Er zit teveel CO₂ in onze atmosfeer, daar is iedereen het wel over eens. Hoe we die hoge concentratie moeten verlagen tot een acceptabel niveau, daar zijn de meningen over verdeeld. Een van de manieren is het simpelweg uit de lucht halen, carbon capture and storage, tegenwoordig beter bekend als CCS. De methode is controversieel. Koolstofdioxide is om te beginnen lastig uit de lucht te halen. De meeste methoden gebruiken amines en andere absorptiemiddelen die afval opleveren. Bovendien is dit proces erg duur omdat het absorbens geregenereerd moet worden. Daar is tot wel een kwart van het energetisch vermogen van een centrale nodig (zie C2W13, 23 juli 2011).
Heb je het CO₂ opgevangen, dan moet je er wat mee. In de grond stoppen is een voor de hand liggende optie. Maar dat stuit op de bekende bezwaren: er zou geen bewijs zijn dat koolstofdioxidegas opgeslagen in bijvoorbeeld een aardgasveld nooit de grond uit kan lekken en schade kan toebrengen aan mens en dier. Afvangen en opslaan kost bovendien tussen de 25 en 80 euro per ton CO₂, ofwel 1,3 tot 3 cent per kWh stroom die is opgewekt met een verbrandingsinstallatie, volgens het programma CATO dat afvang en opslag onderzoekt.
Beter zou zijn om het koolstofdioxidegas direct nuttig te gebruiken door het in andere verbindingen om te zetten. Hoe, daar wordt door steeds meer onderzoekers naar gezocht. 'CO₂ is een unieke grondstof,' verklaart Armin Michel, program manager Sustainability bij DSM Resins, de grote interesse. 'We zijn gewend dat je voor een grondstof moet betalen, maar met CO₂ krijg je zelfs geld toe. Dat komt doordat bedrijven hun teveel aan CO₂ -emissies moeten afkopen.'
 
Chemisch reduceren
Het probleem met CO₂ is dat het erg onreactief is. Het koolstofatoom is volledig geoxideerd en de verbinding moet dus eerst gereduceerd worden voordat het een reactie aangaat. Dat kan grofweg op drie manieren. De eerste is chemische reductie, een reactie van kooldioxide met meestal een andere organische verbinding. Een katalysator is daarbij onontbeerlijk. Er zijn al diverse processen commerciëel. Zo wordt op grote schaal urea voor kunstmest en salicylzuur als grondstof voor geneesmiddelen gemaakt uit CO₂ . Het Duitse chemieconcern Bayer maakt sinds 2011 polyurethaan uit CO₂ op kilogram-schaal in een pilot plant. Ook methanol kan worden geproduceerd door CO₂ bij 250°C en onder 50 bar druk te laten reageren met waterstofgas (zogeheten hydrogenolyse). Onderzoekers aan de universiteit van Freiburg (Duitsland) hebben onlangs een nieuwe katalysator voor dit proces ontwikkeld die bestaat uit koper, zinkoxide en zirkoniumoxide. Daarmee kan bij lagere temperatuur maar nog steeds bij hoge druk dezelfde reactie worden uitgevoerd.
Een elegante manier om koolstofdioxide te gebruiken in een chemische reactie is ontwikkeld door het Amerikaanse bedrijf Novomer waar DSM sinds enkele jaren een groot aandeel in heeft. Novomer maakt, nu nog op kleine schaal, polycarbonaten zoals polypropyleencarbonaat en polyethyleencarbonaat met CO₂ als grondstof. De helft van het gewicht van het polymeer bestaat uit CO₂ zodat een behoorlijke hoeveelheid koolstofdioxide nodig is om grote hoeveelheden milieuvriendelijk polymeer te maken. De Resins-afdeling van DSM gaat de polycarbonaten die Novomer ontwikkelt gebruiken in coatings.
De Novomer-reactie van ethyleenoxide of propyleenoxide met CO₂ wordt gekatalyseerd door een cobaltcomplex dat ontwikkeld is door Geoffrey Coates, medeoprichter van het bedrijf. 'Novomer's core business is katalysatoren ontwikkelen om CO₂ om te zetten in polymeren. DSM is goed in het vinden van toepassingen,' verklaart Armin Michel van DSM de samenwerking.
Omdat CO₂ zo'n goedkope grondstof is worden de polycarbonaten naar verwachting zelfs goedkoper dan concurrerende polymeren die uit aardolie-grondstoffen zijn gemaakt. Dat zijn bijvoorbeeld polyesters, acrylaten en polyurethaan. Nu nog wordt schoon CO₂ uit een vergister gebruikt, maar in de toekomst moet er een polymeerfabriek naast een verbrandingsinstallatie komen te staan zodat het CO₂ direct uit de afvalstromen gebruikt kan worden, vertelt Michel. En de nadelen? 'Die zijn er eigenlijk niet,' vindt Michel.
 
Elektronen nodig
Een tweede manier om CO₂ te bewegen tot een reactie is elektrochemische reductie, met behulp van stroom dus. In Frankrijk wordt veel onderzoek gedaan naar de omzetting van CO₂ naar CO dat makkelijker als intermediair kan worden gebruikt, zegt Michel van DSM, omdat de energievoorziening daar voor 80% uit kernenergie komt. De stroom is dus goedkoop en zorgt niet voor meer CO₂ -uitstoot.
Het bedrijf Carbonrecycling International, niet uit Frankrijk maar uit IJsland, was een van eersten die een dergelijk proces commercialiseerde. Zij maken methanol uit CO₂ en water met groene stroom. Het zogeheten Emission-to-Liquid proces kraakt eerst water tot waterstof en zuurstof met elektriciteit. Die is 100% duurzaam, namelijk opgewekt met hydrothermische en geothermische energie, laat Benedikt Stefánsson, Director of Business Development van het bedrijf, per e-mail weten. Daarna reageert CO₂ met waterstof tot methanol in een katalytisch proces. De samenstelling van de katalysator is bedrijfsgeheim, meldt Stefánsson.
Methanol wordt gebruikt voor het bijmengen in biodiesel. Het bedrijf produceert nu al vijf miljoen liter methanol per jaar op deze manier en haalt daarmee 5,6 duizend ton CO₂ uit het afvalgas van een geothermische energiecentrale op het IJslandse Reykjanes schiereiland. Dat is zo'n 10% van de uitstoot van die centrale. 'De bron van het koolstofdioxide is dus de natuurlijke emissie van een vulkaan. We noemen onze duurzame methanol voor de grap ook wel Vulkanol,' zegt Stefánsson. Een grote fabriek moet het tienvoudige gaan produceren.
 
Hulp van microorganismen
Ten slotte is er een derde manier om CO₂ te activeren die je 'biologische reductie' zou kunnen noemen. De truc daarbij is om microorganismen zover te krijgen dat ze CO₂ verbruiken om een bruikbare stof naar keuze te maken. Planten en veel microorganismen zetten CO₂ om tijdens de fotosynthese. Zo kunnen algen koolwaterstoffen maken uit kooldioxide en water met voedingsstoffen. Bio-methanolproducent BioMCN onderzoekt samen met de Universiteit Wageningen (WUR) de mogelijkheid om enzymen de omzetting van CO₂ naar methanol te laten uitvoeren. In de eerste stap wordt CO₂ met het enzym formiaat dehydrogenase omgezet in mierenzuur. In de volgende stap zet formaldehyde dehydrogenase dit om in formaldehyde. Tenslotte wordt methanol gemaakt door het enzym alcohol dehydrogenase. Al deze enzymen gebruiken NADH (de gereduceerde vorm van nicotinamideadeninedinucleotide) als bron voor protonen. Met behulp van zonlicht wordt het gevormde NAD+ geregenereerd tot NADH waarna het weer gebruikt kan worden.
'De omzetting is bekend op labschaal en wordt gedaan in een paar afzonderlijke stappen,' legt plant manager Paul Compagne van BioMCN uit. 'Wij gaan samen met de WUR uitzoeken hoe we er een simultane reactie van kunnen maken door de condities van de stappen zoveel mogelijk gelijk te maken. Vervolgens schalen we die op en als dat succesvol is bouwen we een pilotplant. Ik verwacht dat we daar tenminste vijf jaar voor nodig hebben.'
Eveneens gebruik makend van fotosynthese hebben onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam hebben een bacterie zover gekregen dat hij direct melkzuur produceert uit CO₂ en zonlicht (zie C2W 1 april 2012). Deze cyanobacterie, in de volksmond ook wel blauwalg genoemd, is genetisch zo in elkaar gezet dat hij zowel het zonlicht efficiënt kan gebruiken voor de fotosynthese van een precursor uit CO₂ , als vervolgens de vergisting van deze precursor tot een nuttige stof kan uitvoeren. Normaal zijn daar twee verschillende microorganismen voor nodig.
Het produkt kan butanol of ethanol zijn, beide biobrandstoffen, maar ook melkzuur, dat als polymeer wordt toegepast in onder andere medisch hechtdraad en bioafbreekbaar plastic. Deze combinatie van fotosynthese en fermentatie is Photanol gedoopt door de ontdekkers, die er een gelijknamig spin-offbedrijf voor oprichtten. Afgelopen maart is een pilotplant van Photanol in gebruik genomen in aan de UvA in Amsterdam.
 
Bijzondere bacteriën
De biobatterij van Mieke van Eerten-Jansen, onderzoekster aan de Wageningen Universiteit, gebruikt geen zonlicht maar elektriciteit. Een mengsel van microorganismen zet CO₂ direct om in methaan, enkel met hulp van stroom. 'In Nederland als gas-land is methaan een heel waardevol product,' zegt Van Eerten-Jansen. 'Methaan komt zuiver uit de cel en kan zo het aardgasnet in.' De enige afvalprodukten van de cel zijn zuurstof en water met af en toe wat microorganismen die er toch al in zaten.
Van Eerten-Jansen laat een prototype van de biobatterij zien. Het bestaat uit twee compartimenten met elektroden in een omhulsel, gescheiden door een membraan. Op de kathode zit een laagje microorganismen. Door de cel stroomt zout water, zeewater bijvoorbeeld. Dat dient aan de kathode als voeding en, door middel van elektrolyse, aan de anode als bron van waterstofatomen. De microorganismen zijn methanogenen die in slib of gewoon in de sloot zitten. 'Wij hebben slib uit een vergister gebruikt, dat werkt prima,' aldus Van Eerten-Jansen. Ze onderzoekt nog welke bacteriën er precies in het mengsel zitten en welke het beste methaan kunnen maken.
Op de elektroden wordt spanning gezet, nu nog gewoon uit het stopcontact maar later bijvoorbeeld met een zonnepaneel om het geheel nog duurzamer te maken. CO₂ wordt opgelost in het zeewater en stroomt langs de kathode. Aan het andere uiteinde komt er puur methaan uit. 'Het lijkt erop of de microorganismen direct elektronen kunnen gebruiken voor de omzetting. Dat is gunstig, want dat zou minder energie kosten om methaan te maken dan wanneer je eerst waterstofgas moet produceren,' aldus de milieutechnologe.
Van Eerten-Jansen is dicht bij een toepassing. 'Als eerste willen we onze cel naast een vergister plaatsen, die al methaan uit biomassa produceert. Het afvalgas daarvan bevat zo'n 40% CO₂ . Als we dat door de biobatterij leiden kunnen we de productie van methaan enorm verhogen.' Het kost nu nog zo'n 18 kWh stroom om een kuub methaan te maken, wat een energieinhoud van 10 kWh heeft. Een efficiëntie van 55% dus. Over een jaar moet dat boven de 80% zijn, zegt Van Eerten-Jansen. Ook de produktiesnelheid van methaan die de bacteriën halen moet nog omhoog.
 
Druppel in de oceaan?
Genoeg ideeën voor het nuttig gebruik van koolstofdioxide, maar schiet het klimaat er ook echt wat mee op? Nu, met de huidige technologie nog niet, zegt Armin Michel van DSM. 'We stoten elk jaar zo'n 30 miljard ton CO₂ uit, waarvan veruit het grootste deel voor het opwekken van energie en verbranden van fossiele brandstof. De chemische industrie gebruikt slechts een paar procent van de fossiele brandstof als grondstof voor de produktie van chemicaliën. Elke vermindering van koolstofdioxide in onze atmosfeer door CO₂ als grondstof de gebruiken lijkt natuurlijk op dit moment een druppel in een oceaan. Maar DSM doet er alles aan om de carbon footprint te verbeteren, waaronder het gebruik van hernieuwbare materialen en duurzame technologie.'
 
Dit artikel is gepubliceerd in het C2W16, 22 september 2012, pagina 22 en in MeMo nr 2, februari 2013, pagina 20.