Steenkoololie

Grootverbruiker China is op zoek naar alternatieven voor de steeds duurdere olie. Het land loopt voorop in de ontwikkeling van nieuwe technologieën voor de winning van diesel en benzine uit steenkool.

SINDS EEN JAAR gonst het van de activiteit op de eens verlaten vlakten van de Chinese autonome regio Binnen-Mongolië. Waar het in de zomer kan oplopen tot 40 graden boven nul en 's winters tot even veel eronder verrijst een gigantisch complex dat China een heel klein beetje minder afhankelijk moet gaan maken van buitenlandse olie-import. Eind volgend jaar, zo is de bedoeling, moet er in enorme reactoren jaarlijks 1,6 miljoen ton steenkool worden omgezet in 850.000 ton schone diesel en benzine, ongeveer één miljard liter.

De Shenhua Group, China's grootste producent van steenkool en eigenaar van havens, spoorlijnen en elektriciteitscentrales, heeft daarvoor op basis van Amerikaanse technologie een kolenliquefactieproces ontwikkeld. Dat is een chemisch proces waarbij steenkool wordt omgezet in autobrandstof. Het project vraagt een investering van meer dan drie miljard dollar, maar met de hoge olieprijzen betaalt die zich dubbel en dwars terug. Dat geld wordt terugverdiend als de olieprijs boven 25 dollar per vat blijft.

China mag over weinig olie en gas beschikken, kolen heeft het land in overvloed. Vorig jaar is er meer dan anderhalf miljard ton naar boven gehaald, grotendeels voor eigen consumptie. De weg van Taiyuan, hoofdstad van één van de kolenprovincies Shanxi, naar Beijing lijkt soms te worden ingenomen door één aaneengesloten rij vrachtwagens met steenkool. Maar auto's rijden niet op steenkool, daarvoor is hulp van de chemie nodig.

ratjetoe

Fossiele brandstoffen als steenkool, aardolie en gas, zijn afkomstig uit de chemische omzetting van plantenresten, gedurende miljoenen jaren onder hoge druk en temperatuur. De onderlinge verschillen zijn toe te schrijven aan de verhouding tussen koolstof en waterstof: die bedraagt voor aardgas (methaan) 1 op 4, voor benzine (octaan) ongeveer 1 op 2, terwijl steenkool bestaat uit een ratjetoe van koolwaterstoffen met gemiddeld meer koolstofatomen dan waterstofatomen.

Om steenkool om te zetten in vloeibare producten is daarom in de eerste plaats waterstof nodig. Die waterstofatomen moeten op een of andere manier gedwongen worden een chemische binding aan te gaan met de koolstof. En dat kost energie (warmte) die aan het reactiemengsel van gemalen steenkool en waterstof moet worden toegevoegd. De steenkool is niet alleen grondstof in het proces, maar wordt ook gebruikt als brandstof. Daardoor is steenkoolliquefactie geen efficiënt proces - ook al omdat er waterstof voor moet worden geproduceerd - maar vanwege de hoge olieprijs wordt de techniek toch economisch interessant.

Al in 1913 kreeg de Duitse scheikundige en Nobelprijswinnaar Friedrich Bergius octrooi op een proces om waterstof direct aan koolstof te binden. Hij verwarmde een mengsel van aardolie en koolteer in aanwezigheid van waterstof en ontdekte dat er lichtere componenten gevormd werden die als brandstof bruikbaar waren. Dat was zó veelbelovend dat hij zijn werk voortzette met (fijngemalen) steenkool. Daarmee verliep de reactie weliswaar een stuk minder voorspoedig, maar nadat onderzoekers van BASF een geschikte katalysator hadden ontdekt, was de weg vrij om op grote schaal olieproducten uit steenkool te gaan winnen.

In de Tweede Wereldoorlog speelde de techniek een belangrijke rol. Tot aan 1945 werden er in Duitsland niet minder dan twaalf fabrieken gebouwd met een gezamenlijke capaciteit van zo'n honderdduizend vaten per dag aan vliegtuigbrandstof. Toen na 1950 goedkope olie uit het Midden-Oosten beschikbaar kwam, stokten de ontwikkelingen. Alleen tijdens de oliecrisis van de jaren zeventig leefde de belangstelling voor kolenliquefactie even op. Datzelfde gebeurt nu weer, door de hoge olieprijs. Met name China maakt werk van de technologie. Met reden. De olieimport maakt de economie van het land kwetsbaar. Elke tien dollar die de olieprijs stijgt, kost China jaarlijks zo'n acht miljard dollar. Shenhua sloot al in 2002 een overeenkomst met een klein Amerikaans bedrijf, Hydrocarbon Technologies Inc. (HTI), dat een proces had ontwikkeld om olie uit kolen te maken dat voortborduurt op de ideeën van Bergius.

De droge en fijngemalen steenkool wordt eerst gemengd met een ijzerkatalysator en daarna opgelost in een zware olie. In de reactor wordt dat mengsel bij temperaturen van rond de 450 °C en hoge druk omgezet in lichtere olieproducten, die worden gescheiden in verschillende fracties. Vervolgens worden de zware producten nog eens extra `verrijkt' met waterstof. De steenkool die niet heeft gereageerd verlaat samen met de as en de katalysator de reactor om te worden gedumpt.

HTI deed in de jaren tachtig ervaring op met het proces in een proefinstallatie in Kentucky, waar per dag zo'n 600 ton steenkool werd omgezet in 2000 vaten olie. Dat houdt in dat er een enorme ontwikkelingsstap gemaakt moet worden: een schaalvergroting van minder dan een ton per dag naar de meer dan vierduizend ton in de Mongolische woestijn. De werkzaamheden werden daartoe enkele maanden stilgelegd en in allerijl verrees in Shanghai een kleine industriële proefinstallatie waarin zes ton steenkool per dag werd omgezet. Die draait sinds januari van dit jaar naar behoren. Ook zo'n overgang is in de procesindustrie geen gewoonte - liever probeert men in een aantal kleinere tussenstappen de kinderziektes uit een proces te halen - maar het Shenhua-project is inmiddels weer vol op stoom.

gasmengsel

Daarnaast werkt Shenhua samen met een andere steenkoolproducent, de Ningxia Coal Mining Group, aan een efficiënter maar duurder proces om olie uit steenkool te maken. Ook dat is terug te voeren op een Duitse ontdekking. In 1925 ontwikkelden Franz Fischer en Hans Tropsch een methode, waarbij de steenkool eerst wordt omgezet in een gasmengsel van hoofdzakelijk koolmonoxide en waterstof, die vervolgens met behulp van een katalysator aaneengeknoopt worden tot lange koolstofketens. Tijdens de Tweede Wereldoorlog werd dit Fischer-Tropsch (FT)-proces daadwerkelijk toegepast in Duitsland om olieproducten te maken. Het Zuidafrikaanse bedrijf Sasol gebruikte het proces toen dat land zich vanwege zijn apartheidsregime geconfronteerd zag met een olieboycot. Nog altijd produceert het bedrijf dagelijks zo'n 150.000 vaten vloeibare brandstoffen per dag. Die zijn van veel hoogwaardiger kwaliteit dan de producten afkomstig van directe kolenliquefactie. Bovendien kan het FT-proces ook vloeibare producten maken uit andere fossiele brandstoffen zoals bijvoorbeeld aardgas.

In verschillende landen worden op dit moment studies verricht naar de mogelijkheden om met FT-technologie steenkool vloeibaar te maken. Zo beschikt Australië over enorme bruinkoolreserves, en hoopt Pennsylvania af te komen van zijn enorme bergen met laagwaardig steenkoolafval uit de tijd dat de mijnen daar nog volop produceerden. Het gebruik van steenkool als basis voor autobrandstof heeft één groot nadeel: een verhoging van de CO2-uitstoot met zo'n 50%. In Binnen-Mongolië wordt het CO2 echter niet als een probleem gezien. China heeft gewoon olie nodig, en produceert die binnenkort zelf. Of dat alleen via de technologie van het bedrijf HTI gebeurt, of ook via het FT-proces, is nog een raadsel.