Cradle to Cradle minerale nutriënten business cases uit de praktijk A.C.C. Röell¹ en R.J.F. van Haren²
stikstof
fosfor
kalium
Rijksuniversiteit Groningen, Faculteit Economie & Bedrijfskunde Adres:
Postbus 800, 9700 AV Groningen, Nederland Nettelbosje 2, 9747 AE Groningen, Nederland
Tel:
+31 50 363 2747²
E-mail:
[email protected]¹,
[email protected]²
Internet :
www.rug.nl
Samenvatting rapport “Het sluiten van minerale nutriëntenkringlopen voor planten” De minerale nutriënten fosfor, stikstof en kalium zijn van essentieel belang voor de groei van planten, dieren en de mens. Bemesting van landbouwgrond met deze nutriënten verhoogt de productie van biomassa. Zonder deze bemesting zal, bij gelijkblijvend areaal, de wereldvoedselproductie dalen tot 50% van het huidige niveau. Momenteel worden tekorten aan fosfor, stikstof en kalium in landbouwgrond wereldwijd aangevuld door kunstmest. Echter een aantal verontrustende ontwikkelingen hebben mogelijk effect op de continuïteit van kunstmestproductie en de voedselzekerheid. Het is daarom noodzakelijk nieuwe ontwerpen te realiseren voor de inrichting van de fosfor-, stikstof- en kaliumketen om in de toekomst duurzamer gebruik van deze nutriënten te garanderen. Eén van de partijen die het verduurzamen van deze ketens kan bevorderen is de industrie, met name de voedselindustrie. Organisaties in de voedselindustrie ontvangen biomassa, die o.a. fosfor, stikstof en kalium bevat, om verder te verwerken tot eindproducten. Veel nutriënten, maar ook energie, gaan in dit proces verloren. Het Platform Ketenefficiency van het Regieorgaan EnergieTransitie Agentschap NL heeft het initiatief genomen voor deze studie via een Cradle to Cradle (C2C) prijsvraag. Deze uitdaging is opgepakt door Kiemkracht, de Rijksuniversiteit Groningen, Cosun, AVEBE en Grontmij die gezamenlijk mogelijkheden onderzoeken hoe de fosfor-, stikstof- en kaliumketen meer duurzaam ingericht kunnen worden. Centraal staat hierin het C2C gedachtegoed afval=voedsel; door het sluiten van kringlopen kan verlies van nutriënten en energieconsumptie worden vermeden. Daarom luidt het doel van dit project als volgt: Het ontwikkelen van een business plan voor het sluiten van kringlopen voor de belangrijkste minerale nutriënten (stikstof, fosfor, kalium) voor biomassa productie die door het verwerken van biomassa in industriële reststromen terecht komen. Om dit doel te realiseren is allereerst inzicht gegeven in de wereldwijde ontwikkelingen in de fosfor-, stikstof- en kaliumkringloop. Hieruit blijkt de noodzaak tot een duurzamere inrichting van de fosfor-, stikstof- en kaliumketen. Fosforprijzen stijgen door schaarste Fosfor (P) wordt uit mijnen gewonnen in de vorm van fosfaatrots en dit is een eindige grondstof. Rekening houdend met de groeiende wereldbevolking, toenemende eiwitrijke diëten en de aanwending van biomassa voor biobrandstoffen zijn de huidig winbare reserves genoeg voor ongeveer 100 jaar. Echter, sommige bronnen beweren dat de winning van fosfaatrots op zeer korte termijn zal pieken en daarna zal afnemen. Bovendien is het overgrote deel van de reserves slechts in handen van drie landen: China, de VS en Marokko. Fosfaatrots wordt dus schaarser terwijl het niet substitueerbaar is zoals olie bijvoorbeeld vervangen kan worden door zonne-energie. Bovendien hebben we de hoogwaardige rots verbruikt en daalt de kwaliteit. Hierdoor bevatten 2
fosforhoudende kunstmeststoffen steeds meer vervuiling (zoals cadmium en radioactieve stoffen) en kost het opwaarderen van deze vervuilde rots steeds meer energie. De prijzen van fosforhoudende kunstmeststoffen stijgen hierdoor, wat invloed heeft op de voedselprijzen. Nederland beschikt niet over voorraden en is daarmee volledig afhankelijk van de import van fosfor. Bovendien wordt er niet duurzaam om gegaan met deze mineralen: een groot deel wordt na gebruik gestort via het slib van de afvalwaterzuivering of spoelt uit naar de zee waar het niet meer economisch winbaar is. Daar wordt energie verspild voor verwijdering van mineralen uit afvalwater en veroorzaken nutriëntenoverschotten eutrofiering. Door middel van recycling kan de fosforkringloop gesloten worden. Recycling vermindert schaarste, maakt mijnen, de productie en mondiaal transport en de daarbij behorende energiebehoefte van fosforhoudende kunstmeststoffen overbodig en voorkomt eutrofiering. De voedselindustrie verwerkte in 2005 meer dan 7 kton fosfor als afval waarvan zo goed als niets werd gerecycled. Door deze hoeveelheid te recyclen wordt meer dan 30% van de 21 kton fosforimport als kunstmest overbodig. Stikstoffixatie (ammoniak) vergt veel energie Stikstof (N) is in gasvorm in overvloed aanwezig in de lucht: bijna 80% van de lucht bestaat uit stikstofgas (N2). In gasvorm is stikstof echter niet beschikbaar voor de groei van planten, dieren en de mens; alleen in reactieve vorm (Nr) is stikstof bruikbaar. Een aantal planten en organismen hebben zich toegelegd op het proces waarbij stikstofgas gefixeerd wordt in een reactieve stikstofvorm, maar deze hoeveelheid is lang niet genoeg voor de huidige wereldvoedselbehoefte. Begin vorige eeuw is het Haber-Boschproces uitgevonden welke stikstofgas omzet in ammoniak, een bruikbare meststof voor de groei van planten. Een nadeel is het energie-intensieve karakter van dit proces. Geschat wordt dat 5% van de wereldaardgasconsumptie en 2% van de wereldenergieconsumptie toegewezen kan worden aan de productie van ammoniak. Stijgende energieprijzen hebben dan ook direct gevolg op ammoniakprijzen en daarmee op voedselprijzen. Omdat Nederland over relatief grote aardgasvoorraden beschikt (aardgas is in Nederland belangrijkste grondstof om ammoniak mee te produceren), wordt er in Nederland veel ammoniak geproduceerd wat leidt tot een aanzienlijke uitstoot van broeikasgassen. Dat terwijl er aan het einde van de keten energie in wordt gestoken om zoveel mogelijk ammoniak te verwijderen (door terug om te zetten in stikstofgas) om uitspoeling naar het milieu te voorkomen. Door recycling van gefixeerd stikstof kan de productie van ammoniak aan het begin van de keten en het omzetten van ammoniak in stikstofgas aan het einde van de keten worden vermeden waardoor een aanzienlijke energiebesparing en een reductie in de uitstoot van broeikasgassen gerealiseerd kan worden. Bovendien voorkomt recycling uitspoeling naar het milieu, waardoor een cascade aan negatieve gevolgen voor het milieu vermeden wordt. De voedselindustrie verwerkte in 2005 105 kton stikstof (N) als afval waarvan zo goed als niets werd gerecycled. Door deze hoeveelheid te recyclen wordt een gedeelte van de ammoniakproductie
3
voor toepassing in Nederland (280 kton N) overbodig en daalt het energieverbruik in Nederland. Kalium om kunstmestvervangers compleet te maken Kalium (K) is net als fosfaatrots een eindige, niet substitueerbare grondstof en wordt gewonnen uit mijnen in de vorm van ionische zouten. Aangezien 2,4% van de aardkorst bestaat uit kalium is er voldoende beschikbaar voor vele eeuwen. Hoewel meerdere landen beschikken over kleine kaliumvoorraden, ligt meer dan de helft van de voorraden in Canada. Hierdoor is ook deze grondstof, net als fosfaatrots, gevoelig voor strategische overnames door landen (zoals China) die hun eigen voedselproductie in zekerheid willen stellen. Nederland beschikt niet (of nauwelijks) over kaliumvoorraden en is daarom afhankelijk van de import. Momenteel spoelt een groot deel aan het einde van de keten uit naar de zee waar het niet meer economisch winbaar is. Uitspoeling van kalium heeft echter, in tegenstelling tot stikstof en fosfor, minder ernstige gevolgen voor het milieu. Wel gaat een bepaalde hoeveelheid energie verloren doordat het uitgespoelde kalium opnieuw gemijnd, geproduceerd en getransporteerd moet worden. Recycling kan uitspoeling en energieverlies voorkomen, hoewel verwacht wordt dat de energiewinst beperkt is (vergelijkbaar met fosfor). Bovendien kan door het recyclen van kalium naast fosfor en stikstof, complete mestproducten (welke P, N en K bevatten) geproduceerd worden uit gerecyclede biomassa. Hoeveel kalium de voedselindustrie in Nederland verwerkt als afval is niet bekend. Nutriëntenrecycling biedt kansen voor energiebesparing en concurrentiepositie van landbouw in Nederland Uit bovenstaande wordt duidelijk dat de voedselzekerheid wereldwijd, maar ook op Europees en nationaal niveau waar zelfvoorziening een streven is, in het geding komt. Recycling van minerale nutriënten wordt dus noodzakelijk, maar biedt voor Nederland zeker ook kansen. Door de intensieve veeteelt in Nederland wordt op grote schaal soja geïmporteerd als veevoer (Nederland is wereldwijd na China de grootste soja importeur). Soja bevat, net als andere soorten biomassa, stikstof, fosfor en kalium. Hierdoor beschikt Nederland over grote hoeveelheden minerale nutriënten wat strategische concurrentiekansen en schaalvoordelen biedt. Daarnaast draagt het recyclen van minerale nutriënten bij aan een concurrerende landbouwpositie, voedselzekerheid, onafhankelijkheid en de productie van duurzame energie. Hoewel recycling ook energie zal kosten, blijkt uit eerste analyses dat recycling (met name reactief stikstof) kansen biedt om de carbon footprint van Nederland aanzienlijk omlaag te brengen. De ontwikkelingen in de wereldwijde fosfor-, stikstof- en kaliumketen is ook in het buitenland actueel. Vooral Zweden, Duitsland, Japan en Engeland zijn actief in het stimuleren van nutriëntenrecycling en hebben nationale doelstellingen geformuleerd. In Nederland ontvangt het onderwerp nog te weinig aandacht. Vanuit de industrie wordt door enkele partijen wel nagedacht over mogelijkheden voor nutriëntenrecycling. Maar de meeste partijen focussen zich, net als de overheid, op het verwijderen van nutriënten in plaats van recyclen. De industriële partners van dit project zijn koplopers op dit gebied in Nederland en zijn zeer 4
gemotiveerd om hier verandering in te brengen. Zij kijken actief naar het terugwinnen van minerale nutriënten uit waterige reststromen. Wanneer wereldwijd de mogelijkheden voor nutriëntenverwijdering en –recycling uit waterige stromen op een rijtje worden gezet, blijken er vier routes te bestaan: de chemische, de fysische, de biologische en de biotechnologische route. Op de chemische route wordt gebruik gemaakt van chemische grondstoffen om de nutriënten te scheiden en te hergebruiken. De fysische route richt zich op recycling van nutriënten op basis van fysische eigenschappen (zoals grootte of massa). De biologische route omhelst recycling door hogere biologische organismes, systemen en processen (waterplanten en algen). De biotechnologie maakt gebruik van micro-organismen zoals bacteriën en schimmels die de minerale nutriënten kunnen concentreren. Tot op heden biedt de chemische route de meest veelbelovende resultaten; technologieën op deze route zijn beheersbaar, inpasbaar in de huidige industriële en procestechnologische configuraties en zijn het meest doorontwikkeld. De industriële partners van dit project focussen zich vooral op de chemische route, al dan niet in combinatie met een andere route, en hebben veelbelovende verwachtingen: •
Duynie Holding (Cosun) wil fosfor en stikstof terugwinnen als struviet;
•
Sensus (Cosun) wil fosfor en stikstof terugwinnen als struviet;
•
Suikerunie (Cosun) wil fosfor terugwinnen als fosfacal;
•
AVEBE wil stikstof en kalium terugwinnen als kaliumnitraat;
•
Grontmij wil stikstof terugwinnen als MASH (stikstofkristallen).
In Tabel staan de hoeveelheden gerecyclede nutriënten en energetisch voordeel per case. Het energetisch voordeel, is de mogelijke energiebesparing binnen de fabriek per case door nutriënten te recyclen. De hoeveelheid vermeden energie door recycling (zoals het mijnen, de productie en het transport) is niet meegenomen, maar eerste analyses geven aan dat hier aanzienlijke hoeveelheden energie te vermijden zijn, wat de argumenten voor nutriëntenrecycling versterkt. Case
P
N
K
Energetisch voordeel (TJ)
Duynie
onbekend
onbekend
-
aanzienlijk*
Sensus
8100
-
Suikerunie
550
3700 (+9100**) -
-
0.9 (+2,2**) ~0*
AVEBE
400
3500
9750
102,2
-
onbekend
-
aanzienlijk*
9050
7200
9750
103,1
Grontmij Minimaal totaal
* Verwachting; aan precieze getallen wordt gerekend. ** Duurzame verwijdering (geen recycling): stikstof wordt d.m.v. Annamox proces omgezet in stikstofgas. Tabel 0. Gerecyclede nutriënten (kg) en energetisch voordeel (TJ) per jaar.
5
Duynie en Grontmij willen hun ontwikkelde technologieën aanbieden aan zoveel mogelijk klanten, ook buiten de voedselindustrie zoals aan de RWZI’s. Precieze getallen zijn daarom momenteel niet bekend, maar er wordt gestreefd naar de recycling van duizenden tonnen stikstof en fosfor. Door implementatie van bovenstaande cases, wordt minimaal bijgedragen (dus zonder de geplande hoeveelheden van Duynie en Grontmij) aan het recyclen van ~1/7 van de hoeveelheid P en ~1/100 van de hoeveelheid N dat door de voedselindustrie momenteel wordt verwerkt als afval. Ook wordt een aanzienlijke hoeveelheid K gerecycled. Maar het potentieel van de technologieën is veel groter; alle waterige stromen binnen, maar ook buiten (riool), de voedselindustrie waardoor de import van fosfor (21 kton) en kalium en de productie van stikstof voor toepassing in Nederland (280 kton) zo goed als overbodig wordt. Daarnaast blijkt dat de cases een aanzienlijk energetisch voordeel opleveren, welke bijdragen aan het behalen van doelstellingen m.b.t. energiebesparingen. Echter, voor de implementatie van bovenstaande initiatieven, ondervinden de partijen een aantal belemmeringen welke in 4 groepen te onderscheiden zijn: •
Maatschappelijke belemmeringen: de samenleving en eindgebruikers accepteren de gerecyclede producten niet onder andere omdat deze producten duurder zijn dan de reguliere producten en hun werking nog niet is bewezen.
•
Volgens de huidige wet- en regelgeving mogen de gerecyclede producten in de cases niet afgezet worden als meststof maar worden beschouwd als afval of ondergaan lange, inefficiënte procedures voor toelating.
•
Technologie/R&D: technologieën onder ontwikkeling waarbij nog niet alle parameters duidelijk zijn en de kennis in huis is.
•
Kosten: de technologieën zijn op dit moment investeringskosten zijn te hoog en opbrengsten laag.
niet
rendabel,
De projectgroep komt met de volgende drie aanbevelingen in aflopende prioriteit: 1. Aanpassen van wet- en regelgeving: •
Nevenstromen in de voedselindustrie niet beschouwen als afval maar als grondstof en de huidige wet- en regelgeving hierop aanpassen.
•
Lobbytraject inzetten voor de aanpassing van de wet- en regelgeving zodat meststoffen uit industriële reststromen toegelaten worden in de landbouw. Bovendien moet nagedacht worden over een effectieve en zinvolle inrichting van deze nieuwe wet- en regelgeving waarin product- en niet processpecificaties centraal staan.
•
Het formuleren van nationale doelstellingen voor nutriëntenrecycling.
2. Stimuleren van onderzoek & ontwikkeling infrastructuur: •
Vormgeven van nieuw programma of platform om technologische ontwikkeling te bevorderen.
6
•
Stimuleren van investeringen in het bedrijfsleven door financiële ondersteuning bij de ontwikkeling van proefinstallaties op semiindustriële schaal door het bedrijfsleven
•
Het invoeren van heffingen en/of strengere normen voor gehalten zware metalen en radioactieve stoffen. Voor stikstof kan gedacht worden aan een CO2 heffing. Opbrengsten gebruiken om gerecyclede producten te stimuleren of de export naar deficitgebieden te subsidiëren.
3. Maatschappelijke acceptatie stimuleren: •
Door het invoeren van nationale doelstellingen voor nutriëntenrecycling geeft de overheid een signaal af aan de samenleving het onderwerp belangrijk te vinden en serieus te nemen.
•
Praktijkproeven mogelijk maken om de werking van gerecyclede producten aan te tonen. Subsidie is een optie.
Belangrijk voor Agentschap NL is om ervan bewust te zijn dat uitvoering van dit project slechts een eerste stap in de goede richting zou zijn en deel zou moeten uitmaken van een groter geheel (o.a. samenwerking met akkerbouwers, veeteeltbedrijven, RWZI’s, waterschappen en andere industrieën). Daarnaast zijn grondstoffenschaarste en klimaatverandering mondiale kwesties en is Nederland niet in staat dit alleen op te lossen. Er zal dus ook op Europees en mondiaal niveau aandacht aan moeten worden besteed. Europese samenwerking met Duitsland, Zweden en Verenigd Koninkrijk is daarbij van belang. Ook is technologische ontwikkeling voor het recyclen van mineralen in ontwikkelingslanden belangrijk om ook deze landen gelegenheid te geven de mineralen problematiek regionaal op te lossen.
7
