Menu
Flickr, Zappys Technology Solutions Follow via CC BY 2.0

Experts over... CO2 opslag

De oplossing voor grootschalig energieopslag én het klimaatprobleem?

Wind- en zonne-energie zijn duurzame alternatieven voor fossiele brandstof en dragen bij aan de verminderen van de CO2-uitstoot. De verwachting is dat er in de toekomst steeds meer hernieuwbare duurzame elektriciteit beschikbaar komt. Maar vaak als die duurzame energie beschikbaar is, heb je het niet nodig, of als je het nodig hebt, is het net niet beschikbaar. Daarom werken chemici en fysici aan allerlei technieken en processen om ongebruikte duurzame energie vast te leggen in chemische verbindingen die kunnen dienen als CO2-neutrale brandstof of grondstof voor materialen.

Wim HaijeWetenschappelijk medewerker Large-Scale Energy Storage - TU Delft

“Wanneer het een aantal dagen stormt heb je genoeg energie voor een week, maar dan moet je die wel kunnen opslaan. Er is daarom grote interesse voor grootschalige opslag van duurzame energie uit zon en wind. In Delft kijken we naar verschillende methoden om elektronen vast te leggen in chemische bindingen, indirect of direct van waterstof met CO2 of N2. We kunnen indirect chemische stoffen maken via elektrolyse van water. Het waterstofgas dat daarbij ontstaat laten we vervolgens reageren met CO2. De directe route verloopt via een elektrochemisch proces. De elektronen die je met zon- en windenergie opwekt, dragen we via elektroden direct over aan CO2. Dat kan ook CO2 in zeewater zijn, in de vorm van carbonaat. In de zee zit meer CO2 in die vorm dan er CO2 in gasvorm in de lucht zit.

De grootse uitdaging is reactoren te ontwikkelen die eenvoudig uit en aan kunnen om de op dat moment overtollige energie direct op te slaan. Katalysatoren kunnen daar in het algemeen niet goed tegen, maar als reacties bij lage temperatuur en druk kunnen worden uitgevoerd zal dat minder problemen opleveren. Het op deze wijze omzetten van CO2 staat in geen verhouding tot de hoeveelheden die door elektriciteitscentrales worden geproduceerd maar is een zogenoemde enabling technology voor de implementatie van duurzame bronnen. Als we duurzame energie steeds grootschaliger implementeren, verdwijnen die elektriciteitscentrales uiteindelijk vanzelf en daarmee de CO2-uitstoot. Maar zolang CO2-uitstoot bijna gratis is, zal het nog wel even duren. Alleen de CO2-prijs opschroeven in Nederland is niet genoeg. Dan zijn er nog genoeg uitwijkmogelijkheden naar landen waar die taks lager is of helemaal niet bestaat. Pas als het wereldwijd geregeld is, kan niemand zich meer verstoppen.”

Marc KoperHoogleraar Katalyse en oppervlaktechemie - Universiteit Leiden

“Het liefst wil je die hernieuwbare elektriciteit vastleggen in duurzame bronnen dus met grondstoffen als water, CO2 en stikstof. Wij kijken of we CO2 met duurzame elektriciteit en katalysatoren kunnen omzetten in nuttige en waardevolle chemicaliën of brandstof, dit is de elektrochemische route. Met metaalkatalysatoren van palladium hebben we al laten zien dat het mogelijk is om selectief mierenzuur te maken. Deze stof kun je gebruiken als brandstof en als grondstof voor veel andere organische stoffen, van oplosmiddel tot geurstof.

Met koperelektrodes is het gelukt om bij kamertemperatuur koolstof-koolstofverbindingen te maken, dus twee CO2 moleculen aan elkaar te koppelen. Dat is een route die je kunt volgen om ethanol te maken. Dat het bij kamertemperatuur verloopt, maakt het heel interessant. Dat wil niet zeggen dat het direct toepasbaar en kostenefficiënt is. Uitstoot van CO2 is op dit moment praktisch gratis, daar kunnen we niet tegen op. Maar we hebben wel veel meer inzicht gekregen in de verschillende reactiepaden die CO2 kan doorlopen en hoe je dat kunt sturen naar een bepaald product. Dit is nog allemaal op labschaal uitgetest.

De komende jaren gaan we onderzoeken of we de C2-verbinding verder kunnen laten reageren naar C3- en C4-componenten. Verder willen we kijken of we met gebruik van elektriciteit CO2 direct met een ander molecuul kunnen laten reageren. Deze methode heeft ook de interesse van polymerenproducenten. Zij hebben al een grondstof voor polyurethaan op de markt gebracht dat 20 procent CO2 bevat. Ook het Amerikaanse Joint Center for Artificial Photosynthesis, een onderzoeksinstituut dat werkt aan een kosteneffectieve methode om brandstof te produceren uit alleen zonlicht, water en CO2, gaat zich nu volledig richten op elektrochemische CO2 –omzetting.”

Leon LeffertsHoogleraar Katalytische processen en materialen - Universiteit Twente

“In feite gaat het om het omzetten van elektrische energie in chemische energie. Wij zijn bezig om met de combinatie van plasmatechnologie en katalyse te kijken of je CO2 kunt omzetten in moleculen die energie bevatten, brandstoffen dus. De meest eenvoudige methode daarvoor is CO2 eerst te ontleden naar CO en zuurstof. Dit concept werken we verder uit met natuurkundigen van DIFFER, het Dutch Institute for Fundamental Energy Research.

Het charmante van plasma’s is dat je heel gericht energie kunt stoppen in bindingen die je uiteindelijk wilt verbreken, zoals een C-O binding in CO2. Dit veroorzaakt een temperatuursverhoging van slechts 50 tot 100 graden, waardoor we CO2 bij lage temperatuur kunnen omzetten met plasmatechnologie. Dat heeft het belangrijke voordeel dat je nauwelijks warmtewisseling nodig hebt om de energie-efficiency te optimaliseren waardoor de investeringen veel lager zijn. Om met de geactiveerde moleculen katalyse te gaan bedrijven, is nu onze grote uitdaging. We kijken ook naar de plasma-activering van water, mocht het voor CO2 te lastig blijken. Dan maken we waterstof direct uit water en laten het vervolgens met CO2 reageren tot methaan. Dat is op labschaal al aangetoond, maar om dat efficiënt te doen en met katalysatoren die niet al te duur zijn, is ook nog een mooie uitdaging. Plasmatechnologie is een techniek die geschikt is voor grote schaal. Bovendien kan een plasmareactor ook nog eens eenvoudig worden opgestart en uitgezet, in tegenstelling tot traditionele chemische installaties.

Ook werken we aan tijdelijke opslag van CO2 in calciumcarbonaat. Dit kan worden gebruikt voor CO2-afvang en opslag, maar ook om een plotseling te groot aanbod van elektrische energie op te slaan als chemische energie. Zo kan je snel anticiperen op capaciteitsveranderingen in het geval van zonne- en windenergie."

Michael GleesonGroepsleider Materials and surface science - DIFFER

“Welke techniek we in de toekomst gebruiken om het overschot aan elektriciteit op te slaan, hangt ervan af of deze snel aan en uit te zetten is. Je wilt snel kunnen wisselen tussen energiegebruik en energieopslag. Het hangt er ook vanaf of je het proces kunt opschalen en of de technologie zonder zeldzame metalen werkt. Plasmatechnologie heeft deze voordelen. Plasmareactoren worden al op grote schaal gebruikt voor bijvoorbeeld ozonproductie en afbraak van vluchtige organische stoffen. Wij kijken vooral naar omzetting van CO2 en water naar brandstoffen. We hebben al laten zien dat we CO2 met plasma efficiënt kunnen activeren en omzetten naar CO. Op dit moment halen we conversies van 80%. Deze technologie is efficiënter dan een standaard thermisch proces om een binding tussen een C en een O te verbreken. Maar er is een omslagpunt: wil je hogere conversies dan daalt de energie-efficiency. Ideeën om dat te verbeteren gaan we de komende twee jaar uittesten.  Energiebedrijven zijn zeker geïnteresseerd in deze ontwikkelingen.

De productie van CO2-neutrale brandstoffen is echt nog lange termijn, maar ondertussen kun je al kijken naar de productie van grondstoffen voor chemicaliën. Dat is economisch eerder interessant omdat de toegevoegde waarde hoger is en de volumes kleiner. Daarbij bevatten sommige chemicaliën al relatief veel zuurstof, waardoor CO2 als grondstof een logische keus is. Het onderzoek naar CO2-neutrale brandstoffen richt zich nu sterk op het gebruik van CO2 maar ook het gebruik van water om waterstof (H2) te vormen is een CO2-neutrale optie. H2 is een aardige brandstof maar heeft een lage energie-inhoud per volume-eenheid en dus een groot volume nodig. Daarom zal je voor de luchtvaart altijd koolstof gebaseerde brandstof nodig hebben. Voorlopig moeten we vooral alle opties open houden en nog geen enkele techniek uit te sluiten. Het zal altijd om een mix aan technieken gaan.”