‘Circulariteit is overgewaardeerd: ook bij plastics is energie het knelpunt’

In de zoektocht naar klimaatvriendelijke plastics staan ingenieurs en onderzoekers Pieter Billen en Philippe Nimmegeers in deze bijdrage stil bij de manieren waarop plastic vandaag gerecycleerd worden. ‘Energie is de sleutel tot duurzame materialen.’

Plastics en het klimaat

Plastics hebben een grote impact op het klimaat, maar ook op de vervuiling van de natuur, zoveel is zeker. De totale impact op het klimaat is jaarlijks equivalent aan om en bij 1,8 miljard ton koolstofdioxide (CO2). Dat is veel, heel veel. Wereldwijd stoten we jaarlijks in totaal 59 miljard ton CO2 uit , met elektriciteit, verwarming, industrie en transport als grote slokoppen. Als je de voorspelde groei van de productie en gebruik van plastics omrekent naar broeikasgassen, kan het aandeel van plastics zelfs groeien tot 6,5 miljard ton CO2 in 2050, aangenomen dat de productie- en verwerkingsmethoden ongewijzigd blijven.

Twee belangrijke bedenkingen daarbij:

• In hun levensfase vermijden plastics vaak emissies door hun toepassing in de voedingssector en als isolatiematerialen, gecombineerd met hun lage gewicht, en

• Het is uiterst belangrijk om te weten waar al die CO2 vandaan komt.

Het allergrootste aandeel van de impact van plastics op klimaatverandering, nl. 91%1, komt van enerzijds de primaire productie van de basisgrondstoffen, en anderzijds de conversie naar afgewerkte producten. Die impact is voor het merendeel te wijten aan allerhande raffinage-, krakings- en reactiestappen, die elks enorm energie-intensief zijn. Vermits de (petro)chemische industrie hoofdzakelijk aardgas, en in mindere mate olieproducten gebruikt om reacties aan te drijven, is er dus een lineair verband tussen energieverbruik en CO2-emissies. Verbranden van plastics? Dat is eigenlijk maar een klein deeltje (5%) van hun totale wereldwijde klimaatimpact.

De levensloop van plastics in termen van energie en (ver)spreidingsgraad

Hoe komt het dan, dat we zo veel energie in de productie van materialen steken? Eigenlijk zijn alle basismaterialen die we gebruiken voor verpakkingen, transport, elektronica en andere gebruiksvoorwerpen, mooi geordende en vrij zuivere moleculaire structuren. Met andere woorden, ze hebben een relatief lage entropie (een graad voor (ver)spreiding). Het maken van basismaterialen, bijvoorbeeld koper uit ertsen of plastics uit aardolie, is dus eigenlijk een oefening in het verlagen van entropie, waarvoor we quasi een evenredige hoeveelheid energie nodig hebben (dit werd in verschillende papers prachtig aangetoond door prof. Tim Gutowski van MIT). Je start immers van iets met een zeer grote spreiding, zowel geografisch als in moleculaire complexiteit, en je eindigt met vrij uniforme polymeren (grote moleculen waar plastics uit zijn opgebouwd).

Maar, vanaf daar loopt het enigszins “mis”. Technologische vooruitgang in het materiaalontwerp voor zeer specifieke toepassingen, zowel functioneel (bv. het langer vers houden van voeding) als geïnspireerd door marketeers (bv. goudkleurige laagjes op verpakkingen), heeft geleid tot een explosie in de complexiteit van materialen. Dit lijkt moeilijk omkeerbaar, aangezien de mensheid steeds meer technologisch vernuft heeft ingezet ter verhoging van de welvaart (in al zijn vormen). Die toename in complexiteit leidde onvermijdelijk tot een sterke toename in de graad van (ver)spreiding van plastics in ons afval. Door het verband tussen (ver)spreiding en energie, moeten we dus heel wat energie (en geld) investeren om plastics terug bruikbaar te maken, oftewel te recycleren.

We zitten dus eigenlijk met een vrij sterke link tussen energie en CO2-intensiteit enerzijds, energie en kostprijs van materialen anderzijds, en finaal tussen graad van (ver)spreiding en energie-intensiteit van materiaalproductie of -recuperatie. Als gevolg daarvan, is er uiteraard ook een onderling verband tussen deze vier besproken parameters.

We moeten alle plastics recycleren, toch?

Neen, dat is een illusie. Recyclage is fundamenteel een operatie om (ver)spreiding van materialen terug te dringen, en ze naar hun functionele vorm te brengen. Hogere complexiteit van materialen betekent meer energie en dus meer kosten. Er ligt dus ergens een kantelpunt, een graad van (ver)spreiding, vanaf wanneer recyclage niet meer rendeert vanuit energetisch perspectief. Waarschijnlijk komt dit kantelpunt in de buurt van de graad van (ver)spreiding van primaire grondstoffen: aardgas, olie(fracties) en biomassa.

Is dat erg? Wel, dat is op zich geen ramp. In de zoektocht naar duurzame plastics, hebben we drie belangrijke handvaten: (1) (ver)spreiding vermijden, maar we weten dat dat niet strookt met onze aard, (2) het verband tussen (ver)spreiding en energie verkleinen, dat kan bv. door makkelijkere scheiding via eco-design, maar bovenal (3) het verband breken tussen energieverbruik en CO2-emissies.

Globaal wordt er jaarlijks 1300 miljard euro [4], en waarschijnlijk nog meer, geïnvesteerd in de circulaire economie, waarvan een aanzienlijk deel – hoewel onduidelijk hoeveel exact – gespendeerd wordt aan circulaire plastics. De investeringen in circulaire economie staan in contrast tot de eerder beperkte globale investeringen in groene energie, batterijen en energie-efficiëntie, jaarlijks goed voor ca. 700 miljard euro. Klimaatopwarming beperken tot 1,5°C zou jaarlijks thans 2500 miljard euro investeringen vragen in de energiesector, volgens het IPCC2. We lijken hiermee onze prioriteiten niet goed op een rij te hebben, want energie is de sleutel tot duurzame materialen. Recyclage kan inderdaad de (ver)spreiding van plastics terugdringen, maar de gebruikte energie hiervoor is vandaag nog steeds hoofdzakelijk afkomstig van fossiele bronnen.

In dat opzicht zijn er een aantal initiatieven die naar onze mening versneld kunnen en moeten worden, door een prioriteitswijziging: industriële stoomopwekking door warmtepompen, ontwikkeling van elektrische krakers voor voorziening van basischemicaliën, en carbon capture and utilization (CCU) via elektrische processen. Naast hernieuwbare energie én energieopslag, vormen zij de gamechangers die kunnen leiden tot klimaatvriendelijke plastics. Pas dan dienen we, gewapend met groene energie, het gevecht tegen de entropie terug aan te gaan.

Pieter Billen is chemisch ingenieur, hoofddocent aan de Faculteit Toegepaste Ingenieurswetenschappen van de Universiteit Antwerpen, en woordvoerder van de onderzoeksgroep iPRACS. Daarnaast is hij geassocieerd lid van het CAPTURE Resources platform.

Philippe Nimmegeers is chemisch ingenieur en is postdoctoraal onderzoeker aan de onderzoeksgroepen iPRACS en EnvEcon van respectievelijk de Faculteiten Toegepaste Ingenieurswetenschappen en Bedrijfswetenschappen en Economie van de Universiteit Antwerpen. Hij is geassocieerd met het VCCM Core lab van Flanders Make.