CO₂ uit de atmosfeer opvangen met duurzame energie
Er wordt hard gewerkt aan methodes om CO2 af te vangen uit de atmosfeer, om op die manier klimaatverandering tegen te gaan. Naast bestaande methodes met giftige oplosmiddelen, zijn er nu elektrochemische technieken in opkomst die kunnen werken met duurzame elektriciteit. De Delftse onderzoeksgroep van David Vermaas analyseerde samen met Wetsus en Caltech deze verschillende duurzame methodes om CO2 af te vangen en vergeleek ze voor het eerst met elkaar. Daarnaast beschreven de onderzoekers ook welke methodes de meeste potentie hebben om grootschalige CO2-afvang mogelijk te maken. Hun paper verscheen onlangs in het wetenschappelijke tijdschrift Energy & Environmental Science.
Het klinkt als een ideale oplossing om klimaatverandering tegen te gaan, maar makkelijk is het afvangen van CO2 niet. Er zijn verschillende omstandigheden waarin de CO2 afgevangen kan worden. Het kan direct bij een grote bron van CO2, maar het is ook belangrijk om decentraal uitgestoten CO2 af te vangen. Onderzoeker David Vermaas legt uit: ‘Uiteindelijk hebben elektriciteitscentrales en de industrie maar een bepaald aandeel in de uitstoot. Decentrale bronnen, zoals auto’s, landbouwbedrijven, verwarmingen en ook vliegtuigen zorgen bij elkaar voor 40 procent van de CO2 uitstoot in de lucht.’
Elektrochemische routes
Voor beide situaties zijn methodes ontwikkeld, maar met name voor de afvang uit decentrale bronnen zijn weinig energiezuinige en schone methodes beschikbaar. Een mogelijke oplossing daarvoor zijn de zogeheten elektrochemische routes, waarbij de pH van een oplossing kan worden aangepast en de CO2 kan worden geconcentreerd. Van deze technieken is in laboratoria bewezen zijn dat ze effectief zijn en werken op basis van elektriciteit in plaats van warmte. Hierbij wordt het CO2 omgezet in (bi)carbonaat, en vervolgens geconcentreerd tot puur CO2 of kalksteen.
De onderzoeksgroep van Vermaas heeft de elektrochemische methodes nu voor het eerst met elkaar vergeleken en gekeken naar de haalbaarheid ervan. Daarbij kwam naar voren dat bij alle methodes de benodigde energie een drempel is. Vermaas: ‘In theorie is er niet veel energie nodig om CO2 om te zetten in een andere (bi)carbonaat vorm, maar op dit moment zijn de huidige methodes nog niet efficiënt genoeg. Er wordt gemiddeld 50 keer meer energie gebruikt dan bij een theoretische omzetting nodig is.’ Het blijkt vooral lastig om het CO2, door de relatief lage concentratie in de atmosfeer, als grondstof voor de omzettingsreactie te gebruiken.
Opstelling op lab-schaal voor het afvangen van CO2 uit zeewater. Door de transparante module in het midden, waarbij groene vierkante afdichtingen en bruine membranen zichtbaar zijn, stroomt (kunstmatig) zeewater met CO2, en wordt de pH achtereenvolgens verlaagd en verhoogd, waardoor de CO2 kan worden gescheiden. Rondom deze module staan pompen, regelende kleppen, pH-meters, en een stroombron om dit proces in gang te houden en nauwkeurig te monitoren.
Foto: Rose Sharifian
Oceaan als buffer
Naar aanleiding van de analyse geven Vermaas en zijn collega’s richting aan toekomstig onderzoek. Een optie waar veel potentie in zit, is het afvangen van CO2 uit de oceaan. Vermaas: ‘Het is dé manier om het CO2 uit decentrale bronnen af te vangen, aangezien de oceaan als een grote buffer fungeert en jaarlijks een grote hoeveelheid CO2 uit de lucht opneemt.’ Door de bestaande ontzoutinginstallaties aan te passen, zouden die in de toekomst naast zout ook CO2 uit het water kunnen halen. Dit concept op basis van zuren en basen is de afgelopen tijd haalbaarder en energiezuiniger geworden door beter geleidende membranen en verbeterde elektrochemische cel-ontwerpen. Als extra winst voorkomt de techniek kalkaanslag in de ontzoutingsinstallaties.
De onderzoeksgroep van Vermaas is al bezig met het ontwikkelen van de techniek, waarbij het CO2 uit het water wordt omgezet in puur CO2 gas of in calciumcarbonaat. Op een schaal van 10 centimeter lukt het al om de reacties in het lab uit te voeren. Stap voor stap wordt bekeken hoe de techniek op grotere schaal toegepast kan worden. Vermaas: ‘We merken dat er door de urgentie van de klimaatcrisis nu, heel terecht, meer aandacht is voor het ontwikkelen en opschalen van de afvangmethodes vanuit bedrijven en overheden. Dat is mooi, want dat is uiteindelijk ook essentieel om het afvangen en omzetten van CO2 dichterbij te brengen.’
Meer informatie
Publicatie: Sharifian, R., Wagterveld, R. M., Digdaya, I. A., Xiang, C., & Vermaas, D. A. (2021). Electrochemical carbon dioxide capture to close the carbon cycle. Energy & Environmental Science. https://doi.org/10.1039/d0ee03382k
Contact
Dr.ir. David Vermaas, D.A.Vermaas@tudelft.nl, +31 15 27 89276
Adviseur wetenschapscommunicatie: Dimmy van Ruiten, D.M.vanRuiten@tudelft.nl, +31 15 27 81588
