Het C2FUEL-project over hergebruik van afgevangen CO2

Ik volg een beetje wat ze op de TU/e in mijn woonplaats Eindhoven op energiegebied doen (ze hebben regelmatig digitale lunchlezingen en gratis middagprogramma’s). Zodoende een verhaal over het Europese C2FUEL-project, waarvan TU/e – onderzoeker mevrouw Fernanda Neira d’ Angelo namens de TU/e betrokken is bij het ontwerp van de reactor.
Er lopen veel researchprojecten op het gebied van synthetische brandstof. Het C2FUEL-project kwam toevallig op een geschikt moment langs en wordt hier verder als voorbeeld uitgediept.

De opzet van het project
Het C2FUEL-project is een met 4 miljoen Europese Horizonsubsidie gesteund project (https://cordis.europa.eu/project/id/838014 ), waarin stroomproducent Engie ( Engie ) de coördinatie doet, en die ontworpen wordt (althans voor de eerste test) voor de hoogoven van Arcelor Mittal in Duinkerken. Deze staalfabriek is de voornaamste belanghebbende.
Het project loopt van 2019 t/m 2023 . Het is een researchprogramma van bescheiden omvang, dat eventueel op een grootschalige toepassing kan leiden.

De researchnadruk in het project ligt op het hergebruik van afgevangen CO2. Het afvangen zelf gebeurt met inmiddels bekende technieken.

Tot nu toe maakt men synthetische brandstoffen uit syngas, in zuivere vorm een mengsel van waterstof en koolmonoxide (H2 en CO). Op zich is dat een oude en redelijk uitontwikkelde techniek. Dat syngas kan gemaakt worden vanuit koolstofhoudende materialen, zoals aardgas, kolen of biomassa. Het nadeel is dat CO giftig is.

Vandaar de basisgedachte van het project om niet alleen CO, maar ook CO2 als grondstof te nemen.
Maar CO2 is zoiets als de bodem van het energetische putje en om het daaruit te krijgen moet je minstens zoveel energie toevoeren als het aan CO2 voorafgaande verbrandingsproces vrijgemaakt heeft. Dat lukt met waterstof. De bedoeling van het project is dat die waterstof groen is, dus uit elektrolyse voortkomt, en via deze route wordt de energie in elektrische vorm in het proces gestopt. Eerste tussenproduct is methanol. En ladingen water (uit al die H’s en O’s die niet in de methanol eindigen). Mevrouw Neira d’ Angelo houdt zich namens de TU/e met het ontwerp van de reactor bezig waarin dit allemaal gebeurt, oa met een membraan die wel het water doorlaat maar niet (althans zo weinig mogelijk) de gewenste rest.

Het ontwerpen van goede electrolyse-apparatuur is deel van het project.

De documentatie laat nog open waar de groene stroom straks vandaan komt.
Uit andere bron is bekend dat er een groot windpark bij Duinkerken voor de kust komt van 600MW ( https://www.power-technology.com/news/total-orsted-elicio-dunkirk/ ). In het C2FUEL-project wordt dit genoemd.
In Graveline ligt een grote kerncentrale.
Er is niet meteen haast bij. Voor de testopstelling kan bij wijze van spreken gewoon met een zwaar stopcontact volstaan worden.

De CO2 – opvangeenheid en de reactor

De eindproducten
Het project is ontworpen op de productie van 1500kg dimethylether (DME) en mierenzuur (FA) op labschaal.

Dimethylether (H3C-O-CH3) het kleine broertje van wat in de volksmond gewoon het narcosegas ether heet (dat is di-ethylether). DME is bij kamertemperatuur een gas dat met weinig of geen moeite diesel of LPG kan vervangen.
Mierenzuur ( HCOOH) is een redelijk hanteerbare vloeibare vorm om waterstof op te slaan. Je kunt er een brandstofcel annex elektromotor op laten lopen (zie https://www.bjmgerard.nl/mierenzuuraggregaat-vervangt-dieselaggregaat-maar-wat-dat-precies-oplost/ ).
Dit zijn goede researchdoelen.

Wat heeft Arcelor Mittal ermee te maken?
Arcelor Mittal heeft een hoogoven in Duinkerken en die staat naast een hele grote (ca 800MW) gascentrale van  Engie. Die draait primair op aardgas, maar kan ook draaien op het hoogovengas van de ernaast gelegen staalfabriek van Arcelor Mittal.

De bedoeling is dat de staalfabriek CO en CO2 gaat leveren aan C2FUEL. Het rookgas van de staalfabriek bestaat voor ruim 23% uit CO, voor ruim 23% uit CO2 , voor 49% uit stikstof, voor 4% uit waterstof, en verder geringe hoeveelheden verontreinigingen.

Staalfabrieken vallen onder het ETS, zij het nu op uitzonderingsbasis, en zullen vroeg of laat moeten gaan betalen. Door een deel van de CO2 in de vorm van chemicaliën aan anderen te leveren, hoeft Arcelor Mittal minder ETS-rechten te betalen (en de afnemers van die chemicaliën mogelijk meer). Uiteraard staan daar kosten van de methode tegenover, maar het bedrijf beweert dat die lager zijn dan het ETS.

ArcelorMittal heeft ook een ander researchprogramma dat puur de afvang van CO2 wil verbeteren (zonder daarbij over hergebruik te praten). Dat levert heel zuiver COonder 7 atmosfeer druk. Wat er vervolgens met die CO2 gebeuren moet, vermeldt het verhaal niet.  Zie https://corporate.arcelormittal.com/climate-action/decarbonisation-technologies/the-3d-project-dmx-demonstration-in-dunkirk . Mogelijk wedt ArcelorMittal op meerdere paarden.

Foto website ArcelorMittal

De laatste jaren begint de Directe Reductie van Ijzer (DRI) op te komen. Dat gaat met waterstof en daar komt geen cokes meer aan te pas. ArcelorMittal heeft geëxperimenteerd met waterstof  in zijn Canadese vestiging, aldus de website van ArcelorMittal.
Recente persberichten  beschrijven hoe de Franse premier Castex, met 1,7 miljard in zijn achterzak, in Duinkerken op bezoek kwam voor het plan om in 2030  twee van de drie hoogovens op waterstof te laten werken. Zie artikel in Francebleu .

ArcelorMittal wil zijn Europese CO2 – emissies in 2030 met 35% teruggebracht hebben. De uitvoerbaarheid van dit voornemen is voor mij onduidelijk. Maar een volledige bespreking van de bedrijfspolitiek van ArcelosMittal voert hier te ver. Die nu slechts voorzover het relevant is als achtergrond voor het C2FUEL-project.

Wat worden energie, klimaat en milieu er beter van?
Voor een beantwoording moet men onderscheid maken tussen het grote verhaal van de bedrijfspolitiek van ArcelorMittal op verduurzamingsgebied, en het kleine verhaal over het researchproject C2FUEL.

Het grote verhaal gaat over hoogovens op waterstof en over grootschalige CO2-opvang.
Als twee hoogovens in 2030 inderdaad op waterstof zouden draaien (wat ik  nog moet zien en wat een revolutie zou zijn), zou dat enorm schelen voor het klimaat en voor de omringende leefomgeving. Er zou dan geen vraag zijn naar diensten, zoals C2FUEL die beoogt. Men zou kunnen redeneren dat als men genoeg waterstof heeft, het meer zin heeft om aan de bron CO2 te voorkomen dan die end of pipe via iets als C2FUEL weer nuttig te maken.

CO2-afvang van ArcelorMittal met DMX in Duinkerken (foto website)

Maar zelfs in de optimistische versie is dat niet het hele verhaal.
Minstens één Duinkerkse hoogoven blijft voorlopig op cokes blijft werken (dat is koolstof in de vorm van voorbewerkte steenkool). Men kan zich de vraag stellen of die hoogoven terecht open blijft en of men niet gewoon minder staal moet willen, maar die vertakking in de verhaallijn laat ik nu buiten beschouwing.
Voor de situatie met één hoogoven op cokes kan de vraag naar het nut van een project als C2FUEL voor milieu, energie en klimaat opnieuw gesteld worden, en dat is de verhaallijn van dit artikel.

De voornaamste belasting voor het milieu ter plekke van de hoogoven is gekoppeld aan de cokes en daaraan verandert vooralsnog niets.

Het opvangen van CO2 , slechts met het doel die onder de zeebodem op te bergen, is een omstreden zaak die ik nu hier niet behandel. Dat heeft geen relatie met het project,

Het opvangen van CO22 met het doel die te hergebruiken voor brandstof, is waar het C2FUEL – project over gaat.
De verdiensten van een dergelijk project moeten beoordeeld worden aan de grootheden koolstof, energie en leefomgeving.

Alle koolstof, die als cokes de hoogoven ingaat, komt er later in de keten weer uit. Een deel direct (het afvangrendement van CO2 is vast geen 100%), een deel via de omweg van dimethylether en een deel via de omweg van mierenzuur.
De omweg via dimethylether vervangt een bepaalde hoeveelheid dieselolie die anders verbrand had moeten worden, en de omweg via mierenzuur spaart uit op een ander proces waarmee men dat mierenzuur anders had moeten maken. In die zin is er sprake van een reële koolstofwinst.

De vorming van alle elektrofuels, waaronder ook dimethylether en (kortheidshalve) mierenzuur kost een heleboel electrische energie. Bij gangbare elektrofuel-productieprocessen (die nog niet in massaproductie bestaan) rekent men meestal grofweg met 50% rendement (de helft van de hernieuwbare elektrische energie komt uiteindelijk in de brandstof terecht).
Bedacht moet worden dat alle opslagsystemen (je kunt electrofuels zien als opslag van elektrische energie) een rendement hebben dat kleiner is dan 100%.

Hoe dat in het C2FUEL-project uitpakt, is nog niet te zeggen. Er moet dan een Life Cycle Assessment (LCA) op tafel gelegd worden en een van de doelen van het project is (of  zou moeten zijn) om een dergelijke LCA op te stellen.
Het is niet voor niets een wetenschappelijk project.

En wat als ArcelorMittal uiteindelijk niets met de uitkomst doet?
Geen man overboord. Het project en ArcelosMittal zijn niet met ketenen aan elkaar gekoppeld.

Mogelijk heeft ArcelorMittal uiteindelijk geen CO2 – hergebruikprogramma omdat het voor iets anders kiest (geen hoogoven op cokes meer of de CO2 onder de zeebodem stoppen).
Maar, andersom redenerend, kunnen technieken als het C2FUEL-project aan heel veel CO2 – bronnen gekoppeld worden.  

Het meest extreme voorbeeld is koppeling aan een Direct Air Capture (DAC)-installatie, die de CO2 direct uit de atmosfeer haalt. Zie https://en.wikipedia.org/wiki/Direct_air_capture . Er zijn al ondernemingen die dat doen, allemaal in de sfeer van start-ups. Omdat de CO2 -concentratie in de vrije atmosfeer ongeveer 0,04% is en in (bijvoorbeeld) de Duinkerkse hoogoven ruim 23%, zijn DAC-installaties (bij eenzelfde capaciteit) onvergelijkelijk veel groter en duurder dan schoorsteeninistallaties.
De grenswaarde voor de CO2-concentratie in Nederlandse klaslokalen is overigens 0,12%.

Hieronder als voorbeeld de Finse start-up Soletair Power ( https://www.soletairpower.fi/ ), die onder andere CO2 – afvang combineert met de airco van gebouwde omgeving. Ze maken er methaan van (vooralsnog in bescheiden hoeveelheden). De startup wordt gesteund door de Finse onderneming Wärtsilä. Hoe C2FUEL het gaat doen als het project (in 2023) voltooid is, moet blijken. Verwante technieken hebben in elk geval een toekomst.

DAC-installatie buitenunit
DAC-installatie die methaan levert