Voor het klimaat is CO₂-uitstoot een probleem, voor groot­schalige energieopslag is CO₂ een grondstof. Daarom bestuderen chemici allerlei technieken om ongebruikte duurzame energie vast te leggen in chemische bindingen.

‘Als het een aantal dagen stormt, heb je genoeg energie voor een week, maar dan moet je het wel kunnen opslaan’, zegt Wim Haije, wetenschappelijk medewerker large scale energy storage aan de TU Delft. ‘Er is daarom grote interesse voor opslag van duurzame energie uit zon en wind, want als het beschikbaar is, heb je het vaak niet nodig. En als je het nodig hebt, is het er niet.’

Om die mismatch tussen vraag en aanbod te overbruggen, zoeken chemici, procestechnologen en fysici naar methodes om duurzame energie grootschalig op te slaan in CO₂-neutrale brandstoffen. Het liefst met gebruik van duurzame bronnen als water, stikstof, CO₂ of biomassa.

Elektrochemische route

In Delft volgen ze een directe en een indirecte route om CO₂ vast te leggen. Haije: ‘We maken indirect chemische stoffen via elektrolyse van water naar waterstof dat we heel conventioneel laten reageren met CO₂.’ Een andere optie is om waterstof met stikstof tot ammoniak te laten reageren volgens het Haber-Boschproces, en later bijvoorbeeld weer in een turbine te verbranden. ‘Want waar we naar op zoek zijn, zijn goede waterstofdragers. En stikstof is er genoeg.’

De directe route verloopt elektrochemisch. ‘De elektronen die je met zon- en windenergie opwekt, dragen we via elektrodes direct over aan precursors zoals CO₂’, vertelt Haije. Dat kan ook CO₂ in zeewater zijn: HCO₃^- of CO₃^2-. ‘Er zit tenslotte meer CO₂ in die vorm in water dan CO₂ in de lucht, en water is toch nodig voor de reactie’, voegt Haije toe. Dit proces zou je volgens hem weer kunnen koppelen aan ontziltingsinstallaties. ‘Het zijn vergezichten, maar ze komen wel in beeld’, zegt Haije.

‘Voor plasmareactoren zijn geen zeldzame stoffen nodig’

Marc Koper, hoogleraar katalyse en oppervlaktechemie aan de Universiteit Leiden, bestudeert eveneens de elektrochemische route om CO₂ om te zetten in chemicaliën of brandstof. Met katalysatoren van palladium liet Koper al zien dat het mogelijk is om met een relatief lage overpotentiaal selectief mierenzuur te maken. ‘Met koperelektrodes kunnen we nu elektrochemisch koolstof-koolstofverbindingen maken bij kamertemperatuur. CO ontstaan uit koolstofdioxide vormt aan het koperoppervlak eerst een dimeer. Vervolgens verbreek je een van de C=O-bindingen. Dat is een route naar ethanol’, vertelt de hoogleraar. ‘Dit verloopt via heel andere reactiepaden dan de Fischer-Tropschreactie bij hoge temperatuur.’

De komende jaren wil Koper onderzoeken of het dimeer kan doorreageren naar C₃- en C₄-componenten. Verder kijkt hij naar de inzet van elektriciteit en CO₂ in organische synthese om zo CO₂ direct met een ander molecuul te laten reageren. Die methode heeft ook de interesse van polymerenproducent Covestro, het voormalige Bayer MaterialScience. Die heeft al een polyol, een component van polyurethaan, op de markt dat 20 % CO₂ bevat.

Snel aan en uit

De grootste uitdaging is reactoren te ontwikkelen die eenvoudig uit en aan kunnen om overtollige energie direct op te slaan. Katalysatoren kunnen daar in het algemeen niet goed tegen, maar als je reacties bij lage temperatuur en druk kunnen uitvoeren, heeft dat volgens Haije minder impact. ‘Wij hopen uit te komen rond de 200 °C en met een scheidingstrucje de evenwichtsreactie naar 100 % conversie te laten lopen. Wanneer we methaan maken uit waterstof en CO₂, de Sabatierreactie, en het bijproduct water wegvangen, dan kan het niet meer terugreageren.’

Het inerte CO₂ kun je ook bij lage temperatuur aanpakken met plasmatechnologie. Leon Lefferts, hoogleraar katalytische processen en materialen aan de Univer­siteit Twente, werkt daarvoor samen met DIFFER, het Dutch Institute for Funda­mental Energy Research. ‘Het charmante van plasma’s is dat je heel gericht energie kunt stoppen in een verbinding die je uiteindelijk wilt verbreken.’ Vrije elektronen, altijd in extreem lage concentratie in een gas aanwezig, worden versneld in een elektrisch of elektromagnetisch veld, botsen op het CO₂-molecuul en brengen het in een aangeslagen toestand, waardoor de vibraties in het molecuul toenemen. ‘De C=O-band rekt dan uit en is eenvoudiger te verbreken. Dit veroorzaakt een temperatuursverhoging van slechts 50 tot 100 °C, terwijl dit soort vibraties normaal bij duizenden Kelvin horen’, legt Lefferts uit. ‘We proberen dit ook met N₂.’

'Het is een trade-off: wil je hogere conversies, dan daalt de energie-efficiëntie'

Met deze aangeslagen moleculen kun je katalyse gaan bedrijven bij veel mildere condities. Daar is de katalyticus de komende tien jaar wel zoet mee, schat Lefferts. DIFFER heeft al laten zien dat het CO₂ efficiënt kan aanslaan en omzetten naar CO. Michael Gleeson, groepsleider materials and surface science bij DIFFER: ‘Op dit moment halen we conversies van 80 %. Maar er is een trade-off: wil je hogere conversies, dan daalt de energie-efficiëntie. Ideeën om dat te verbeteren gaan we de komende twee jaar testen.’

Plasmatechnologie heeft het voordeel dat het op grote schaal is te implementeren. Plasmareactoren vinden al toepassing in bijvoorbeeld ozonproductie en afbraak van vluchtige organische stoffen. ‘Maar het grootste voordeel is dat je plasmareactoren heel snel uit en aan kunt zetten. En daarmee snel kunt wisselen tussen energiegebruik en energieopslag. Bovendien zijn er geen zeldzame elementen nodig. Dat is een ander knelpunt voor grootschalige energieopslag’, stelt Gleeson. ‘Energie­bedrijven zijn zeker geïnteresseerd in die ontwikkelingen. Ze willen geen opties uitsluiten die misschien over tien à twintig jaar cruciaal worden door economische of politieke redenen.’

Wanneer een fabriek snel van 10 naar 80 % moet gaan en dan weer terug naar 30 %, is tevens een voorraad CO₂ onmisbaar. Lefferts kijkt daarvoor naar tijdelijke opslag van CO₂ in calciumcarbonaat, dat je eveneens kunt gebruiken voor CO₂-afvang en opslag. ‘Je kunt snel anticiperen op capaciteitsveranderingen, als je met een plasma calciumcarbonaat weer ontleedt naar CaO en het liefst gelijk CO en O₂. Calciumoxide kun je vervolgens opnieuw gebruiken om CO₂ te binden’, legt de hoogleraar uit.

Toegevoegde waarde

De productie van CO₂-neutrale brandstoffen is echt nog lange termijn, maar ondertussen kun je al kijken naar de productie van grondstoffen voor chemicaliën, vindt Gleeson. ‘Dat is economisch eerder interessant omdat de toegevoegde waarde hoger is en de volumes kleiner. En sommige chemicaliën bevatten al relatief veel zuurstof, waardoor CO₂ als grondstof een logische keus is.’

Voor CO₂-reductie zet vastleggen in chemicaliën met alle processen die we nu bestuderen geen zoden aan de dijk, meent Haije, het is nog geen procent van wat er in elektriciteitscentrales wordt verstookt. ‘Maar het is zeker een enabler voor grootschalige opslag van duurzame energie en genereert nieuwe ideeën. Als we duurzame energie steeds grootschaliger implementeren, verdwijnen die elektriciteitscentrales uiteindelijk vanzelf en daarmee de CO₂-uitstoot.’

Zolang CO₂-uitstoot bijna gratis is, zal het echter wel even duren voor het loont om met CO₂ iets anders te doen. Pas als de CO₂-prijs wereldwijd wordt opgeschroefd, kan niemand zich meer verstoppen, aldus Haije. Gleeson drukt ieder op het hart om voorlopige alle opties open te houden, en nog geen techniek uit te sluiten. ‘Het zal altijd een mix van technieken zijn. En als er ergens een doorbraak komt, dan kan het snel gaan.’