Met kooldioxide en olivijn naar een duurzaam alternatief voor cement

Start-up Paebbl ontwikkelt nieuw proces met CO₂ als grondstof

Kooldioxide is een bijproduct van de industrialisatie, waardoor er zich momenteel grote hoeveelheden CO₂ in lucht en water bevinden. De afgelopen tijd heeft de Nederlands-Scandinavische start-up Paebbl daarom gewerkt aan een radicale versnelling van de mineralisatie van CO₂ in een hogedrukreactor. Wat in de natuur eeuwen kan kosten, kan Paebbl in een uur in deze reactor. Het zet hierin CO₂ met olivijn om in steenpoeder, waaruit beton kan worden gemaakt. Deze versnelde mineralisatie staat garant voor het permanent vastleggen van CO₂, waarbij een koolstof-negatief materiaal ontstaat dat nuttige toepassingen heeft. Dus een dubbele winst: én CO₂-vastlegging en CO₂-besparing door minder cement te gebruiken.

De mondiale cementindustrie is goed voor maar liefst 8% van de jaarlijkse CO₂-uitstoot

Afvangen, permanent binden en hergebruiken van CO₂

Het Nederlands-Scandinavische start-upbedrijf Paebbl is opgericht in 2021 met als doel het afvangen, permanent opslaan en hergebruiken van kooldioxide, beter bekend als Carbon Capture Utilisation and Storage (CCUS). Het wil een klimaatomslag in de bouw teweegbrengen, door met CO₂ uit de lucht en olivijn een klimaatvriendelijk alternatief voor cement te produceren. De mondiale cementindustrie is namelijk goed voor maar liefst 8% van de jaarlijkse CO₂-uitstoot. Het genoemde bedrijf laat hiertoe het mineraal olivijn in een reactor met een katalysator onder hoge druk en temperatuur met CO₂ reageren.

Hierbij ontstaat magnesiumcarbonaat en silica. Het olivijn is afkomstig van Italië.

Hoewel er energie nodig is om de reactor op druk en temperatuur te houden, is dit slechts een fractie van de opgeslagen CO₂-uitstoot en het proces genereert zelfs meer energie in de vorm van warmte. Het gevormde product kan niet alleen zand en grind vervangen, maar heeft ook bindende eigenschappen, wat betekent dat het deels cement in de fabricage van beton kan vervangen. In beton blijft CO₂ niet alleen vastgelegd, maar heeft het ook een nuttige toepassing. Zelfs als een gebouw wordt afgebroken, blijft de CO₂ nog steeds opgeslagen in het materiaal. De technologie van Paebbl is industrieel toepasbaar.

Het mineralisatieproces

De reactie van CO₂ met olivijn gaat onder natuurlijke omstandigheden heel langzaam, door de lage CO₂-concentratie en temperatuur. Verschillende steensoorten, waaronder olivijn, verweren in de natuur vanzelf als ze in contact komen met CO₂ opgelost in regenwater. Zo zijn onder andere de rotsen van Dover ontstaan. Dit geologische proces duurt decennia en is dus niet bruikbaar voor de chemische industrie. Maar door deze chemische reactie onder druk, bij een hogere temperatuur en met additieven te laten plaatsvinden, gaat deze reactie een miljoen keer sneller dan in de natuur. 

En dit was de reden voor Pol Knops (met ruime ervaring in een ander hogedruk/hogetemperatuurproces) om dit onderzoek te starten. Eerst met de Universiteit Leuven, en later met de RWTH Aachen. Dit resulteerde in een beter begrip over de reactie, hoe die nog verder te versnellen (met additieven) en ook hoe de gevormde eindproducten nuttig toepasbaar zijn. Ook nu werkt de start-up nog intensief samen met enkele universiteiten om het proces verder te optimaliseren.

Het proces begint met olivijn dat tot korrelgroottes van 100 micrometer of minder is vermalen om het voldoende reactief te maken. Dit wordt verwerkt tot een slurry. Deze slurry wordt toegevoegd aan de mineralisatiereactor. Dit is een hogedrukreactor. De benodigde CO₂ komt uit de schoorsteen van een fabriek die broeikasgas uitstoot of een installatie die het CO₂ uit de lucht haalt (DAC, direct air capture).

Paebbl investeert niet zelf in deze technieken om CO₂ af te vangen of uit de atmosfeer te halen, maar werkt wel intensief samen met deze bedrijven. De reactie die dan in de reactor plaatsvindt, is (vereenvoudigd):

Mg₂SiO₄ + 2 CO₂ ---> 2 MgCO₃ + SiO₂ (DH_R = -1,9 MJ/kg CO₂)

Dus:
• je legt CO₂ permanent vast,
• je maakt een nuttig toepasbaar eindproduct (een mengsel van Magnesiet en Silica) met de eigenschappen van cement
• en de reactie is exotherm.

In massa termen: 2 ton olivijn + 1 ton CO₂ geeft 3 ton eindproduct.

De reactie is exotherm en die vergt netto geen energie (behalve voor het op druk brengen). En omdat het eindproduct cement kan vervangen, is de CO₂-emissie extreem laag. De grote uitdaging bestaat uit het op druk brengen en weer laten afnemen van de druk.

Beide gevormde stoffen dienen als grondstof voor de productie van cement of papier. Dit nieuwe materiaal kan namelijk het zand en een deel van het cement in beton vervangen. Natuurlijk is er energie nodig voor de winning en het transport van olivijn, het vermalen van het mineraal en de zuivering van het aangevoerde koolzuurgas.

Deze energiebalans is berekend in een wetenschappelijke publicatie (2020 Ostovari Rock ‘n’ use of CO: carbon footprint of carbon capture and utilization by mineralization, Sustainable Energy Fuels, 2020, 4, 4482).

De term 'CO₂ in off-gas' verwijst naar de feitelijke CO₂-vastlegging, en 'Substitution credit (use stage)' verwijst naar besparingen op cement. De andere termen beschrijven de energie voor het mijnen, malen, CO_2-afvangen, proces etc.). Dus de CO₂-winst is meer dan geologische CO₂-opslag.

Er wordt dus niet alleen CO₂ vastgelegd in het cement. Er wordt daarnaast bespaard op de CO₂-emissie die het resultaat zou zijn van energieverbruik en reacties binnen de conventionele productie van cement, welke een zeer hoge CO₂-intensiteit heeft.

R&D-centrum in Rotterdam

Om dit proces industrieel op te schalen, is er natuurlijk behalve het chemische proces, ook procesengineering, apparatuur en mensen noodzakelijk. Dit was de reden om het R&D-centrum in Rotterdam te vestigen. Rotterdam is tenslotte de hotspot van de petrochemie van Europa.

En de opschaling van diverse chemische processen is erg “eigen” aan Rotterdam, leveranciers zijn er te vinden en ook de mensen (met name afkomstig uit de olie- en gaswereld die de overstap willen maken). Een probleem (dat opgelost is) is dat voor zo’n R&D-centrum behoorlijk veel ruimte nodig is, maar als start-up wil je natuurlijk niet beginnen met de bouw van een hal, maar wil je liever gebruikmaken van bestaande infrastructuur. Dit is gelukt doordat Paebbl op RDM (Rotterdamsche Droogdok Maatschappij) een mooie grote proeflocatie gevonden heeft. En als laatste is er natuurlijk voldoende CO₂-aanbod én een substantiële vraag naar beton.

Data-analyse en AI zullen worden gebruikt om de ontwikkeling van betonmengsels te versnellen

In samenwerking met de industrie doet Paebbl nu proeven om vast te stellen hoe sterk het verkregen materiaal is en hoe het zich houdt onder bijvoorbeeld vorst. De opschaling van deze proeven heeft al gedeeltelijk plaatsgevonden. Bij de start bedroeg de productie een halve kilo en daarna vijftig kilo, eind 2024 moet de productiecapaciteit gegroeid zijn naar twee ton per dag. Dat is nog steeds klein voor de industrie, maar genoeg voor proefprojecten en demonstraties. En deze opschaling geeft ook de informatie om de volgende grotere installatie te kunnen engineeren en bouwen.

Paebbl heeft inmiddels in deze proefopstelling in Rotterdam een eerste ton CO₂ vastgelegd in mineralen. Data-analyse en AI zullen worden gebruikt om de ontwikkeling van betonmengsels te versnellen. Uiteindelijk wil Paebbl naar een schaal van miljoenen tonnen CO₂ per jaar. Dit kan echter nog wel jaren duren.

Olivijn

Het mineraal olivijn (zie foto) is een nesosilicaat met als chemische formule (Mg,Fe)₂SiO₄. Het is het meest voorkomende gesteente in de aardmantel. Het komt op veel plaatsen aan de oppervlakte door vulkanische activiteit. Het komt op meerdere plekken in Europa voor (Noorwegen, Italië, Spanje, Turkije) waar het relatief simpel gewonnen wordt.

Het eindproduct bestaat voor circa 1/3 uit CO₂ en vervangt de gebruikelijke cement (waarvan de kalk ook gemijnd wordt en de CO₂ uitgestoten wordt). Behalve een flinke CO₂-winst, is er ook een winst dat er minder delfstoffen afgegraven hoeven te worden.

Inkomstenstromen

Er zijn twee inkomstenstromen voor dit nieuwe proces. De eerste komt van partijen die hun CO₂ kwijt willen en bereid zijn hiervoor te betalen. De tweede inkomstenstroom komt van de levering van 'steenpoeder' aan de betonindustrie. Paebbl heeft al contact gelegd met verschillende partijen in deze sector. Dit kan een uitstekende oplossing zijn als duurzaam alternatief voor cement.

Hierbij dient CO₂ als grondstof in plaats van als afvalstof voor de productie van nieuwe materialen.