Koolstofafvang en -gebruik

De afkortingen worden in publieke communicatie vaak door elkaar gebruikt, ook door mensen die het beter zouden moeten weten. Het zijn twee verschillende industrieën met verschillende economie, verschillende tijdschalen, verschillende klimaatboekhouding en verschillende commerciële afnemers. Het door elkaar halen ervan zorgt voor echte verwarring in technische en beleidsdiscussies.

CCS, Carbon Capture and Storage, vangt CO₂ af bij een bron en injecteert het permanent ondergronds. Uitgeputte olie- en gasreservoirs, diepe zoutwaterhoudende lagen en basaltformaties zijn de belangrijkste opslagmedia. Eenmaal geïnjecteerd verlaat de CO₂ de actieve koolstofcyclus. De beoogde duur is geologisch: duizenden jaren, idealiter permanent. Het doel is klimaatmitigatie via langdurige vastlegging. De commerciële afnemer is doorgaans de uitstoter, die betaalt om CO₂ te verwijderen die anders in de atmosfeer terecht zou komen of een koolstofprijs zou opleveren.

CCU, Carbon Capture and Utilisation, vangt CO₂ af en zet het om in bruikbare producten. De koolstof blijft in de meeste gevallen in de actieve koolstofcyclus. Het doel varieert. Soms is het doel klimaatmitigatie, wanneer het product de koolstof voor lange tijdschalen vastlegt. Soms is het doel grondstofsubstitutie, waarbij fossiel afgeleide CO₂ in bestaande chemische processen wordt vervangen door afgevangen CO₂ uit biogene of industriële bronnen. Soms is het beide. De commerciële afnemer is doorgaans de gebruiker van het downstream-product: de koper van de brandstof, de chemicalie of het bouwmateriaal.

Dezelfde afvangtechnologie bedient vaak beide trajecten. De splitsing komt na het afvangen van de CO₂: het kan worden geïnjecteerd (CCS) of omgezet (CCU). De afvangstap is de meer volwassen engineering. De gebruiksstap is waar het meeste van de huidige innovatie, en het meeste van de omstreden klimaatboekhouding, zich bevindt.

Deze pagina gaat over de U in CCU. CCS wordt vermeld waar relevant voor context, maar de inhoudelijke discussie gaat over wat er met afgevangen CO₂ gebeurt zodra je hebt besloten het te gebruiken in plaats van op te slaan. De twee trajecten worden door klimaatbeleid en projectontwikkelaars steeds vaker als alternatieven gepresenteerd. Of ze dat werkelijk zijn, of dat ze verschillende rollen vervullen in een decarboniserende economie, is een van de echt interessante openstaande vragen in dit vakgebied.

CO₂ voor gebruik komt uit drie hoofdcategorieën bronnen, elk met verschillende concentraties, verschillende kosten en verschillende klimaatboekhouding.

Industriële puntbronnen. Veel industriële processen produceren geconcentreerde CO₂-stromen als bijproduct van hun normale werking. De concentratie varieert sterk. Ammoniakfabrieken stoten vrijwel zuivere CO₂ uit via de stoomreforming-stap. Ethanolfermentatie, biogasopwaardering en vergelijkbare biologische processen stoten CO₂ uit met een zuiverheid van bijna 100 procent. Cementovens stoten CO₂ uit met een concentratie van 15 tot 30 procent, gemengd met verbrandingsgassen. Staalfabrieken stoten 15 tot 25 procent uit. Kolencentrales zitten rond 10 tot 15 procent. Aardgascentrales zitten rond 4 tot 10 procent, de meest verdunde van de grote industriële bronnen.

Hogere concentratie betekent goedkopere afvang. Zuivere stromen uit ammoniak en fermentatie kunnen worden afgevangen voor €20 tot €50 per ton. Cement- en staalstromen kosten €40 tot €90. Rookgas van centrales kost €60 tot €150. De keuze van afvangtechnologie varieert ook met de concentratie. Amine-absorptie domineert voor stromen met lage tot gemiddelde concentratie. Vaste sorbenten komen op als alternatieven met een lagere energiebehoefte. Membranen werken goed bij hogere concentraties. Calciumlussen (calcium looping) komen specifiek op voor cementtoepassingen. Oxyfuel-verbranding produceert een zuivere CO₂-stroom door de brander met zuurstof in plaats van lucht te voeden, maar vereist installatiebrede integratie die het beste in nieuwbouw wordt toegepast.

Biogene CO₂. Dezelfde afvangtechnologieën, toegepast op biologische bronnen. De CO₂ is via fotosynthese in recente biologische cycli uit de atmosfeer gekomen, dus het gebruik ervan voegt geen netto fossiele koolstof toe aan de atmosfeer. De economie is vergelijkbaar met puntbronafvang uit de industrie, vaak beter omdat biologische stromen doorgaans sterk geconcentreerd zijn. De beperking is aanbod. De totale wereldwijd beschikbare biogene CO₂ uit geconcentreerde bronnen ligt in de orde van enkele honderden miljoenen tonnen per jaar, tegenover gigaton-schaal vraag onder ambitieuze decarbonisatiescenario's.

Directe luchtafvang (DAC). Het rechtstreeks afvangen van CO₂ uit omgevingslucht, met een concentratie van ongeveer 420 ppm in 2025. Twee hoofdtechnologiefamilies domineren. Vloeibare oplosmiddel-DAC (Carbon Engineering, 1PointFive) gebruikt hydroxide-oplossingen om CO₂ te absorberen en regenereert het oplosmiddel vervolgens met hoge-temperatuurwarmte. Vaste sorbent-DAC (Climeworks, Heirloom, Carbon Capture, anderen) gebruikt aminegefunctionaliseerde vaste materialen, geregenereerd bij gematigde temperatuur. Elektrochemische DAC komt op als derde familie maar staat vroeger op de maturiteitscurve.

De kosten in 2025 liggen tussen €400 en €1.000 per ton voor huidige operationele installaties, met geloofwaardige projecties van €200 tot €400 per ton tegen 2030 en €100 tot €200 per ton later in het decennium als aanzienlijke opschaling zich voordoet. DAC is het enige afvangtraject dat niet afhankelijk is van een geconcentreerde bron, wat het geografisch flexibel en ondubbelzinnig klimaatpositief maakt. Het is ook momenteel vijf tot vijftien keer duurder dan puntbronafvang.

De keuze van koolstofbron is een van de meer bepalende beslissingen in een CCU-project. Puntbron-CO₂ van een fossiele uitstoter, gebruikt om e-fuels te maken, is technisch gezien CCU maar biedt beperkt netto klimaatvoordeel omdat de fossiele uitstoter blijft draaien. Biogene CO₂ is echt circulair. DAC is echt additioneel. De kostenverschillen tussen deze bronnen, en de regelgevingskaders die ze verschillend behandelen (RED III beperkt fossiele puntbron-CO₂ als RFNBO-grondstof geleidelijk tot en met 2041), betekenen dat de keuze van koolstofbron zelden louter een technische beslissing is. Het is een strategische en politieke beslissing met technische gevolgen.

Dit is de sectie die het meest telt, en de sectie waar de marketingmaterialen van de CCU-industrie het vaakst omheen dansen.

De fundamentele waarheid in de klimaatboekhouding: de waarde van het afvangen van één ton CO₂ hangt af van hoe lang die ton daarna buiten de atmosfeer blijft. Als de CO₂ binnen weken weer vrijkomt, is de klimaatwaarde minimaal. Als het eeuwenlang vastzit, is de klimaatwaarde reëel. CCU-trajecten bestrijken het volledige spectrum van het ene naar het andere, en de verschillen zijn enorm.

Het spectrum van permanentie, gerangschikt van kortst naar langst:

Uren tot dagen. Koolzuur in dranken, waarbij de CO₂ vrijkomt zodra het blikje of de fles wordt geopend. Kasverrijking, waarbij het grootste deel van de CO₂ binnen dagen vrijkomt via plantademhaling en ventilatie. Sommige industriële toepassingen met korte cycli.

Dagen tot maanden. De meeste brandstoffen. e-Diesel en e-kerosine laten hun koolstof vrij bij verbranding, wat dagen tot weken na productie van de brandstof gebeurt. e-Methanol gebruikt als brandstof idem. De klimaatwaarde van deze trajecten zit in het verdringen van fossiele alternatieven, niet in het opslaan van koolstof. Ze zijn nuttig voor het decarboniseren van luchtvaart en scheepvaart omdat er niets beters beschikbaar is, maar het is geen vastlegging.

Maanden tot een paar jaar. Ureumkunstmest geeft zijn CO₂ binnen maanden na toepassing op de bodem vrij via hydrolyse. Kortlevende chemische tussenproducten die snel worden geproduceerd, gebruikt en gemetaboliseerd. Wegwerpplastics die in verbranding of biologische afbraak terechtkomen.

Jaren tot decennia. Veel duurzame kunststoffen, afhankelijk van het einde van de levensduur. Polycarbonaat vensterruiten, polyurethaanisolatie, structurele kunststoffen in gebouwen en voertuigen. De koolstof blijft in gebruik voor de levensduur van het product en komt daarna in afvalstromen terecht, waar het lot ervan afhangt van de verwerkingspraktijk.

Decennia tot eeuwen. Polymeren en materialen in langlevende toepassingen die niet in verbranding terechtkomen (sommige bouwkundige polymeren, langlevende composieten). Structurele elementen van koolstofvezel.

Eeuwen tot millennia. Gemineraliseerde carbonaten, in beton en toeslagstoffen. CO₂ in CaCO₃ en MgCO₃ is thermodynamisch uiterst stabiel. Het is dezelfde reactie die CO₂ over geologische tijd in kalksteen vastlegt, industrieel versneld. Aan mineralen gebonden koolstof houdt zo lang stand als het gesteente waar het deel van uitmaakt, wat geologisch van schaal is.

Geologische permanentie. Dit is de tijdschaal van CCS (injectie in diepe zoutwaterhoudende lagen, in-situ basaltmineralisatie), strikt genomen niet van CCU. Hoewel versnelde gesteenteverwering, waarbij fijngemalen reactieve mineralen op landbouwgrond of kustgebieden worden verspreid om over jaren tot decennia met atmosferische CO₂ te reageren, soms als een aan CCU verwant traject wordt geclassificeerd.

Voor klimaatboekhoudingsdoeleinden trekken de meeste kaders (het IPCC, de Europese Commissie, de vrijwillige koolstofmarkt) ergens tussen de band jaren-tot-decennia en de band decennia-tot-eeuwen een grens. Onder die grens wordt het klimaatvoordeel behandeld als marginaal of als een verdringingsclaim in plaats van een vastleggingsclaim. Boven die grens wordt de koolstofopslag als duurzaam genoeg beschouwd om betekenisvol mee te tellen tegen emissies.

Dit levert een nuttig kader op voor elk CCU-project: doet dit project iets dat koolstof daadwerkelijk voor klimaatrelevante tijd buiten de atmosfeer houdt, of doet het vooral aan fossiele-brandstofverdringing? Beide kunnen legitieme doelen zijn. Het zijn niet dezelfde doelen. Een project dat ze door elkaar haalt, of dat CCU met korte permanentie op de markt brengt alsof het permanente vastlegging is, misleidt zijn klanten, zijn investeerders en uiteindelijk de klimaatboekhoudingskaders die hierop zullen inlopen.

De publieke en academische kritiek op CCU bevat verschillende argumenten die elke serieuze pagina over dit onderwerp zou moeten adresseren in plaats van ontwijken. Ze zijn het waard om serieus te nemen, ook als je uiteindelijk concludeert, zoals Ionect doet, dat CCU een legitieme rol heeft in een decarboniserende economie.

De meeste CCU legt geen koolstof vast. Het verdringt ofwel fossiele brandstoffen (bij e-fuels) of het laat koolstof tijdelijk door producten circuleren voordat het weer vrijkomt. De klimaatwaarde van deze trajecten is reëel, maar het is de waarde van het vermijden van emissies elders, niet van het verwijderen van emissies die al hebben plaatsgevonden. Deze twee door elkaar halen is de meest voorkomende retorische fout in de CCU-industrie.

CCU kan voortgezette fossiele operatie rechtvaardigen. Het argument uit de kritische literatuur is dat CCU bij een fossiele uitstoter, deels betaald via koolstofkredieten of RFNBO-afname, politieke dekking kan bieden voor uitgestelde uitfasering van fossiele brandstoffen. De uitstoter blijft uitstoten, maar herkadert de operatie als een “CCU-project” in plaats van als een onbeperkte fossiele operatie. Dit is het argument van moreel risico, en het wordt door beleidsmakers serieus genoeg genomen dat de Europese RED III het gebruik van fossiele puntbron-CO₂ voor RFNBO-productie na 2041 beperkt.

De energie-efficiëntie is slecht. Bijna elk CCU-traject vereist aanzienlijke energie-input, waarvan een groot deel meer decarbonisatie zou opleveren als het direct werd ingezet. Een megawattuur duurzame elektriciteit gebruikt in een warmtepomp, of om een elektrisch voertuig op te laden, levert meer decarbonisatie aan de gebruikskant op dan hetzelfde megawattuur gebruikt om via een meerstaps CCU-keten een e-fuel te maken. Dit argument maakt CCU niet ongeldig, maar pleit wel voor discipline in waar CCU wordt ingezet.

Het schaalpotentieel is begrensd. Zelfs de meest ambitieuze scenario's voor CCU in 2050 vangen en gebruiken in de orde van één tot twee gigaton CO₂ per jaar. De huidige wereldwijde emissies liggen rond 40 gigaton per jaar. CCU is een instrument, geen oplossing. Het als oplossing behandelen riskeert de ene vorm van afhankelijkheid te vervangen door een andere.

De koolstofboekhouding is omstreden. De levenscyclus-broeikasgasboekhouding van CCU-trajecten is werkelijk complex. Verschillende boekhoudkaders komen tot verschillende conclusies. Sommige producten die onder het ene kader klimaatvoordeel claimen, leveren dat onder een ander kader niet. De vrijwillige koolstofmarkt worstelt momenteel met een geloofwaardigheidscrisis die deels wordt aangewakkerd door overdreven claims van compensatieprojecten, en CCU-claims staan onder dezelfde controle.

Het eerlijke antwoord op deze kritiek, zoals Ionect het ziet, is ongeveer als volgt. CCU is echt nuttig waar het toepassingen bedient die op geen enkele andere manier kunnen worden gedecarboniseerd (luchtvaart- en diepzeescheepvaartbrandstoffen zijn de belangrijkste voorbeelden), waar het fossiel afgeleide grondstoffen vervangt in industrieën die koolstofhoudende producten zullen blijven nodig hebben (ammoniak, methanol, polymeren), of waar het koolstof duurzaam vastlegt in materialen die de wereld zal blijven bouwen (beton en bouwmaterialen bovenaan die lijst). CCU wordt overschat waar het als koolstofneutraal wordt vermarkt terwijl het in feite kortdurende koolstofrecycling is, waar het wordt ingezet in toepassingen die direct geëlektrificeerd zouden kunnen worden, of waar het wordt gebruikt om de operationele levensduur te verlengen van fossiele uitstoters die zouden moeten uitfaseren. De framing die projecten en het klimaat het beste dient, is om van elk CCU-project te vragen: doet dit iets dat echt gedaan moet worden, en gebeurt het op een manier die echt nuttig is voor het klimaat? Beide vragen moeten met ja worden beantwoord. Veel aangekondigde projecten beantwoorden er slechts één.