De milieubeweging van de jaren ’70, de voorloper van de huidige duurzaamheidsbeweging, was in meerderheid anti-technologisch. Technologie was grootschalig, ze bracht kerncentrales voort en vervuilende chemische complexen. Maar technologische ontwikkeling is een diametraal tegengestelde richting ingeslagen. In sectoren als de auto-industrie, energievoorziening, landbouw en chemie gaat bijna alle R&D over vermindering van energie- en grondstofgebruik, vermindering van afval, verlaging van de footprint, kortom over duurzaamheid. Met spectaculaire resultaten.
Het eerste succes van de groene chemie
Zo’n dertig jaar geleden werden synthetische antibiotica gemaakt uit aardolie. Deze smaakten bitter en moesten in grote capsules worden ingepakt om te kunnen worden ingenomen. De huidige pillen zijn klein en wit, en reuk- en geurloos. Dit is het gevolg van de ontdekking van geheel nieuwe, enzymatische routes om deze stoffen te maken, wat men bij ontwikkelaar DSM noemt de ‘groene routes’.
Het groene-route-project was een gezamenlijke onderneming van DSM, Gist-brocades (toen nog niet samen), en vier Nederlandse universiteiten, eind jaren ’90. Er deden ruim tachtig onderzoekers aan mee, ongeveer gelijk verdeeld tussen universiteiten en bedrijven. Het doel was, synthetische penicillines te maken uit plantaardige grondstoffen (suikers), gebruik makend van fermentatie en met behulp van natuurlijke katalysatoren:enzymen. Het project werd een doorslaand succes. De producten waren in alle opzichten beter dan de bestaande organisch-synthetische producten. Ze hadden geen bittere smaak, ze stonken niet (doordat er geen oplosmiddelen waren gebruikt waarvan in het ‘oude’ medicijn nog resten aanwezig waren), de shelf-life ging aanzienlijk omhoog. Indrukwekkend was ook de verbetering van de footprint: 66% minder energieverbruik, 75% minder grondstoffenverbruik, 90% minder (en minder giftige) afvalproductie, 50% minder luchtverontreiniging en 50% minder waterverontreiniging. Op alle punten was de duurzaamheidsscore aanzienlijk verbeterd en het commerciële succes was groot. De groene routes dragen nog steeds bij aan het resultaat van DSM.
Het meest belangwekkende effect is echter dat (vooral door de ontwikkeling van deze groene routes) de grootste antibiotica ter wereld met meer dan een factor 10 in prijs konden dalen. De toegang tot antibiotica voor de allerarmste bevolkingsgroepen is daarmee mogelijk geworden.
Naar groene bulkchemie
Groene chemicaliën uit fermentatieprocessen beginnen op de markt te komen. Het klassieke product is natuurlijk ethanol, dat in Brazilië in grote hoeveelheden wordt gemaakt uit suikerriet, en in de VS uit maïs. Ethanol wordt voornamelijk gebruikt als motorbrandstof, maar in Brazilië zijn al grote fabrieken van polyetheen en PVC gebouwd die ethanol als grondstof gebruiken. Andere chemicaliën uit suikers en koolhydraten volgen, zoals barnsteenzuur uit maïs en suikerbieten. In Thailand is tapiocameel de grondstof voor chemicaliën als melkzuur (vooral voor de productie van kunststof PLA).
Dit zijn allemaal processen van de eerste generatie: deze chemicaliën worden gemaakt uit eetbare grondstoffen (suikers, zetmeel). Voor chemische specialiteiten als medicijnen is slechts weinig grondstof nodig; daardoor kunnen deze worden gemaakt uit eetbare grondstoffen zonder in conflict te komen met de voedselvoorziening. Maar dat geldt misschien niet meer voor bulkmarkten als die van plastics en kunststoffen (wereldproductie ca. 300 miljoen ton/jaar). Bij biochemicaliën wordt daarom, net als bij biobrandstoffen, gezocht naar tweede-generatieprocessen, op basis van cellulosehoudende grondstoffen. Een grote stap is onlangs gezet door DSM, dat samen met zijn Amerikaanse partner POET een fabriek gaat bouwen voor productie van ethanol uit maïsstengels, met een fermentatieproces.
Een nieuwe industriële logica
De chemische industrie op basis van fermentatie zal er totaal anders uitzien dan de huidige. Fermentatie is een proces dat ook op kleine schaal kan worden toegepast, zoals iedereen weet die zelf bier maakt. De fabrieken werken veel minder met giftige stoffen en hebben geen explosiegevaar. De kleinere installaties kunnen worden gebouwd dicht bij de leveranciers van grondstoffen, op het platteland. Grote chemische complexen zullen daarom in de komende decennia plaats maken voor middelgrote fabrieken voor de eerste verwerking van biomassa bij de dorpen, net als vroeger de melkfabrieken. In vakkringen spreekt men van een ‘nieuwe industriële logica’.
Met chemische fabrieken op basis van fermentatie gaat een oude industriële wetmatigheid niet meer op, waarbij installaties groot moesten zijn om ze betaalbaar te maken. Dit hing vooral samen met de hoge energie-intensiteit van industriële processen (veel warmteproductie of juist noodzakelijke warmtetoevoer; zie ook de column ‘Agrorock, agrolit, agromode’ op deze site, d.d. 2 juli 2012). Grote investeringen in enorme installaties zijn nu niet meer nodig. De milde processen in een biobased industrie laten kleinschalige installaties met beperkte investeringen toe. Heel interessant voor (aarzelende) investeerders of overheden.
Het einde van de megacarriers?
Bij kleinere fabrieken, dicht bij de grondstofleveranciers, is er minder transport nodig dan vandaag. Nieuwe transportstromen zullen zich instellen, meer lokaal van aard. Hierbij kan ook de retourstroom van mineralen naar het land (essentieel in een biobased economy) goed worden georganiseerd. Een goed voorbeeld is Grassa, een project waarbij gras op de boerderij wordt verwerkt tot vezels en eiwitten, en de onbruikbare vloeibare reststroom direct wordt teruggebracht op het land. De zelfvoorziening van regio’s zal groter worden: deze zullen minder goederen van buiten nodig hebben omdat ze meer zelf kunnen maken. Afhankelijk van bodemgesteldheid en gewassen kunnen per regio andere productiepatronen ontstaan, met als gemeenschappelijke kenmerken: kennisintensiteit, duurzaamheid, plattelandsontwikkeling en daarmee nieuwe sociale structuren (zie trend 3).
Als de biobased economy doorzet, kan dat grote gevolgen hebben voor de wereldhandel. Bulkgoederen als aardolie spelen nu nog een belangrijke rol, maar zullen in betekenis gaan afnemen. Op grond van schaalvergroting en kostenvermindering zijn de logistieke kosten per eenheid de afgelopen vijftig jaar voortdurend gedaald. Deze trend kan zich voortzetten, maar dan op basis van een heel ander mechanisme: vervoer van kleinere hoeveelheden, meer waardevolle stoffen. Want houtachtige biomassa zal als zodanig vrijwel niet over grote afstanden worden vervoerd: te volumineus, te nat. Productielanden zullen deze met moderne technologie omzetten in waardevolle basisproducten; deze hebben een grotere waarde en een kleiner volume, zo kan de trend van dalende transportkosten per eenheid toch in stand worden gehouden. Maar aan megacarriers zal dan steeds minder behoefte zijn.
Niet alles wordt kleinschalig
Er is echter nog een tweede poot onder de groene chemie: thermochemie. Een belangrijk thermochemisch proces is vergassing. Hierbij wordt het uitgangsmateriaal (bijvoorbeeld biomassa, of veel andere koolstofhoudende materialen als steenkool of afvalmaterialen, zelfs huishoudelijk afval) met een beetje zuurstof verhit tot hoge temperatuur; er ontstaat dan een mengsel van voornamelijk waterstof (H2) en koolmonoxide (CO) met wat methaan (CH4) dat synthesegas of syngas heet. Productie van syngas is pas lonend op vrij grote schaal, en syngas kan probleemloos worden gebruikt als grondstof in de petrochemie; de ‘industriële logica’ van de thermochemie is dus niet inherent kleinschalig. De petrochemie zal ook om andere redenen nog wel even bij ons blijven: goedkoop schaliegas is een prima grondstof voor veel petrochemische bewerkingen.
Andere belangrijke thermochemische processen met biomassa als grondstof zijn pyrolyse en torrefactie. Door verhitting ontstaan hierbij resp. een vloeibare en een vaste brandstof. Deze zijn goed te vervoeren over grote afstanden en kunnen worden gebruikt als vervangers van aardolie(producten) en steenkool.
Groene kunststoffen
Parallel aan de ontwikkeling van de groene chemie gaat de ontdekking van nieuwe kunststoffen op plantaardige basis. Nu wordt het overgrote deel van de plastics nog gemaakt uit aardolie. Maar de meest vooruitstrevende chemische bedrijven proberen om het aandeel groene grondstoffen op te voeren. In eerste instantie zullen ‘groene’ halffabrikaten en eindproducten nog chemisch identiek zijn aan de producten uit de petrochemie. Geleidelijk zullen nieuwe kunststoffen, geheel gemaakt uit groene grondstoffen, een plaats op de markt veroveren.
Het succesnummer van de komende jaren zal waarschijnlijk polymelkzuur (PLA) zijn, een zeer veelzijdige kunststof uit groene grondstoffen, ontwikkeld door Cargill voor het onwaarschijnlijke bedrag van 1 miljard dollar. PLA is verkrijgbaar in vele vormen, van biologisch afbreekbaar verpakkingsmateriaal tot sterke specialistische plastics. Het belang van PLA ligt in zijn veelzijdigheid, gecombineerd met een dalende kostprijs. In veel toepassingen zal PLA de komende jaren gaan doordringen. Een andere veelbelovende groene kunststof zijn de door Avantium ontwikkelde furanen (PEF), die een goede kans maken PET (van de PET-flessen) te gaan vervangen. PET is één van de meest geproduceerde kunststoffen ter wereld, zodat deze vervanging een flink deel van de markt op zijn kop zou zetten.
Maar met groene chemie kunnen ook zeer gespecialiseerde kunststoffen worden gemaakt, zoals speciale polyesters (PHA’s) die als prothese voor botten of weefsel kunnen worden aangebracht en vervolgens na genezing door het lichaam zelf worden afgebroken. Nieuwe specialistische groene polymeren zijn volop in ontwikkeling. Steeds meer zijn niet alleen de grondstoffen groen, maar ook de processen waarin de biopolymeren worden gevormd. Het aantal gespecialiseerde cultures van micro-organismen voor de omzetting van biomassa (rest)stromen naar een breed spectrum aan biopolymeren neemt snel toe.
Naar een holistische chemie
Uiteindelijk zal zich een nieuwe, ‘holistische’ chemie ontwikkelen. Deze zal materialen kunnen produceren, net zo complex als het uitgangsmateriaal, zonder dit eerst af te breken tot eenvoudige bouwstenen en daarna nieuwe complexiteit op te bouwen, maar door de complexiteit van het uitgangsmateriaal gedurende het hele productieproces te behouden. Neem bijvoorbeeld de eierschaal; deze is per eenheid van gewicht de sterkste bouwstof die we kennen. De uitdaging zou zijn, een bouwmateriaal te ontwikkelen net zo sterk als de eierschaal door het kopiëren van zijn productieproces, maar zonder de tussenschakel van een kip. Op den duur zullen wetenschap en technologie hun ‘reductionistische’ principes verlaten, en zich verder ontwikkelen op holistische grondslag. Microbiële omzettingen van reststromen naar biopolymeren, zoals boven genoemd, zijn een fraaie opstap naar deze ontwikkeling.
Het platteland als nieuwe motor van de economie
De relatie tussen stad en platteland zal in deze ‘biobased society’ fundamenteel anders worden: het platteland kan weer een motor worden van de economie. Over de hele wereld. Omdat gewassen en natuurlijke omstandigheden per streek verschillen, zullen er overal andere ketens worden ontwikkeld. Al tussen regio’s binnen Europa kunnen de producten sterk verschillen, laat staan tussen werelddelen. Gemeenschappelijk kenmerk van deze ketens zal zijn dat boeren niet alleen meer zullen produceren voor de voedselvoorziening, maar ook – vaak met de bijproducten van hetzelfde gewas – voor de vervaardiging van biomaterialen. Landbouw en chemische industrie zullen naar elkaar toegroeien. Niet de uitputting van aardolie zal dit proces bepalen, maar het succes van steeds nieuwe chemische ‘groene routes’. Of, om een vaak door Shell gebruikt gezegde te citeren: ‘Het stenen tijdperk kwam niet ten einde door een gebrek aan stenen.’
Dit artikel bestaat uit de volgende onderdelen:
Inleiding: ziet de toekomst er somber uit?
Trend 1. Vrouwen gaan de toekomst bepalen
Trend 2. Organisaties worden gebouwd op vertrouwen
Trend 3. Nieuwe sociale verbanden zijn in opkomst
Trend 4. Duurzaamheid als breed gedragen doel
Trend 5. Decentralisatie van de industrie in een biobased society
Trend 6. Kleinschalige energievoorziening
Trend 7. Europa was, is en blijft een van de belangrijkste kennisleveranciers ter wereld
Conclusie: think global, act local