden. Interessante laboratoriumprocessen bedenken is iets anders dan de praktische realisatie ervan op energie- en klimaatsysteemniveau tot stand brengen. De boodschap is tweeërlei: we moeten blijven zoeken naar dé doorbraak, maar niet alle mooie wetenschappelijke resultaten zorgen automatisch voor een grote macro-impact. Dit geldt ook voor de Antonietti-kookpot.

Markus Antonietti, ‘Magic Coal from the Steam Cooker’ in: Max Planck Research, 2/2006 en vervolgartikel in 4/2006.

William D’haeseleer is als energie-expert verbonden aan de KU Leuven.

Deel dit artikel
Gerelateerde artikelen