Carbon Capture and Storage in de cementindustrie: een volgende stap in CO₂-reductie.

Om tot CO₂‑neutraal beton te komen, wordt op verschillende fronten gewerkt aan verlaging van CO₂-emissies, zoals slanker ontwerpen, verlagen van het cementgehalte in beton en verlaging van het klinkergehalte in cement. Er wordt ook onderzoek gedaan naar alternatieve bindmiddelen, maar die kunnen vanwege de enorme vraag naar beton, op portlandcementklinker gebaseerde cementen, hooguit voor een klein deel vervangen.

Het grootste deel van de CO₂‑uitstoot van beton is afkomstig van cement — en dan vooral van de ontleding van kalksteen tijdens het productieproces van portlandcementklinker. Het afvangen van deze (zuivere) CO₂ is dan ook een onmisbaar onderdeel in de route naar CO₂-neutraal beton.

Carbon Capture and Storage (CCS) is allang geen theoretisch concept meer, maar ontwikkelt zich snel tot een praktisch toepasbare oplossing. Met de recente ingebruikname van de eerste industriële CCS-installatie, en vele andere in ontwikkeling en in aanbouw, is het een concrete en schaalbare technologie voor het terugdringen van CO₂‑emissies in de nabije toekomst. Maar dit is geen standalone oplossing; ook alle andere in de CO₂-roadmap genoemde maatregelen  zijn tegelijkertijd nodig om tot volledig CO₂-neutraal beton te komen.

De cementindustrie is een sector die een aanzienlijke bijdrage levert aan de wereldwijde CO₂‑emissies, als gevolg van de grote hoeveelheden beton die toegepast wordt. Ongeveer 7%  van de CO₂-uitstoot wereldwijd wordt toegeschreven aan de productieprocessen van cement en beton. In Nederland doen we het al veel beter en is ongeveer 1,9 % toe te schrijven aan het gebruik van beton. En dat is inclusief de buitenlandse emissies voor in Nederland toegepaste grondstoffen.

Het grootste deel daarvan (ongeveer tweederde) komt voort uit de calcineringsreactie van calciumcarbonaat tot calciumoxide bij de productie van portlandcementklinker. Voor het overige derde deel komt de uitstoot door de verbranding van fossiele en secundaire brandstoffen die nodig zijn voor het opwekken van de hoge temperaturen in de cementoven.

De procesemissies, de CO₂ die vrijkomt uit de kalksteen, maken de cementbranche tot een uitdagende sector om klimaatneutraliteit te bereiken: de chemische procesemissies zijn structureel verbonden aan de productie van portlandcementklinker en daarmee onvermijdelijk ook cement.

Bekende reductiemechanismen zoals energie-efficiency en alternatieve brandstoffen kunnen emissies al verlagen, maar zonder aanvullende technologieën is klimaatneutraliteit op de langere termijn niet te realiseren zonder de procesemissies af te vangen.

Carbon Capture and Storage is dus een belangrijke schakel op weg naar klimaatneutraal beton.

Op dit moment zijn er drie belangrijke technieken die op industriële of pilotschaal worden toegepast voor het afvangen van CO₂ bij de productie van klinker.

De eerste techniek luistert naar de term oxyfuel.  Het gaat er in het kort om dat er gebruik wordt gemaakt van zuivere zuurstof in plaats van lucht voor het brandproces in de klinkeroven. In een cementoven wordt normaliter lucht geblazen. Op deze manier worden de gebruikte brandstoffen tijdens het verhitten in de oven van zuurstof voorzien. Daarbij gaat het om grote hoeveelheden lucht, waardoor de CO₂ die vrijkomt uit kalksteen en uit de brandstoffen sterk verdund wordt. Lucht bestaat immers uit 78% stikstof en 21% zuurstof.

Bij het ‘pure’ oxyfuel-proces wordt zoals gezegd pure zuurstof in de oven geblazen in plaats van lucht . De rookgassen bestaan daardoor hoofdzakelijk uit CO₂. Er komt tenslotte geen stikstof meer in de oven en de zuurstof reageert met de brandstoffen tot CO₂. Door de hoeveelheid zuurstof af te stemmen op de voor de brandstoffen benodigde hoeveelheid, ontstaat er samen met de CO₂ uit de kalksteen een CO₂-concentratie van meer dan 90%. Met een dergelijke hoge CO₂-concentratie hoeven de rookgassen alleen nog ontdaan te worden van waterdamp en wat verontreinigingen. Daarna kan de CO₂ worden gecomprimeerd en getransporteerd voor opslag of gebruik.

Het klinkt als een eenvoudige oplossing, maar er komt een hoop bij kijken. Zo moet het brandproces worden aangepast omdat er door het gebruik van pure zuurstof anders hogere verbrandingstemperaturen zouden ontstaan. Er moet uiteraard zeer veel zuivere zuurstof worden geproduceerd (voor een gemiddelde klinkeroven zo’n 30 ton zuurstof per uur) waarvoor een luchtsplitsingsinstallatie nodig is. En de gehele ovenlijn moet zo luchtdicht mogelijk worden gemaakt, wat bij de hoge temperaturen en draaiende delen niet eenvoudig is.

Deze ‘pure’ oxyfuel-technologie is veelbelovend. Zowel de CO₂ van de calcinatie van kalksteen als de CO₂ van de brandstoffen worden hiermee geconcentreerd afgevangen, zonder complexe systemen om de CO₂ uit de rookgassen te halen en te concentreren. De deelnemende producenten hopen deze technologie op volledige industriële schaal te kunnen gaan toepassen. Meer weten over dit onderwerp? Lees dan ons artikel: CO₂ afvangen bij cementproductie: oxyfuel – Cement&BetonCentrum

De tweede techniek waar veel vooruitgang wordt geboekt is de techniek van CO₂-afvang met amines. Bij deze techniek wordt kort samengevat CO₂ uit de rookgassen gehaald en daarna geconcentreerd.

Deze technologie, die voor diverse industrieën geschikt is, maakt gebruik van zogeheten amines. Amines lijken op ammoniak, dat bestaat uit een stikstofatoom en drie waterstofatomen (NH3). Amines bestaan uit een stikstofatoom met daaraan ten minste een koolstofatoom en verder waterstofatomen (bijvoorbeeld NCH5). Amines kunnen bij lage temperatuur (30 °C) CO₂  opnemen en bij hogere temperatuur (120 °C) weer afgeven (fig. 5).

De rookgassen van de cementoven worden eerst ontdaan van verontreinigingen, met name van stof, zwavel en stikstofoxiden. Daarna worden de rookgassen door een oplossing van amines geleid. De CO₂ bindt zich aan de amines, waardoor de rookgassen worden ontdaan van CO₂. De CO₂-rijke amineoplossing wordt vervolgens met restwarmte van het ovenproces verhit, waardoor de CO₂ weer vrijkomt en kan worden opgevangen. De CO₂-arme amineoplossing kan vervolgens na afkoelen weer worden hergebruikt in het proces. Met deze techniek kan tot 99% van de CO₂ uit de rookgassen worden gefilterd.

Meer informatie over deze techniek lees je in ons artikel: Al in 2024: met amines CO2 afvangen bij cementproductie – Cement&BetonCentrum

Bij de derde techniek kijken we naar de separate afvang van de CO₂ die vrijkomt bij de calcinatie van de kalksteen. Deze CO₂ is heel zuiver, maar komt bij het normale productieproces vrij samen met de CO₂ van de brandstoffen en de overige rookgassen.

De kalksteen wordt in een aparte buis verhit. Daarbij vindt het verhitten aan de buitenzijde van de buis plaats. Hierdoor kan zuivere CO₂ vrijkomen en worden opgevangen.

Dit is makkelijker gezegd dan gedaan. Bij dergelijke hoge temperaturen is het normaal gesproken wenselijk de oven te bekleden met vuurvaste stenen, maar vanwege de benodigde warmteoverdracht is dat niet mogelijk. Er worden dus nogal wat eisen gesteld aan de voor de installaties toe te passen materialen.

Lees ook ons artikel: Klinker maken zonder CO₂-uitstoot op kleine schaal al mogelijk – Cement&BetonCentrum als je meer over dit onderwerp te weten wilt komen.

Installaties voor het op industriële schaal afvangen van CO₂ bij de cementproductie zijn wereldwijd voor het eerst uitgerold bij een cementfabriek in Brevik, Noorwegen. Deze installaties werden midden 2025 officieel in gebruik genomen. Jarenlange voorbereiding ging er aan vooraf om de nieuwe technologie binnen de bestaande cementproductie- en infrastructuur te passen.

De installatie is ontworpen om ongeveer 400.000 ton CO₂ per jaar af te vangen en permanent op te slaan. Dit komt neer op ongeveer 50 % van de jaarlijkse CO₂‑emissies van de fabriek in Brevik. De CO₂‑afvang wordt gerealiseerd met behulp van amine‑gebaseerde absorptietechnologie. Hierna volgt het proces van compressie, vloeibaarmaking en transport richting ondergrondse opslag in geologische formaties onder de Noordzee. Dit gebeurt via het Northern Lights‑project. Met deze stap wordt ongeveer de helft van het cement CO2-neutraal geproduceerd.

Deze manier van opslaan van CO₂ wordt al meer dan 30 jaar toegepast door de olie- en gasindustrie. Het is inmiddels dus een bewezen en veilige techniek. De opgeslagen CO₂ zal uiteindelijk mineraliseren. Overigens kan CO₂ tegenwoordig steeds meer gebruikt worden voor diverse toepassingen, zoals bij de productie van duurzame brandstoffen en grondstoffen voor de chemische industrie. Vanwege de beperkte beschikbaarheid van voldoende CO₂-vrije energie en vanwege de nog hogere kosten, zal er echter voorlopig meer CO₂ worden opgeslagen dan worden hergebruikt.

Er lopen meerdere CCS/CCU-projecten die voor de Nederlandse markt relevant zijn. Twee daarvan staan in België, genaamd GO₄ZERO en Anthemis. Eén installatie staat in een cementfabriek in Obourg en zal gebruik maken van de Oxyfuel-techniek. Het gehele project moet in 2028 afgerond zijn. Het is de bedoeling dat er 1,1 miljoen ton CO₂ per jaar afgevangen gaat worden. De CO₂ wordt daarna getransporteerd naar Antwerpen waar het vloeibaar wordt gemaakt. Vervolgens wordt het voor permante opslag verscheept onder de Noordzee.

Het tweede Belgische project, genaamd Anthemis is een CC-installatie in Antoing die in 2028 klaar is voor productie. Hier zal voor het afvangen van de CO₂ gebruik worden gemaakt van een combinatie van oxyfuel technologie en amines. Het is de bedoeling dat hier uiteindelijk ongeveer 800.000 ton CO₂ per jaar wordt afgevangen. Dit staat gelijk aan 97% van de totale uitstoot van de oven.

Het Duitse Gezero-project is een CC-installatie in Geseke. De afvangcapaciteit van die installatie is circa 700.000 ton CO₂ per jaar en ook hier betreft het 97% van de totale uitstoot. CCS is een technologie die inmiddels in meerdere landen in Europa wordt doorontwikkeld (zie kader).

Met de omschreven technieken zal de cementindustrie wereldwijd CO₂   af gaan vangen, maar Europa loopt hierin dankzij het ETS-systeem voorop. Voor Nederland wordt verwacht dat vanaf 2030 zo’n 25% van het toegepaste cement co2-neutraal zal zijn. Ook in andere industrieën ziet men inmiddels de afvang van CO₂ als een essentieel onderdeel van de route naar klimaatneutraliteit. Naast de cementindustrie zullen onder andere ook de industrieën voor afvalverwerking, chemie en kunstmest hier gebruik van gaan maken.