"CO2 problematiek - een ingenieursvisie"
door Gino Baron

De opwarming van onze planeet is een vast element in het dagelijkse nieuws en door de film van Al Gore “An inconvenient truth” is die opwarming in ieders geest ook verbonden met de CO2 uitstoot door menselijke activiteit. Daar we nog niet alle complexe processen op onze planeet begrijpen zijn deze voorspellingen vatbaar voor kritiek, doch één ding is zeker, de mens heeft een impact op deze aarde! De steeds sneller stijgende exploitatie van fossiele energiebronnen en grondstoffen dragen bij tot een ongunstige evolutie van het klimaat (lokaal en globaal) en de daarmee verbonden vervuiling van het milieu. Onbekwaam om een degelijke voorspelling te maken kunnen we maar beter voorzichtig zijn.

De meest radicale oplossing zonder verdere generatie van broeikasgassen is tegen 2030 wereldwijd alle 17 TW energie uit zon (40%), wind (50%) en water (10%) te halen, slechts een kleine fractie van de gemakkelijk exploiteerbare bronnen (650 TW). Daarvoor hebben we onder andere wel 4 miljoen windturbines van 5MW, 500000 getijdenturbines en 90000 zonnecentrales, en een slim netwerk nodig om deze energie te herverdelen. Onmogelijk? Vergeet niet dat we 73 miljoen auto’s per jaar bouwen! CO2 neutrale biobrandstoffen zouden beperkt kunnen bijdragen, vooral als transport brandstof. Het ontbreken van bepaalde technologieën, productiecapaciteit en vooral politiek vormen echter ernstige hinderpalen. Een flinke stap in die richting zetten moet echter onze betrachting zijn willen we onze kinderen en kleinkinderen een leefbare planeet nalaten.

De bestaande infrastructuur zal echter nog lange tijd in gebruik blijven en groeilanden zullen vooral de goedkope fossiele brandstoffen gebruiken die nog lang niet zijn uitgeput. We zullen dus onder druk van maatschappij en politiek iets aan de CO2 moeten doen met innovatieve technieken op een nooit geziene schaal, want de uitstoot is gigantisch. In 2007 hebben we maar liefst 29 miljard ton (40 km3) uitgestoten, goed voor het bedekken van België met een laag van 1,3 m dik aan vloeibaar CO2. Deze uitstoot is recent sterk gestegen sedert 1990: USA (20%) 4800 naar 5800 MT/a (met nog 40% stijging tot 2030) en China (22%) 2500 naar 6500 MT/a. Typisch voor Europa daalt België (0,35%) zelfs lichtjes van 108 naar 103 MT/a.

Intussen wordt in toenemende mate geïnvesteerd in onderzoek en ontwikkeling voor CCS (Carbon Capture and Storage). Dit wordt net zoals voor de hernieuwbare energieën, vooral voor de grote energiebedrijven een nieuwe business gezien de schaal, doch ook kleinere spelers zullen kunnen meegenieten van deze innovatiegolf voor kleinschalige oplossingen. Hoewel we heel wat bestaande technische oplossingen kunnen inzetten moeten extreem performante systemen worden ontwikkeld om gebrekkige ouderwetse systemen te corrigeren. Waar mogelijk zouden we beter nieuwe energiegeneratiesystemen en productieprocessen ontwikkelen met geïntegreerde CO2 captatie, doch die kunnen enkel in gebruik komen als we technieken voor de opslag van CO2 beschikbaar hebben.

Bij grootschalige stationaire energieopwekking wordt een brandstof verbrand met lucht en bevat het rookgas dus slechts 15% CO2 en vooral veel stikstof. CO2 uit deze verdunde stroom halen kost meer energie voor de scheiding dan uit een meer geconcentreerde stroom. Typisch kost deze zuivering met bestaande amine solventen 30% van de primaire energie van de brandstof en moet de centrale dus groter zijn voor een bepaalde energieproductie. Absorberen van CO2 met koude ammoniak (rookgassen koelen) heeft een lagere energiekost van 16%, doch vergt nog veel ontwikkeling. Vandaar dat we beter naar moderne systemen gaan waar ofwel de brandstof eerst wordt vergast met zuivere zuurstof, CO2 afgescheiden en waterstof geproduceerd, of verbranding met zuivere zuurstof zodat de CO2 in hogere concentratie veel goedkoper kan worden afgescheiden. Maar zuurstofproductie kost natuurlijk ook veel energie, en voor alle alternatieven moeten nog grote prototypes worden gebouwd en getest en de echte kosten becijferd, een belangrijke taak voor ingenieurs in de komende jaren.

Naast de optimalisatie van amine absorbers (zowel solvent als apparatuur) voor CO2 captatie wordt aan een hele trits alternatieven gewerkt:
andere solventen (carbonaten, ammoniakoplossing en gekoelde ammonia)
membranen (polymeermembranen, holle vezels met amines als carrier)
anorganische membranen zoals zeolieten of silica met amines
adsorbenten: zeolieten, hydrotalciet, actieve kolen, mesoporeuze silica, MOF, al dan niet gemodificeerd met amines of andere CO2 selectieve groepen, ionische vloeistoffen, afhankelijk van gewenste temperatuur en concentratie)
adsorptieprocessen: drukwisseladsorptie, temperatuurwisseladsorptie
conversie van brandstof of synthesegas na vergassen van brandstof tot CO2 en waterstof door koppelen reactie scheiding of door chemical looping
Adsorptieprocessen bieden waarschijnlijk de snelste weg naar een energetisch betere oplossing dan amine solvent processen doch er is nooit op dergelijke schaal gewerkt. Waarschijnlijk moet men circulerende wervelbedden gebruiken om de afmeting van de installatie en het energieverbruik laag te houden. Adsorptie bij lage temperatuur wordt dan gevolgd door regeneratie door desorptie bij hogere temperatuur. Voor een centrale van 500MW, die 4.4 MT/a CO2 uitstoot of 500T/h heeft men met huidige standaard zeolieten 5000T/h adsorbent nodig, of een inventaris van 500T adsorbent (6 min. cyclus). Deze installatie zou een oppervlak van 100x60 m2 beslaan, hoogte 15m, en een investering van 300M Euro vergen. En zo moeten er in de USA alleen al 1500 worden gebouwd.

De afgescheiden CO2 moet nu nog ergens definitief veilig worden opgeslagen en voorlopig heeft men enkel beperkte proeven gedaan op middelgrote schaal met opslag ondergronds, met gekende technologie uit de aardgas- of oliewinning. Dit kan in poreus gesteente of waterreservoirs als er een afsluitlaag boven zit die absoluut lekdicht is. Andere methodes zoals op zeebodem deponeren zijn enkel op zeer kleine schaal getest. Vraag is of dit alles maatschappelijk wel aanvaard zal worden denkend aan reacties tegen opslag van nucleair afval of zelfs een gewoon stort. Gesteenten en mineralen zoals olivijn kunnen met CO2 reageren en carbonaten vormen die stabiel zijn, doch de reacties zijn zeer traag en versnellen lukt nog niet genoeg.

De oceanen hebben naar schatting 50% van alle CO2 door ons geproduceerd opgenomen en zijn nu verzuurd met gevolgen voor koralen en schelpdieren. Misschien is de huidige 390 ppm CO2 reeds te hoog en moeten we die uit de lucht halen, tegen extreem hoge kost door de zeer lage concentratie! Ook hieraan wordt gewerkt met chemische conversies en zeer selectieve adsorbenten. En alsof dat niet volstond is er nog methaan dat 70 maal hogere impact heeft en waarvan slechts een deel bij de bron kan worden gecapteerd doch wel een uitstekende energiebron is. Over de balansen van methaan weten we vrijwel niets!

Vlaanderen heeft in verband met CO2 een bijzonder moeilijke positie met onze hoge bevolkingsdichtheid, hoge productie voor export met daaraan gekoppeld relatief hoog energieverbruik en weinig oppervlak voor installatie van alternatieve systemen. Kunnen we ondanks alles als ingenieurs iets aan deze problemen doen? Yes we can!