De laatste jaren ontstaat er bij de economische ontwikkeling steeds meer oog voor de beperkte beschikbaarheid van hulpbronnen, de invloed van de economische activiteit op het milieu en sociale rechtvaardigheid. Aspecten die worden begrepen onder de gezamenlijke noemer duurzame ontwikkeling.

Door de commissie Brundtlandt is duurzame ontwikkeling in 1987 in het rapport ‘Our Common Future’ ¹, dat de basis legde voor de VN-conferentie over milieu en ontwikkeling (UNCED, Rio de Janeiro, 1992), gedefinieerd als ‘een ontwikkeling waarin tegemoet gekomen kan worden aan de behoeften van huidige generaties zonder de mogelijkheden weg te nemen dat toekomstige generaties in hun behoeften kunnen voorzien’. Bij duurzame ontwikkeling wordt gestreefd naar een evenwichtige verdeling van de 3 pijlers: economie, ecologie (of milieu) en sociaal/cultureel, ook wel aangehaald als de drie p´s of triple-p: people, planet and profit.

Definitie duurzame chemie

Definitie duurzame chemie: Duurzame chemie is de invulling van duurzame ontwikkeling op het gebied van de chemie.

Chemie is zowel een wetenschappelijke discipline als een belangrijke economische bedrijfstak. Primair is duurzame chemie gericht op de duurzame ontwikkeling van de chemie als bedrijfstak. De chemie als wetenschappelijke discipline zal echter de mogelijkheden moeten aanreiken om deze duurzame ontwikkeling mogelijk te maken. Duurzame chemie houdt in dat er bij het wetenschappelijke onderzoek en alle industriële activiteiten gekeken wordt hoe nadelige invloeden op mens en omgeving geminimaliseerd kunnen worden.

Chemische processen moeten schoner worden, minder energie en grondstof consumeren en zuiverder en minder gevaarlijke stoffen op leveren. Hierbij wordt gedacht aan maatregelen als;

· Productie van een meer zuiver eindproduct (katalyse) · Gebruik van hernieuwbare grondstoffen · Voorkomen van emissie en afvalstromen door gesloten kringlopen · Voorkomen van transport van gevaarlijke chemicaliën over de weg en via de spoorlijn (ondergrondse pijplijnen, locale productie van gevaarlijke stoffen) · Inventarisatie van de gevaren van de chemische componenten in de eindproducten (stoffenbeleid, product stewardship) · Recycling van gebruikte producten in het productieproces · Risicoanalyse van processen en ontwikkeling van veiligheidsmaatregelen · Efficiënter gebruik maken van de energie die in processen vrijkomt (procesintegratie) · Gebruik van duurzame energiebronnen

Chemie houdt zich bezig met de conversie van grondstoffen in bruikbare eindproducten. Vaak wordt hierbij energie verbruikt en ontstaan bijproducten die kunnen resulteren in afvalstromen. Chemie kan schematisch als volgt worden voorgesteld.

Technologie ontwikkeling

Duurzame chemie vraagt niet alleen een omslag in denken (milieubewustzijn en realisering van de eindigheid van fossiele brandstofbronnen) maar ook de ontwikkeling van nieuwe en verbeterde technologie. Kansen liggen er met name op het breukvlak van chemie, biotechnologie, landbouw, ICT en nano-/microtechnologie. Dit essay schetst de nieuw te ontwikkelen technologieën die een duurzame chemie mogelijk moeten maken. De chemische industrie is een grootverbruiker van energie. Alleen daarom al is het gebruik van duurzame energie een belangrijk aspect van duurzame chemie. Duurzame energie valt echter buiten de scoop van dit essay omdat ook buiten de chemie reeds veel aandacht naar dit onderwerp uitgaat. Aan de hand van het schema in figuur 1 wordt op basis van de in- en uitgaande stromen en het conversieproces op zich (de procestechnologie) een overzicht gegeven van de technologieën die duurzame chemie mogelijk moeten maken. Tevens wordt een aantal begrippen op het gebied van duurzame chemie toegelicht.

Grondstoffen

De chemische industrie maakt momenteel voornamelijk gebruik van fossiele grondstoffen. Deze grondstoffen zijn eindig. Hernieuwbare grondstoffen bieden hier uitkomst. De enige grondstoffen die continu op aarde worden aangemaakt zijn die van natuurlijke oorsprong (biomassa of groene grondstoffen). Biomassa kan dienen als input voor veel chemicaliën. Dit vraagt om een coalitie tussen landbouw, agroverwerkende industrie en chemische industrie, bijvoorbeeld bij het ontwikkelen en telen van speciale gewassen. Een lagere kostprijs kan worden bereikt door geïntegreerde plantconversie, waarbij juist de plantendelen worden gebruikt die nu vaak als afval worden gekenmerkt.

De gewenste chemische componenten kunnen op verschillende wijzen uit de biomassa verkregen worden ²:

· Door isolatie direct uit de plant. In de voedingsmiddelenindustrie wordt reeds gebruik gemaakt van deze techniek om natuurlijke componenten te verkrijgen. Denk aan de winning van oliën, suikers en zetmeel. Er zijn nieuwe scheidingstechnieken nodig om ook de stoffen uit de moeilijker plantendelen te ontsluiten. De geavanceerde scheiding van planten in componenten wordt ook wel aangeduid met bioraffinage. Ook met genetische technieken kunnen de planten zodanig worden veranderd dat zij juist de gewenste stoffen produceren.

· Via fermentatie/vergisting. Hierbij worden basischemicaliën gemaakt zoals methanol, ethanol of waterstof die vervolgens tot de gewenste chemicaliën worden omgezet. Daarnaast worden fermentatietechnologieën ontwikkeld waarmee direct de gewenste stof uit de fermentatie wordt verkregen.

· Gassificatie. Door gassificatie kan men synthesegas verkrijgen die tegenwoordig al als uitgangsstof voor een aantal basischemicaliën wordt gebruikt (Fischer-Tropsch, methanolsynthese).

· Hydro Thermal Upgrading (HTU). Dit is een proces dat vergelijkbaar is met het natuurlijke vormingsproces van olie- en biomassamateriaal. Op deze wijze kan ondermeer nafta worden verkregen, een grondstof voor veel basischemicaliën.

· Pyrolyse. Bij pyrolyse wordt biomateriaal thermisch ontleed in steenkool, bio-olie en pyrolyse gas. Bio-olie bezit een groot assortiment aan chemicaliën die zouden kunnen worden aangewend als grondstof voor de chemische industrie. De technologie dient nog verder te worden ontwikkeld om gerichter componenten te kunnen maken en de omzettingsefficiëntie te verhogen.

· Waar mogelijk kunnen gerecyclede mate-rialen gebruikt worden als grondstof. Bijvoorbeeld recycling van plastics, maar ook anorganische componenten en metalen.

In de VS bestaan vooruitstrevende plannen om het gebruik van hernieuwbare grondstoffen sterk te verhogen. In 2002 gebruikte de Amerikaanse industrie vijf procent hernieuw-bare grondstoffen. Het Amerikaanse ministerie van Energie stelt dat dit in 2010 twaalf procent moet zijn en in 2035 vijfentwintig procent ³.

Energie

Naast het gebruik van duurzame energie dient ook efficiënter met de energie te worden omgesprongen. Een verdergaande energiebesparing kan worden bereikt door een verbeterde procesintegratie (met behulp van pinch-technologie). Daarnaast moeten geheel nieuwe technologische concepten worden ontwikkeld om tot efficiëntere processen te komen; dit wordt ook wel aangeduid met procesintensificatie. Dit begrip wordt later toegelicht bij het onderdeel procestechnologie. Ook kan de warmte die vrijkomt bij chemische processen gebruikt worden om stoom en/of elektriciteit op te wekken. Het GSHPC (Green Synthesis Heat Power Coupling) concept staat een grootschalige koppeling voor van energieproductie met de synthese van een C1 basisgrondstof als bijvoorbeeld methanol uit grondstoffen van natuurlijke oorsprong ².

Emissies en afvalstromen

Het ideaal is een proces zo te ontwerpen dat de situatie wordt bereikt van ‘zero emission’ en afwezigheid van afvalstromen. Waar dit niet haalbaar is dient in elk geval te worden gestreefd naar een minimale emissie door de ontwikkeling van nieuwe efficiëntere nageschakelde technieken en recycling van de afvalstroom tot bruikbare producten.

Producten

Het streven is in de toekomst alleen producten op de markt te brengen die veilig zijn en op een veilige en efficiënte wijze worden geproduceerd en gebruikt. De Eurocommissie heeft voorstellen ontwikkeld om het gebrek aan kennis over de effecten van veel chemische stoffen aan te vullen. In Nederland ook wel aangeduid als het stoffenbeleid. Een concept dat hier nauw bij aansluit is het Product Stewardship dat gericht is op het continu verbeteren van de veiligheid, gezondheid en milieuprestatie van producten vanuit het perspectief van de gehele productieketen. Product Stewardship wordt al door veel bedrijven als uitgangspunt gehanteerd [4, 5]. De Vereniging voor de Nederlandse Chemische Industrie (VNCI) brengt jaarlijks een Responsible Care Rapport uit ⁴. Responsible Care richt zich evenals Product Stewardship op veiligheid, gezondheid en milieu; het zwaartepunt ligt daar echter bij de eigen werknemers.

Bij duurzaamheid betrokken op producten gaat het in de eerste plaats om de recyclebaarheid van de producten. Een andere optie is producten te maken die na gebruik veilig en schoon kunnen worden verbrand waarbij de vrijkomende warmte wordt benut. Ook kan worden gedacht aan kunststoffen die biodegradeerbaar zijn. Voorbeelden hiervan zijn polymelkzuur, plastics op zetmeelbasis en polymeren gemaakt op basis van natuurlijke polyesters als polyhydroxyalkanoaten. Een andere mogelijkheid is de ontwikkeling van duurzame constructiematerialen. Momenteel worden veel constructiematerialen gemaakt van vezelversterkte composieten, waarbij als vezel glasvezel wordt gebruikt. Een duurzamer alternatief is de glasvezel vervangen door natuurlijke vezels zoals vlas of hennep ². In combinatie met een biopolymeer kan een composiet worden ontwikkeld dat compleet biologisch afbreekbaar is.

Hout is een al veel gebruikt constructiemateriaal. Het nadeel is de gevoeligheid voor rotting. Veel technieken om de houtkwaliteit te verbeteren, zoals de technieken om MDF en HDF te maken, maken echter gebruik van milieu-onvriendelijke impregneringsmiddelen. Meer milieuvriendelijke technieken om de levenscyclus van hout te verlengen zijn noodzakelijk.

Alternatieve technieken zijn reeds bekend: verestering, acetylering, etherificatie, urethaanformatie, oxidatie en het PLATO-proces ². Los van natuurlijke en biodegradeerbare materialen kan ook het gebruik van lichtere materialen (nieuwe lichtgewicht composieten) belangrijke voordelen opleveren in bijvoorbeeld de transportsector.

Procestechnologie

De energiebehoefte, emissies, afvalstromen en de efficiëntie waarmee eindproducten worden gemaakt zijn vooral afhankelijk van de efficiëntie waarmee het chemische proces wordt uitgevoerd. Een duurzaam chemisch proces beoogt een minimaal gebruik van grondstoffen en energie en een hoge opbrengst van het gewenste eindproduct zonder productie van schadelijke bijproducten en afvalstromen. Hiervoor dient de selectiviteit van de reactie te worden verbeterd. Dit kan bijvoorbeeld door verbeterde katalysatoren. Een belangrijke rol is weggelegd voor biokatalysatoren. Biokatalysatoren hebben het voordeel van de lagere temperaturen, zijn vaak meer reactiespecifiek en hebben een hogere reactie-efficiëntie. Het vervangen van traditionele chemische reacties door bioprocessen wordt ook wel ‘witte biotechnologie’ genoemd. Zolang de volledige reactie nog niet biochemisch kan worden uitgevoerd is een tussenoplossing de integratie van chemische en biochemische reacties. Het gebruik van genomics om tot duurzame chemie te komen wordt ook wel aangeduid met de term ‘Geduchem’.

Cascade synthese beoogt minder processtappen in een bio- of chemosynthese. Dit kan worden bereikt door de opeenvolgende reacties in dezelfde reactor uit te voeren in plaats van de producten te transporteren van de ene reactor naar de andere (soms na scheiding van bepaalde tussenproducten). Deze procedure leidt tot minder afval, lager energie consumptie en versnelling van het proces.

Het in compactere vorm uitvoeren van de reacties wordt meer algemeen aangeduid als procesintensificatie. Bij procesintensificatie wordt met name gedacht aan het combineren van unit-operations zoals bijvoorbeeld een scheidingsstap met een reactiestap. Een belangrijk onderdeel van elke chemische synthese route zijn de scheidingsstappen.

Traditioneel worden hiervoor unit operations ingezet die gebruik maken van technologieën als destillatie, extractie, absorptie, kristallisatie, centrifugatie. Steeds meer wordt gebruik gemaakt van membranen. Nieuwe ontwikkeling is om membranen steeds specifieker te maken voor bepaalde stoffen. Ook het grootschalige gebruik van elektrodialyse, ionenwisselaars en chromatografie behoren tot de nieuwe ontwikkelingen.

Duurzaamheid kan worden vergroot door minder vervuilende alternatieven toe te passen voor bestaande routes waarbij nu nog schadelijke stoffen worden gebruikt. Een mooi voorbeeld is het vervangen van organische oplosmiddelen door gebruik te maken van extractie met superkritisch koolzuur ⁶. De verwachting is dat ook nanotechnologie een belangrijke rol zal spelen bij de tot standkoming van duurzame chemie. De meeste winst lijkt hier te kunnen worden behaald in de R&D-fase, waarbij op kleine schaal snel meerdere mogelijkheden onderzocht kunnen worden. Dit wordt ook wel aangeduid met High Througput Screening (HTS) of High Throughput Experimentation (HTE). Ook kan worden gedacht aan het kleinschaliger produceren (microreactoren) van gevaarlijke stoffen op de site waar de stoffen benodigd zijn waardoor het transport en de opslag van deze stoffen sterk kan worden verminderd ⁷.

Organisaties actief op het gebied van duurzame chemie

Duurzame ontwikkeling heeft in de chemische wereld momenteel de volle aandacht. Een kijk op de internetsites van CEFIC (European Chemical Industry Council, internetsite: www.cefic.org) en de VNCI (Vereniging van de Nederlandse Chemische Industrie, internetsite: www.vnci.nl) leert dat duurzaam ondernemen volop in de belangstelling staat van deze organisaties. Ook de grote ondernemingen zoals Dow, Dupont, Cargill, Shell, Unilever, DSM en Philips beklemtonen in hun strategie en verslaglegging het belang van duurzaamheid.

De volgende Nederlandse organisaties spelen momenteel een belangrijke rol bij het initiëren van duurzame chemie. Dit zijn: · DCO (stichting Duurzame Chemie Ontwikkeling) · NIDO (Nationaal Initiatief Duurzame Ontwikkeling) · ACTS (Advanced Catalytic Technologies for Sustainibility)

DCO is opgericht in 1997 en beoogt de bevordering van duurzame chemieontwikkeling in de meest brede zin. Men richt zich hierbij op vernieuwbare grondstoffen, hoogefficiënte processen als op milieuvriendelijke eindproducten. In het stichtingbestuur zijn de overheid, het bedrijfsleven en de kennisinstituten vertegenwoordigd.

NIDO bestaat sinds 1999 en is één van de ICES/KIS-initiatieven die het kabinet destijds heeft genomen als investering in de Nederlandse kennisinfrastructuur. NIDO brengt bedrijven, overheden, maatschappelijke organisaties en wetenschap bij elkaar in programma´s gericht op duurzaamheid in de praktijk.

ACTS is het Nederlandse platform voor pre-competitief onderzoek op het gebied van katalyse waarin de voornaamste partijen vanuit de industrie, academische wereld en de overheid samenwerken. Het doel is het stimuleren van die technologische concepten voor de productie van duurzame materialen en energiedragers. Momenteel lopen er vier onderzoeksprogramma’s bij ACTS namelijk: ASPECT (Advanced Sustainable Processes by Engaging Catalytic Technologies), IBOS (Integration of Bio- and Organic Synthesis), POAC (Proces On A Chip) en Sustainable Hydrogen.

Subsidies voor duurzame chemie

Naast de BSIK (voorheen ICES/KIS) gelden en de ACTS programma’s stimuleert de overheid ook via allerlei andere subsidieregelingen duurzaam ondernemen in de chemische sector. Per 1 mei 2004 zijn de EZ-agentschappen Senter en Novem gefuseerd tot SenterNovem. SenterNovem heeft al doelstelling bij te dragen aan innovatie en duurzaamheid.

Veel programma’s en regelingen van SenterNovem staan in het teken van duurzaamheid. Veel van deze zijn gericht op duurzame energie. De volgende regelingen hebben echter technologie als invalshoek. Sinds kort voert SenterNovem de nieuwe regeling Innovatiesubsidie Samenwerkingsprojecten uit. Duurzaamheid is hierbij één van de criteria om in aanmerking te komen voor deze subsidie. Daarnaast voert SenterNovem de subsidieregeling Milieu en Technologie uit welke ondersteuning biedt aan bedrijven voor ondermeer het ontwikkelen en demonstreren van duurzame technologie en vernieuwing van productieprocessen om milieudoelstellingen te realiseren. Ook kent SenterNovem meer generieke programma’s en regelingen gericht op technologische innovaties. De belangrijkste regeling op dit gebied is de WBSO.

Duurzame chemie wordt naast SenterNovem ook ondersteund door het NWO (Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek) Bij het NWO deelgebied Chemische Wetenschappen (CW) is één van de thema’s ‘Duurzame Chemie en Technologie’ ⁸.

Conclusie

In de samenleving en in de chemisch wereld begint het inzicht te ontstaan dat veel grondstoffen die worden gebruikt door de hedendaagse industrie en maatschappij eindig zijn en dat ook na ons nog generaties willen leven in een schoon en veilig milieu. Technologische Innovaties om onze chemische processen efficiënter te maken leveren natuurlijk direct economisch voordeel op voor de producent. Ook de strengere eisen van overheden ten aanzien van de uitstoot van emissies en kosten voor verwerking van afvalstromen noodzaken innovaties om aan deze nieuwe eisen te voldoen. Voor het ontwikkelen van technologieën om ook in de toekomst alternatieve energiedragers en grondstoffen beschikbaar te hebben is nu nog geen directe financiële prikkel aanwezig. Dit vraagt een lange termijnvisie. Belangrijk is daarom dat er nu reeds onderzoek wordt uitgevoerd naar nieuwe technologie waarmee straks, als de huidige gebruikte grondstoffen en brandstoffen schaars (en duur) beginnen te worden, de overgang soepel kan worden gemaakt.

Literatuur referenties:

1. Brundtlandt report, Our common future, World Commission on Environment and Development, New York, 1987. 2. Report of the Netherlands’ Foundation for the Development of Sustainable Chemistry. Sustainable Technological Development in Chemistry, Wageningen, 1999 3. Amerika ziet gouden toekomst voor biotechnologie, chemisch weekblad, 12, 2003, p 13. 4. Responsible Care, Samenvatting RC-rapport 2001, www.vnci.nl/rc/respcare.html 5. Erik van Dam, Product Stewardship, versterkt pleidooi voor prioritering stoffenbeleid, Chemie Magazine, juni 2003, p 35. 6. Ultrasound en kooldioxide, Matrix, 1, 2003, p 28-29. 7. Jaap van Ede, Chemische fabriek in pocketformaat, Chemisch weekblad, 14/15, 2003 , p 18-20. 8. NWO, Chemische Wetenschappen, Strategienota 2002-2005, Chemie, Duurzaam en Verweven

Ir.drs. J. Otten van SenterNovem schreef dit essay over duurzame chemie. Het werd eerder gepubliceerd op de debatsite van de Koninklijke Nederlandse Chemische Vereniging (KNCV): www.kncvdebat.nl