Nova-Institut, samen met industrieën en universiteiten (vooral de Universiteit van York) heeft een nieuw hulpmiddel ontwikkeld voor beleids- en investeringsbeslissingen: de Efficiency van Biomassagebruik (BUE). BUE-analyses zullen antwoord geven op twee belangrijke vragen rond de biobased economy en groene chemicaliën: hoe efficiënt wordt de biomassa gebruikt? En: welk percentage van de biomassa komt terecht in het eindproduct?
Over de biobased economy heb ik Feike Sijbesma van DSM en anderen horen zeggen: zo’n economie kan alleen maar tot wasdom komen en succesvol concurreren met de fossiele economie, als deze net zo efficiënt met zijn grondstof omgaat als de laatste. Het is een bekend principe van de petrochemische industrie dat alle koolstofatomen uit de grondstof, tot en met de laatste, uiteindelijk terecht komen in een verkoopbaar product. Dit kunnen we de zeer hoge doelmatigheid noemen van deze industrie, ontwikkeld in een langdurig proces van optimalisatie. Industrieën op basis van groene grondstoffen zijn echter nog maar net begonnen, waardoor zij nog zeer veel inefficiënties kennen, anders gezegd: verspilling van atomen uit de grondstof, vooral van koolstof en zuurstof.
Biomassagebruik bij ethanolproductie
Kijk bijvoorbeeld eens naar de welbekende fermentatie van suikers tot ethanol:
C6H12O6 –> 2 C2H5OH + 2 CO2
1 glucose –> 2 ethanol + 2 kooldioxide
180 gram –> 92 gram + 88 gram
Hier komen maar vier van de zes koolstofatomen en zelfs maar twee van de zes zuurstofatomen terecht in het gewenste product, de rest laat men ontsnappen. Met de rekenmethode van de Efficiency van Biomassagebruik berekenen we de mate waarin materie en energie-inhoud van de uitgangsstof behouden blijven in het eindproduct. Deze BUE kan worden uitgedrukt in een theoretische (hoge) en praktische (lagere) waarde. Voor de bovenstaande vergelijking is de hoge waarde gelijk aan 92/180 = 51%; bij dit goed ontwikkelde proces is de lage waarde niet veel lager: 47%. Maar de energie-efficiëntie is veel hoger: de energie opgeslagen in de twee ethanolmoleculen is 86% van die in het glucosemolecuul. De conclusie luidt dan ook dat het maken van ethanol uit suikers redelijk efficiënt is wanneer het erom gaat, deze te gebruiken als energiebron. Maar als het erom gaat, materialen te maken (bijvoorbeeld PE, polyetheen, waarvoor de twee overblijvende zuurstofatomen ook nog verwijderd moeten worden), dan is deze route zeer inefficiënt; wat suggereert dat groen PE op den duur niet zal kunnen concurreren met PE uit fossiele grondstoffen.
De efficiency-analyse van het biomassagebruik laat dus zien wáár de grondstof ondoelmatig wordt gebruikt. De analyse laat direct zien waar inefficiëntie zit bij de omzetting van biomassa in chemische tussenproducten. Besluitvormers bij industrieën en de overheid kunnen hiermee zien welke grondstof-proces-product-routes optimaal zijn. Als de keus, bijvoorbeeld bij het maken van azijnzuur, is tussen directe (anaerobe) fermentatie en oxidatie van ethanol, dan zou het verschil in theoretische BUE (90% vs. 60%) direct de doorslag kunnen geven. In het algemeen springt anaerobe fermentatie (in gesloten reactoren, zonder zuurstof) er veel beter uit dan aerobe fermentatie (aan de lucht, met zuurstof, zoals in rioolwaterzuiveringsinstallaties), met zijn onvermijdelijke productie van CO2.
Grondstoffen met veel zuurstof moeten voor materialen worden gebruikt
Een andere algemene regel die we kunnen afleiden uit BUE-berekeningen is dat grondstoffen met veel zuurstof, zoals cellulose, zetmeel of suikers, het best kunnen worden omgezet in materialen. Melkzuur heeft zelfs een score van 100% als het wordt gemaakt uit glucose, en daarom is ook PLA een buitengewoon goede groene kunststof vanuit het oogpunt van materiaalgebruik. Maar bij biobrandstoffen als eindproduct leiden grondstoffen met weinig zuurstof (zoals plantaardige oliën) tot een veel betere score. Biomethaan uit cellulose bijvoorbeeld heeft een BUE van 20%, en synthetische brandstoffen uit cellulose nog lager, 12%; maar biodiesel uit plantaardige oliën heeft een BUE van 98% (als ook de glycerol in de oliën nuttig wordt gebruikt). De belangrijkste resultaten kunnen worden afgelezen uit de figuur: ‘Highest Realistic Biomass Utilisation Efficiency (BUEH) for different bio-based feedstocks, processes and products: chemicals, polymers and fuels.’
‘Wij verwachten dat het belang van inzichtelijke BUE-berekeningen zal toenemen naarmate het grondstofgebruik, en daarmee ook de onderlinge concurrentie om grondstoffen, bij de groene chemische industrie gaat toenemen,’ zegt Kerstin Iffland, de belangrijkste auteur van het nova-rapport. ‘Dit rapport laat zien dat het belangrijk is om het juiste molecuul te combineren met het juiste proces in de juiste toepassing.’ Wij vragen ons echter af tot welke scores voor de efficiency van biomassagebruik men zou komen als de hele biomassa, inclusief lignine, eiwitten en anorganische bestanddelen, als uitgangspunt wordt genomen. Cellulose staat niet gelijk aan biomassa. Dus zelfs als cellulose-tot-PLA efficiënt zou zijn, dan nog zouden er voor biomassa-tot-PLA aanvullende processen (zoals bioraffinage) nodig kunnen zijn om in de buurt van de petrochemische scores te komen. Maar misschien wordt dit het onderwerp van een nieuwe studie.