CO2 kun je opvangen en elektrochemisch omzetten in waardevolle producten. Toch kost zowel het opvangen van CO2, als het omzetten ervan, veel energie. Een juiste combinatie van beide processen kan het energieverlies echter beperken en tal van materialen besparen, stelt de Delftse onderzoeksgroep van David Vermaas in een onlangs verschenen artikel. In het artikel, dat deze maand op de omslag van Nature Catalysis prijkt, zijn de verschillende ideeën hierover gebundeld. Waar liggen de kansen? Wat zijn de bottlenecks? Maar ook: welke combinaties zijn er allemaal mogelijk?
De klimaatcrisis wordt voor een aanzienlijk deel veroorzaakt door de uitstoot van CO2. Het is dan ook niet verwonderlijk dat het tijdens de VN-klimaattop in Glasgow telkens weer over het verminderen van diezelfde CO2-uitstoot ging. Maar naast CO2-reductie is ook het afvangen en omzetten ervan een belangrijk onderwerp, omdat er voorlopig processen blijven die koolwaterstoffen nodig hebben. Denk bijvoorbeeld aan materialen als cement en plastic, chemicaliën maar ook aan zo iets als langeafstandsvervoer. Met name op het gebied van afvangen en omzetten ligt er genoeg ruimte voor verbetering, stelt Vermaas.
Op dit moment vergt zowel het afvangen van CO2 als de elektrochemische CO2-conversie veel energie, maar een synergetische koppeling tussen de twee processen kan de energie-efficiëntie van het systeem verbeteren en de kosten verlagen. Vermaas legt het als volgt uit: “In onze publicatie gaan we in op drie opties die zo”n koppeling mogelijk maken. De eerste optie beschrijft het achter elkaar zetten van de twee technieken. Je vangt met de ene machine de CO2 op, en met de andere machine zet je de CO2 om. Dat is de makkelijkste – en meest voor de hand liggende – route maar je wint eigenlijk niets met combineren op deze manier, want je moet de CO2 alsnog vrijmaken van de vloeistof waarmee het wordt afgevangen. Optie twee is dat je de twee afzonderlijke reacties (CO2 losmaken en omzetten) binnen één machine combineert. Daarmee bespaar je al wat materialen. De derde route is dat je een directe reactie maakt van de CO2 die is gebonden aan de afvangvloeistof. De CO2 reageert dan vanuit een zogenoemde complex-vorm.”
In het artikel – dat voortkomt uit een samenwerking tussen het Delftse team en onderzoekers van het California Institute of Technology (Caltech) – wordt geschat hoeveel energie er kan worden bespaard met het combineren van CO2 capture en CO2 conversie. Vermaas: “Theoretisch kost het concentreren van CO2 uit lucht of water ongeveer 20 kJ per mol CO2. In de praktijk is dat 100-300 kJ/mol als je dat in een afzonderlijke stap doet, omdat de hele vloeistof met CO2 erin moet worden aangepakt. Door de CO2-complexen direct te laten reageren, kun je naar die thermodynamische limiet van 20 kJ/mol, bovenop de gebruikelijke energie voor de CO2 conversie. Energieconsumptie is de belangrijkste bottleneck voor het afvangen van de CO2, dus dit kan een belangrijke stap zijn.
Toch is er nog een lange weg te gaan. “Er is nog maar weinig bekend over de reactiemechanismen van de derde route,” legt Vermaas uit. “Dat is de optie waarin het CO2-complex direct reageert. Ook weten we eigenlijk nog niet welke katalysatoren we daarvoor moeten gebruiken. Deze route zou – theoretisch gezien – een héle hoge stroomdichtheid kunnen halen, omdat de CO2 geconcentreerd is. Dus een hoge omzettingssnelheid, waarbij je veel CO2 per seconde kunt omzetten. In de praktijk valt dat enorm tegen. Waarom dat zo is, is mij nog niet duidelijk. In ieder geval moet de reactiesnelheid verhoogd worden. Dat gegeven – dit wetenschappelijke raadsel – intrigeert mij mateloos.”
Als het gaat om bronnen waarvan CO2 kan worden afgevangen, dan valt er een onderscheid te maken tussen puntbronnen en diffuse bronnen. Puntbronnen lozen hun vervuiling vanuit een vast, aanwijsbaar punt; bijvoorbeeld een schoorsteen van een elektriciteitscentrale. Daardoor zijn ze relatief eenvoudig aan te pakken. Een diffuse bron is niet eenduidig op een bepaalde plek aan te wijzen. Bij diffuse bronnen kun je bijvoorbeeld aan de uitstoot van gewassen en dieren in de landbouw denken, maar ook aan uitlaatgassen uit de vervoerssector of de verwarming van je huis.
Vermaas: “Op dit moment is veertig procent van de CO2-uitstoot afkomstig van diffuse bronnen, en dat aandeel zal relatief groeien omdat we afstappen van kolencentrales en vervuilende fabrieken. Hoe je het wendt of keert, het zal áltijd nodig zijn om CO2 af te vangen uit diffuse bronnen. Dus uit de lucht of uit ons zeewater. Vervolgens zet je die CO2 weer om in iets nieuws. Hoewel de wereld in 2050 CO2-neutraal wil zijn, zullen we tien tot vijftien procent van onze energie blijven halen uit traditionele brandstoffen. Dat betekent ook dat we een CO2-equivalent van tien tot vijftien procent van ons totale energieverbruik moeten afvangen en omzetten. Op dit moment zijn we nog niet zo ver. Nog lang niet zelfs. Daarom is en blijft dit onderzoek zo ongelooflijk belangrijk.”
