Cascadering is afgeleid van het woord ‘cascade’, waarmee een trapsgewijs proces wordt aangeduid. De term cascadering valt steeds vaker binnen het duurzaamheidsdebat, maar wat is cascadering precies? Waarom is cascadering belangrijk bij het gebruik van biomassa?
1. Betekenis van cascadering: waardeketens en de waardepiramide
Biomassa is een groene grondstof met veel uiteenlopende toepassingen. Het gevolg hiervan is dat er regelmatig keuzes gemaakt moeten worden tijdens de verwerking. Dient de biomassa als voedsel, als brandstof of als grondstof? In het ideale scenario hoeft deze keuze niet te worden gemaakt. Door in meerdere stappen tijdens de verwerking steeds de bestanddelen met de hoogste toegevoegde waarde eruit te halen, kan de biomassa optimaal worden benut. Dit proces van stapsgewijs de biomassa opdelen in waardevolle componenten noemt men cascadering. Ter verduidelijking wordt vaak verwezen naar een waardepiramide: als eerste worden de stoffen met de hoogste toegevoegde waarde van de biomassa gescheiden, vervolgens worden in iedere laag van de piramide steeds de bestanddelen die op dat moment de meeste waarde hebben van de rest gescheiden, totdat de bodem van de piramide wordt bereikt. Vaak kunnen deze laatste restcomponenten worden ingezet om energie op te wekken door middel van verbranding. Als dezelfde biomassa meteen was ingezet als brandstof zonder eerst de overige waardevolle stoffen eruit te halen, was de biomassa veel minder efficiënt gebruikt en had deze bovendien veel minder waarde gehad.
2. Bio-raffinage
Om biomassa te scheiden in verschillende waardevolle componenten voor cascadering zijn nieuwe verwerkingsprocessen nodig. Deze processen worden meestal gevat onder de noemer ‘bio-raffinage.’ Door middel van biochemische, biotechnologische of thermochemische synthese of technische scheiding worden waardevolle stoffen uit de biomassa gehaald. Omdat iedere afzonderlijke fractie vervolgens een marktwaarde krijgt, stijgt ook de waarde van de biomassa als geheel. De afzonderlijke fracties kunnen vervolgens een breed scala aan toepassingen hebben, waaronder levensmiddelen, veevoer, chemicaliën, materialen en brandstof. In de ideale situatie vindt de cascadering dusdanig plaats dat biomassa die als voedsel wordt verbouwd, na scheiding van de voor consumptie geschikte bestanddelen, ook wordt ingezet voor andere toepassingen. Daarmee wordt een conflict tussen grond voor levensmiddelen en bijvoorbeeld energie voorkomen, omdat de biomassa voor beiden gelijktijdig op dezelfde grond wordt verbouwd.
De belangrijkste methoden voor bio-raffinage zijn op dit moment:
- biochemische of biotechnologische synthese
Door middel van fermentatie of vergisting wordt biomassa met behulp van micro-organismen of enzymen afgebroken en omgezet in de gewenste stoffen. De resulterende fracties kunnen worden ingezet in de medische sector, voor industriële toepassingen of voor landbouw en in voeding. Deze manier van scheiding vergt weinig energie en maakt veelal gebruik van groen uitgangsmateriaal. Bovendien zijn de biologische reacties meestal milder en beter controleerbaar in vergelijking met chemische reacties, wat leidt tot minder afval en een zuiverder eindresultaat.
- thermochemische synthese
Onder thermochemische synthese vallen scheidingsmethoden die gebruik maken van hoge temperaturen. Dit zijn bijvoorbeeld vergassing, torrefactie en pyrolyse. Bij vergassing worden verschillende stoffen uit de biomassa gewonnen in gasvorm, zoals waterstof, koolmonoxide en methaan. Pyrolyse is een methode waarbij biomassa op een zeer hoge temperatuur wordt verhit, zonder daarbij zuurstof toe te laten om verbranding te voorkomen. Torrefactie is een vergelijkbare methode op een lagere temperatuur. Beide methodes veranderen de samenstelling van de biomassa en leiden tot compactere en beter brandbare eindproducten. De meeste producten van thermochemische synthese zijn geschikt om te gebruiken als brandstof.
- technische scheiding
Met behulp van verschillende soorten apparatuur kan biomassa in verscheidene fracties worden ontleed. Denk hierbij aan extraheren, persen, filtreren, centrifugeren en perforeren. Vanaf de oogst worden de eerste scheidingsstappen vaak al ondernomen, bijvoorbeeld het scheiden van de vrucht van de plant. Vaak zijn verschillende scheidingsstappen nodig om de biomassa zo zuiver mogelijk te krijgen voor de specifieke toepassingen.
In tegenstelling tot bijvoorbeeld aardolieraffinage, heeft men nog veel minder ervaring met het winnen van de juiste stoffen uit biomassa door middel van bio-raffinage. De komende jaren zullen de methoden daarom steeds meer moeten worden uitgewerkt en steeds effectiever moeten worden, om zo het maximale rendement te halen uit alle biomassa.
3. Cascadering en de biobased economy
Meer dan energie
Wie denkt dat we van fossiele brandstoffen af zijn bij een 100% duurzame energievoorziening heeft het mis. Behalve onze belangrijkste energiebron zijn fossiele brandstoffen ook een onmisbare bron van grondstoffen. Zo wordt de meeste waterstof in Nederland niet uit water gewonnen, maar uit aardgas. Uit gas wordt ook CO₂ gewonnen voor in de tuinbouw of voor in koolzuurhoudende dranken. Aardolie is de belangrijkste grondstof voor plastic, een van de meest gebruikte materialen ter wereld. Vooralsnog komt alleen biomassa in de buurt van een dergelijke veelzijdigheid van toepassingen, zodat deze grondstof onmisbaar is bij de volledige vervanging van fossiel.
Cascadering speelt een belangrijke rol bij de overgang naar een ‘biobased economy.’ Met een biobased economy wordt een economie bedoeld die voornamelijk biomassa als grondstof gebruikt voor uiteenlopende toepassingen in plaats van fossiele (brand)stoffen. Op dit moment is er veel aandacht voor de energietransitie: de overgang van fossiele brandstoffen naar alternatieven voor het opwekken van energie. Fossiele brandstoffen worden echter op veel meer manieren gebruikt dan slechts als brandstof. Aardolie wordt bijvoorbeeld veel gebruikt voor het maken van plastics, iets dat niet kan met windmolens of zonnepanelen. Om volledig van de fossiele brandstoffen af te stappen zullen deze ook op andere gebieden vervangen moeten worden. Biomassa is hier een geschikte kandidaat voor, gezien de vele uiteenlopende bestanddelen en toepassingen. Door middel van cascadering kan iedere vorm van biomassa zo optimaal mogelijk worden benut, met zo min mogelijk afval.
Dikwijls worden verschillende termen als bio-economie, biobased economy en circulaire economie door elkaar heen gebruikt. Hoewel ze zeker met elkaar te maken hebben, heeft ieder een eigen betekenis:
- Bio-economie
De term bio-economie dient vooral als overkoepelende term voor alle aan biomassa gerelateerde sectoren. Hierbij wordt met name aandacht besteed aan welke (duurzame) strategieën er nodig zijn in de omgang met alle biomassa, of dit nu gaat om de voedselindustrie, biochemie of het opwekken van energie. In veel duurzame toekomstplannen staat de bio-economie centraal, waarin cascadering een belangrijke rol heeft. De term bio-economie komt ook regelmatig voorbij als Nederlandse vertaling van biobased economy, terwijl deze termen eigenlijk ieder hun eigen betekenis hebben.
- Biobased economy
Met de biobased economy wordt de transitie bedoeld van een economie die afhankelijk is van fossiele grondstoffen naar een die voornamelijk draait op biomassa. Dit gaat verder dan alleen het opwekken van energie of warmte; ook in de chemie of voor bepaalde productiematerialen moet biomassa de belangrijkste grondstof worden. Dit is buiten milieutechnische redenen aantrekkelijk omdat biomassa hernieuwbaar is, terwijl fossiele grondstoffen op kunnen raken. Cascadering is nodig om biomassa op zoveel mogelijk terreinen tegelijk in te kunnen zetten.
- Circulaire economie
Met de circulaire economie wordt ook naar een transitie verwezen. In dit geval gaat het om een economie waarin producten steeds worden hergebruikt in plaats van een economie die stelselmatig afval produceert en daardoor steeds nieuwe grondstoffen nodig heeft. Door middel van cascadering kan ieder bestanddeel van biomassa worden ingezet, zodat de hoeveelheid afval tot een minimum wordt beperkt.
4. Voorbeelden van cascadering en bio-raffinage
Om een beter beeld te krijgen bij cascadering en de mogelijkheden met betrekking tot biomassa, volgen hieronder twee voorbeelden. De voorbeelden betreffen de suikerbiet, een van de meest geteelde gewassen in Nederland en België, en hout. De voorbeelden dienen ter illustratie van de uiteenlopende mogelijkheden per biomassa-soort.
4.1 Cascadering van suikerbieten
De suikerbiet is een akkerbouwgewas dat grote hoeveelheden suikers opslaat in de wortels (de bieten), en brengt per hectare zeer veel biomassa op. Na de oogst worden de bieten gescheiden van de bladeren. De bladeren worden op dit moment veelal op het land achtergelaten als compost, de rest wordt verwerkt tot veevoer. Er valt echter nog veel meer uit de bladeren te halen door middel van bio-raffinage en vergisting (productie biogas). De bieten zelf gaan naar de suikerfabriek, waar na de winning van de suiker ook schuimaarde en bietenpulp overblijven. De schuimaarde bevat veel mineralen en wordt nu voornamelijk ingezet als mest, terwijl de bietenpulp wordt gebruikt als veevoer. De suiker, het hoofdproduct, wordt direct ingezet in de voedselindustrie of wordt nog verder verwerkt voor andere industrieën. Door middel van fermentatie kunnen de suikers worden omgezet in grondstoffen voor in de chemie of bio-ethanol, een brandstof voor transportdoeleinden. Bij de productie van ethanol ontstaan ook reststromen met onder meer vinasse. Deze stof kan worden gebruikt als mest of om biogas mee te maken. In de chemie kunnen de stoffen uit gefermenteerde suiker worden gebruikt voor uiteenlopende producten, van textiel en laminaat tot plastics en melkzuren. Alles tezamen kunnen uit een enkele suikerbiet dus grondstoffen worden gewonnen die ingezet worden in de chemie, als brandstof, mest, veevoer, voedsel, productie van materialen en mogelijk nog meer niet uitgewerkte toepassingen. Door middel van cascadering kan een enkel suikerbietengewas zo breed worden ingezet.
4.2 Cascadering van hout
Hout wordt meestal verbouwd op grond die niet of minder geschikt is voor landbouw. Hout dient behalve als brandstof vooral als bouwmateriaal en als grondstof voor papier of bepaalde chemicaliën (o.a. lignine). Bij deze productieprocessen blijft er vaak veel resthout over, dat op verschillende manieren verder kan worden ingezet. De twee meest voorkomende producten uit reststromen van hout zijn chips en pellets. Chips zijn houtsnippers van verschillende formaten en pellets zijn houtsnippers die zijn samengeperst om zo een hogere verbrandingswaarde te krijgen. Beiden kunnen worden ingezet als brandstof in kachels of energiecentrales. Voorafgaand aan deze inzet kunnen de pellets eerst nog worden bewerkt door middel van vergassing, waarbij biogassen ontstaan met een verschillende graad van zuiverheid. Stookgas wordt voornamelijk gebruikt bij het opwekken van warmte en elektriciteit in centrales. Met een meer uitgebreide reiniging ontstaat syngas, dat verder kan worden verwerkt tot biobrandstoffen voor in het transport of in de polymeerchemie (productie van plastics en andere materialen). Door middel van methanisering kan ook een alternatief voor aardgas worden gewonnen. De reststromen uit de verschillende houtindustrieën kunnen zo worden ingezet als duurzame energie- of warmtebron. Door cascadering van hout kan deze vorm van biomassa dienen als bouwmateriaal, grondstof voor producten (o.a. papier of lijm uit lignine) en als duurzame brandstof voor energie, warmte en transport.
5. Co-siting
Omdat er bij cascadering een grote nadruk ligt op het doorgeven van de afvalstoffen uit een productieproces aan een ander productieproces, waarbij telkens de stof met de hoogste toegevoegde waarde uit de biomassa wordt gewonnen, is het voordelig als de verschillende onderdelen van dergelijke waardeketens zich in elkaars nabijheid bevinden. ‘Co-siting’ houdt in dat bedrijven die elkaars reststromen goed kunnen benutten zich in de buurt van elkaar vestigen, om zo de logistiek te optimaliseren. Een voorbeeld is een papierfabriek die zich in de nabijheid van een elektriciteitscentrale vestigt. De papierfabriek heeft warmte en elektriciteit nodig, terwijl de elektriciteitscentrale daarvoor weer gebruik kan maken van de reststromen van het hout uit de papierfabriek. Zo ontstaat er door co-siting een optimale synergie met minimale reststromen, een belangrijk streven binnen een circulaire economie.
6. Biomassa bijstook en cascadering
Ladder van Lansink
In Nederland geldt een afvalhiërarchie, dit houdt in dat er voor de manieren van omgang met afval een voorkeursrangschikking bestaat. In Nederland is deze rangschikking gebaseerd op de ‘Ladder van Lansink’, vernoemd naar oud-politicus Ad Lansink. In deze ladder is preventie of hergebruik van afval het ideaalscenario, terwijl storten of verbranding het slechtste is. Ook voor biomassaresten geldt daarom dat verbranding pas plaatsvindt, als er geen beter alternatief voor is.
Het verbranden van biomassa voor energie staat meestal gelijk aan de laatste stap in de waardepiramide van biomassa. Het is bij cascadering van belang dat voordat biomassa wordt verbrand er zoveel mogelijk nuttige stoffen uit zijn gehaald. Nu al mag er onder geen beding biomassa worden bijgestookt in Nederland wanneer dit niet als restproduct afkomstig is uit een andere industrie. Op die manier wordt er nergens grond uitsluitend ingezet voor de creatie van brandstof, zodat andere soorten grondgebruik (voedsel, natuur) niet worden verdrongen. Hoewel de te winnen stoffen per biomassa-soort verschillen, kan vrijwel alle biomassa op een bepaald moment worden ingezet als brandstof. Daarmee zal in een biobased economy een steeds groter aanbod van biomassa voor verbranding ontstaan. Het gebruiken van deze biomassa reststromen voor bijvoorbeeld de bijstook van biomassa kan een wezenlijke bijdrage leveren aan de verduurzaming van de energievoorziening. In de toekomst is er wellicht geen sprake meer van bijstook, maar is biomassa het enige gebruikte stookmiddel in de energiecentrales.