‘Onderzoek naar het reduceren van CO₂ is de laatste vijf jaar enorm gegroeid’, zegt Jana Roithová, hoogleraar spectroscopie en katalyse aan de Radboud-Universiteit, die onderzoek deed naar elektrokatalyse om CO₂ af te breken. Het infrarood-absorberende molecuul CO₂ is de grote boosdoener van klimaatverandering, dus alles is beter dan uitstoten. Het laatste IPCC-rapport maakt het (nog een keer) pijnlijk duidelijk. Niet alleen moeten we onze uitstoot van CO₂ snel naar beneden brengen om de aarde de ergste opwarming te besparen, maar ook zullen we werk moeten maken van ‘negatieve emissies’. Op dit moment zit er 3262 gigaton aan CO₂ (Gt) in de atmosfeer, zo’n 50 procent meer dan vóór het fossiele tijdperk. Ongeveer 37,5 Gt daarvan voegden we nog toe in 2022. En hoewel de uitstoot van de VS en Europa inmiddels krimpt, groeit die van andere werelddelen nog altijd. Er zit weinig anders op: we zullen CO₂ uit de atmosfeer moeten gaan halen. En dat is lastig, want CO₂ is een nogal stabiel molecuul, nauwelijks kapot te krijgen. Om de zuurstofatomen los te peuteren van het koolstofatoom moet er energie, strikt genomen: enthalpie, bij. Bovendien is de concentratie in de lucht, hoe problematisch voor het klimaat ook, nogal laag: 417 ppm ofwel 0,0417 procent, wat het afvangen en concentreren niet gemakkelijker maakt. 

De natuur lukt dat overigens wel. Fotosynthese legt CO₂ vast met hulp van zonlicht, en dus is CO₂ op te slaan in bijvoorbeeld bossen, bosbodems of zeegrasvelden. De snelste manier om CO₂ afvang te bevorderen is dan ook om die natuurlijke processen aan te jagen met aanplant, herstel en beter beheer van bossen en bodems. Volgens het rapport ’A global, independent scientific assessment of Carbon Dioxide Removal 2022’ van Stephen M. Smith van de Universiteit van Oxford en collega’s, gebeurt dat nu al met 2Gt per jaar. Dat is duizendmaal meer dan nieuwe CO₂-afvangtechnologieën, zoals BECCS (Bioenergy and Carbon Capture and Storage): het vergassen of verbranden van biomassa, waarbij de vrijkomende CO₂ wordt afgevangen en opgeslagen. Onder die noemer vallen ook het bevorderen van het verweren van gesteentes zoals olivijn, en het maken van biochar, een houtskool-achtige stof uit plantenmateriaal die koolstof kan vastleggen in de bodem. Slechts 1 procent bestaat uit de meest ‘chemische’ methoden, zoals het afvangen van CO₂ uit de atmosfeer en die vervolgens onder de grond stoppen: Direct Air Capture and Storage, DACSS.  

‘Elektrochemie heeft een enorme ontwikkeling doorgemaakt, ook in de katalyse’

Jana Roithová 

Onder de grond 

Dat afvangen gebeurt op kleine schaal door bedrijven als Carbon Engineering (Canada), Global Thermostat (VS), SkyTree (Nederland) en Climeworks (Zwitserland). Ze gebruiken ventilatoren en amines om CO₂ uit de lucht te wassen en weer vrij te maken. Climeworks verkoopt de CO₂ onder andere aan beheerders van broeikassen. In het IJslands Orca-project filtert het bedrijf 4000 ton CO₂ per jaar uit de lucht, dat onder de grond wordt gestopt. Een Climeworks-project dat 36 duizend ton per jaar afvangt zou in 2024 operationeel moeten zijn. Dat is een record, maar nog altijd maar ongeveer een miljoenste van de jaarlijkse CO₂-emissies. Deze processen kosten bovendien energie, en CO₂ onder de grond stoppen levert voorlopig nog weinig economische waarde op, wat het opschalen in de weg staat. Je zou er ook iets anders mee kunnen doen, bijvoorbeeld CO₂ de basis maken van een circulaire chemie waarbij het een grondstof is in plaats van fossiele grondstoffen. ‘Daar werken nu heel veel groepen aan’, zegt Roithová. In het vakblad Natural Sciences beschreven Roithová en collega’s een katalysator voor de reductie van CO₂ naar CO en O₂, gebaseerd op een ijzer-porfyrinestructuur. Geïnspireerd door enzymen bouwden de Nijmeegse onderzoekers de structuur uit tot een ‘kooi’, met een holte waarin het CO₂-molecuul precies past. Roithová: ‘Enzymen hebben ook zulke holtes als actief centrum. De directe omgeving daarvan is belangrijk voor de katalyse. We hebben die omgeving zo aangepast dat die de binding van CO₂ en de daaropvolgende reductie bevordert.’

De katalysator is meteen ook een voorbeeld van elektrokatalyse: de energie en de elektronen die nodig zijn om CO₂ te reduceren worden met een elektrode aangevoerd. ‘Elektrochemie was ooit een beetje een onderbelicht gebied, maar het heeft een enorme ontwikkeling doorgemaakt in de laatste jaren’, zegt Roithová, ‘in bijna ieder gebied, dus ook in de katalyse.’ Elektrokatalyse maakt zowel de toevoer van energie als de reactie zelf eenvoudiger: er is bijvoorbeeld geen sacrificial grondstof nodig die de elektronen levert, en daardoor wordt opgebruikt en uit het eindproduct gezuiverd moet worden.  

Polymeren 

Roithová en collega’s bevinden zich in het fundamentele deel van het onderzoeksspectrum, gericht op de chemie van overmorgen, maar er zijn inmiddels ook stappen richting industriële conversie van CO₂. Zo werkt het Nederlandse Avantium aan het elektrokatalytisch omzetten van CO₂, bijvoorbeeld uit afvalwater en afvalverbranding, tot kleine moleculen als mierenzuur. En het eveneens Nederlandse Photanol zet CO₂ om in organische moleculen als melkzuur met hulp van de fotosynthese door blauwalgen. Het Duitse Elektrochaea gebruikt archaea, prokaryote eencelligen, om CO₂ samen met waterstof om te zetten in methaan. De benodigde waterstof wordt geproduceerd via klassieke elektrolyse, idealiter met hernieuwbare elektriciteit.

‘Biotechnologische processen hebben een aantal voordelen’, zegt Heleen De Wever, bioprocestechnoloog bij de Vlaamse Instelling voor Technologisch Onderzoek, VITO. Zo zijn ze, vergeleken met klassieke katalytische chemische processen, meer compatibel met fluctuerende toevoer en bepaalde verontreinigingen, bijvoorbeeld sulfiden die metaalkatalysatoren vergiftigen. ‘Biotechnologie biedt bovendien heel selectieve omzettingen, omdat de enzymen in de micro-organismen selectief zijn’, zegt De Wever, ‘en het scala aan bereikbare eindproducten uit CO₂ is groot. Je kunt er kleine organische moleculen als methaan, methanol en mierenzuur mee maken, maar ook complexere moleculen als organische zuren en biopolymeren.’

‘Het scala aan bereikbare eindproducten uit CO₂ is groot’

Heleen De Wever  

Een grootschalig Vlaams voorbeeld is het Steelanol-project van staalfabrikant Arcelor Mittal, dat CO₂-rijke gassen afkomstig van de Gentse staalfabrieken zal omzetten in jaarlijks 80 miljoen liter bioethanol. De Wever: ‘Die installatie wordt nu in gebruik genomen.’ Wel is een vereiste van biotechnologische processen dat reacties in water plaatsvinden, en gassen als CO₂ en H₂ lossen slecht op in water. Ook hebben biotechnologische processen in het algemeen lagere opbrengsten per eenheid ruimte en tijd dan elektrochemische processen. Om de voordelen van beide te combineren en de nadelen te omzeilen worden dan ook steeds vaker hybride concepten ingezet. De Wever: ‘Je kunt bijvoorbeeld efficiënt katalytisch mierenzuur of methanol uit CO₂ maken, en dat vervolgens biotechnologisch gebruiken om polymeren te maken.’  

Fischer-Tropsch 

Naast elektrochemie, biotechnologie en klassieke heterogene katalyse, is er nog een manier om CO₂ te reduceren: plasma-ontladingen. ‘Wij hadden in oude literatuur uit de Sovjetunie gelezen over een omzettingsefficiëntie van 90 procent, toen dachten we: nu hebben we iets interessants te pakken’, vertelt Gerard van Rooij, van oorsprong plasmafysicus, maar nu chemisch onderzoeker bij de Universiteit Maastricht en werkzaam op de chemie-campus Chemelot bij Geleen. Maar toen Van Rooij en collega’s de proef op de som namen bleek de omzetting steken op tientallen procenten. Toch blijft de methode overeind, zegt hij. ‘Als je CO₂ wilt splitsen, moet je er veel energie in stoppen: thermisch kan dat, maar wel bij 5000 tot 7000 graden’ Dat kan eigenlijk alleen in heet plasma, waarbij je zo’n 50 procent energie-efficiëntie zou halen.’

Naast warmte levert het plasma ook de nodige elektronen, en de omzetting kan nog verder worden opgeschroefd door extra effecten, zoals zuurstofradicalen die ook CO₂ aanvallen. Met een plasmabron wist van Rooij CO₂ en O₂ om te zetten naar CO, dat samen met H₂ bruikbaar is voor bijvoorbeeld het Fischer-Tropsch-proces voor synthetische brandstoffen (syngas). Onderzoek loopt nog, onder andere bij het Eindhovense plasma-onderzoeksinstituut DIFFER waaraan Van Rooij ook verbonden is. Toch kwam hij naar eigen zeggen terug van zijn ‘naïeve’ plasma-fase. ‘Toen dacht ik: elk molecuul CO₂ dat we vastleggen is winst voor het klimaat, maar de vraag is natuurlijk: wat gebeurt er vervolgens mee? Als je er brandstof van maakt, die weer wordt verbrand, is de winst voor het klimaat nihil, en als je de CO₂ afvangt bij een schoorsteen, had je die brandstof beter in de eerste plaats niet kunnen verbranden.’  

‘Wij hadden in oude literatuur uit de Sovjetunie gelezen over een omzettingsefficiëntie van 90 procent’

Gerard van Rooij  

Bovendien, zegt Van Rooij, is de benodigde energie in de vorm van elektriciteit, op dit moment nog niet in voldoende mate duurzaam beschikbaar. Dit geldt ook voor productie van H₂ uit water. En voorlopig hebben CO₂-afvangprocessen nog niet de industriële wind mee. CO₂ uit de lucht afvangen is nog duur en energie-intensief, terwijl CO₂ onder de grond stoppen weinig waarde creëert, zegt ook De Wever van VITO. ‘Het punt is nu vooral de fossiele bron te vervangen door hernieuwbare koolstof, om een circulair systeem te creëren, en in te zetten op nuttige producten’ Daarbij kan het gaan om bouwmaterialen, zoals Carbstone, een bouwmateriaal dat CO₂ langdurig vastlegt, of producten met een kortere levensduur die continu worden hergebruikt. CO₂-reductie mag dan wel veel aandacht krijgen, die aandacht is vooral gericht op circulaire chemie en kleine platformmoleculen, in plaats van negatieve emissies en duurzame afvang.  ‘Twintig jaar geleden was hernieuwbare energie een niche-sector’, besluit het rapport van Stephen M Smith over CO₂ afvang hoopvol, ‘nu is dat plaatje radicaal anders… De afvang van CO₂ staat aan het begin van een vergelijkbare reis.’