CO2 uit de lucht goedkoop afvangen
Nederlandse start-up werkt met Britse subsidie aan ontwikkeling CO2-afvang
De Nederlandse start-up CO2CirculAir begon in het najaar van 2023 in Noord-Ierland met het testen van een proefinstallatie die CO2 uit de lucht afvangt. Deze installatie is gebaseerd op SMART-DAC ('Sustainable Membrane Absorption & Regeneration Technology for Direct Air Capture'). Het bedrijf claimt dat zijn installatie een twee keer kleinere footprint heeft dan die van andere DAC-technologieën en tevens goedkoper en energiezuiniger is. Oprichters Berend ter Meulen en Jeffrey Felix vertellen over deze nieuwe technologie en haar mogelijkheden.
Ruim 150 jaar ervaring met membraantechnologie
Eind 2020 ging CO2CirculAir in Arnhem als een volledig Nederlands bedrijf van start. Inmiddels werken er vijf mensen met in totaal meer dan 150 jaar ervaring met membraantechnologie. Op de vorige klimaatconferentie in Glasgow in 2021 behoorde het bedrijf al tot een top 10 van bedrijven die er over hun klimaatinnovatie mochten vertellen. Ook tijdens de Klimaattop COP28 in Dubai mocht het bedrijf zijn technologie pitchen (zie kader).
Smart-Direct air capture
CO2CirculAir, dat in Nederland nauwelijks een publieke noch een private financiering kon krijgen, kreeg een uitnodiging van de Britse overheid om in consortiumverband een pilot in Noord-Ierland te bouwen om zijn zogenoemde 'SMART-DAC' te beproeven.
Het project maakt deel uit van een programma dat 100 miljoen Britse pond kost, gericht op de ontwikkeling van technologie om CO2 uit lucht of water te halen. De Britten willen op dit gebied wereldwijd een leidende positie innemen.
“Het hele probleem van CO2 in de lucht heeft maar één oorzaak en dat is dat we fossiele olie en gas verbranden, waarbij CO2 als afvalstof in de lucht terechtkomt”, zegt Berend ter Meulen, één van de oprichters van CO2CirculAir (spreek uit: CO2 – circulair).
“De oplossing lijkt eenvoudig: stop met het verbruik van fossiele grondstoffen, haal CO2 uit de lucht en gebruik dit om er synthetische brandstoffen, chemicaliën en plastics van te maken. Op die manier breng je CO2 in een kringloop. Dat vergt wel een ingrijpende transitie, die een aantal decennia zal vergen."
"We mikken op een kostprijs lager dan honderd euro per ton CO2"
"Wij willen het afvangen van CO2 uit de lucht haalbaar en betaalbaar maken, mikken op een kost lager dan honderd euro per ton, dus lager dan de huidige prijs voor de uitstoot van een ton CO2 in het emissiehandelssysteem.”
SMART-DAC omvat twee stappen. In de eerste stap wordt CO2 met behulp van membraangasabsorptie uit de lucht gehaald. De moleculen passeren een membraan en reageren in een oplossing met kaliumhydroxide, wat kaliumcarbonaat oplevert.
Bij absorptie van meer CO2 ontstaat ook bicarbonaat (waterstofcarbonaat). Dit bicarbonaat verlaagt het energieverbruik voor regeneratie in het SMART-DAC-proces.
Alleen wind
“We gebruiken alleen de wind als aandrager van lucht met CO2, dus geen ventilatoren. Dat scheelt al gauw 30 procent in de investeringskosten en zelfs tegen de 80 procent in het energiegebruik voor de absorptiesectie. Als het windstil is, werkt het ook, zij het iets trager. Immers een boom neemt ook CO2 op als het windstil is”, legt Ter Meulen uit.
“Veel mensen denken dat je druk nodig hebt om CO2 via een membraan af te vangen. Dit is bij ons niet het geval. Wij gebruiken een membraan dat enkel dient om gas en vloeistof gescheiden te houden – dus om te voorkomen dat het absorptiemiddel ontsnapt – en om oppervlakte te creëren voor de stofoverdracht. Het absorbens zorgt voor een selectieve opname van CO2 uit de lucht”, licht Jeffrey Felix toe.
"Ons systeem kan gelijktijdig CO2 absorberen en het absorbens regenereren"
Bij de tweede stap komt de CO2 met behulp van elektrodialyse weer vrij en wordt vervolgens opgeslagen. Het absorbens is daarna weer geschikt om CO2 uit de lucht op te vangen.
Felix: "Sommige oplossingen van concurrenten absorberen ook CO2, maar op het moment dat ze moeten regenereren, kunnen ze geen CO2 absorberen. Bij ons kan dit gelijktijdig. Wij kunnen dus 24/7 absorberen”, aldus Felix.
De regeneratie van het absorbens is ingewikkelder. CO2CirculAir maakt hiervoor gebruik van elektrodialyse met bipolaire membranen. Daarbij komen aan de ene kant van het membraan waterstofprotonen vrij die het absorbens zodanig aanzuren dat gasvormig CO2 ontstaat. Het resterende water wordt naar de andere kant van het membraan geleid, waar het kaliumionen en hydroxide-ionen oppikt en dus loog ontstaat dat weer geschikt is voor de absorptie.
De absorptie van CO2 kost vrijwel geen energie. Er is alleen een pomp nodig om de vloeistof te verplaatsen.
"De energiekosten zijn voornamelijk verbonden aan de regeneratie. Het is voor iedereen van belang om te weten wat de kosten per ton CO2 zijn, maar dat zijn we nog aan het onderzoeken. De eerste meetresultaten wijzen op een laag energiegebruik van rond de 1.500 kWh per ton gevangen CO2. We denken beter te kunnen, maar dit zullen de optimalisatietesten moeten uitwijzen”, aldus Felix.
De energiekosten zijn in elk geval lager dan bij andere processen, omdat verhitting niet nodig is.
Als voorbeeld? Carbon Engineering in Canada adsorbeert ook CO2 met kaliumhydroxide, maar zet dit om in calciumcarbonaatpellets en verhit deze vervolgens in een oven tot ongeveer 800 °C om hieruit weer CO2 vrij te maken.
Een andere mogelijkheid is om amines als adsorbens te gebruiken. Hierbij is meestal verwarmen tot 100-120 °C nodig om de CO2 vrij te krijgen. Daarnaast zijn amines veelal vluchtig en ook toxisch, dit in tegenstelling tot het absorbens dat bij SMART-DAC wordt toegepast.
Buffer voor absorbens
Tussen deze stappen bevindt zich een buffer, waarin de absorbens met afgevangen CO2 tijdelijk opgeslagen kan worden. Dankzij deze buffer kan de regeneratie naar believen versneld of vertraagd worden.
“In Noord-Ierland kan de elektriciteitsprijs soms negatief zijn. Dan gaan wij voor het hoogste energieverbruik tegen lage kosten. Wanneer de elektriciteitsprijs hoog is en we niet willen wachten met regenereren, dan stellen we het systeem in op zuinig en nemen er de tijd voor. Het doel is om de CO2 tegen zo laag mogelijke kosten in handen te krijgen”, legt Felix uit.
Hij wijst erop, dat voor het opvangen van de totale jaarlijkse Europese CO2-uitstoot door (her)bebossing een oppervlak ter grootte van vrijwel geheel Europa nodig zou zijn. Bij het afvangen van CO2 via direct air capture kan met een oppervlak worden volstaan dat 400 keer zo klein is en met de technologie van CO2CirculAir zelfs met een oppervlak dat nog eens twee tot drie keer kleiner is, ruwweg vergelijkbaar met bijvoorbeeld de oppervlakte van 5.000 km² van de provincie Gelderland.
Chemische absorptie kan ook worden bereikt door het mineraal olivijn te vermalen, uit te strooien en na verloop van tijd in de grond op te slaan, maar daar is dan weer vijf keer zoveel oppervlak voor nodig als voor de SMART-DAC van CO2CirculAir. Bovendien kan die opgeslagen CO2 dan niet meer als koolstofbron dienen.
Proefinstallatie
De proeffabriek in Noord-Ierland is opgebouwd uit containers met in totaal 8 à 10 modules voor de membraan-gasabsorptie, een unit voor membraanelektrodialyse en het buffersysteem. Het geheel is 12 meter lang en 8 meter hoog. De membraanmodules bouwt CO2CirculAir zelf. Engineering, onderhoud en bouw besteedt het bedrijf deels uit in het Verenigd Koninkrijk, waarmee het voldoet aan de eis van de Britse overheid om minstens de helft van het budget in dat land te besteden.
Elke absorptiemodule bevat meer dan 400.000 membranen.
“We gebruiken goedkope synthetische materialen, want het is niet nodig om alles in roestvrijstaal uit te voeren. Ook hebben we geen ventilatoren en maar een klein aantal hoofdcomponenten. Dat scheelt zowel investerings- als energiekosten. Verder zijn er geen hoge temperaturen voor de regeneratie nodig en stelt het buffersysteem ons in staat om te regenereren als er een overschot aan groene goedkope stroom is”, aldus Ter Meulen.
“Met deze installatie zullen we in 2024 circa 100 ton CO2 per jaar afvangen, oftewel 100.000 kg. Dat is best veel als je je realiseert dat de concentratie CO2 in de lucht maar ongeveer 420 ppm is”, voegt Felix eraan toe.
ter Meulen: “Natuurlijk is het eenvoudiger om CO2 te halen uit rookgassen, waarin de CO2-concentraties 100 tot 200 keer hoger zijn. Maar die rookgassen zijn er straks niet meer als we stoppen met fossiele grondstoffen en bovendien leveren industriële rookgassen maar ongeveer 30% van de totale CO2-emissies. De chemische industrie heeft uiteindelijk een andere koolstofbron nodig en is daarvoor voornamelijk aangewezen op CO2 uit de lucht, ook doordat het aanbod van biomassa beperkt is.”
Groot marktpotentieel
Volgens het Internationaal Energieagentschap (IEA) is er in 2022 wereldwijd 37 miljard ton CO2 uitgestoten. Die uitstoot groeit jaarlijks met 5 procent. Er valt dus meer dan genoeg CO2 af te vangen, bijvoorbeeld om in de glastuinbouw te gebruiken of in frisdranken. CO2 kan ook als grondstof dienen voor synthesegas, waarvan bijvoorbeeld weer methanol met een marktvraag van 100 miljoen ton per jaar gemaakt kan worden.
"Het marktpotentieel voor synthetische brandstoffen voor vliegtuigen en zeeschepen is heel groot"
Veel groter is de potentiële markt voor synthetische brandstoffen voor vliegtuigen en zeeschepen, waarvoor batterij-elektrische aandrijving geen goed alternatief is.
“Of en wanneer de luchtvaart overschakelt, is een politieke keuze. Overheden zouden bijvoorbeeld kunnen eisen, dat in 2026 tien of twintig procent van de brandstof niet-fossiel moet zijn. In dat geval zal er meteen vraag naar CO2 zijn. Vandaar ook dat de Britten vaart willen zetten achter het ontwikkelen van technologieën om CO2 uit de lucht te halen”, licht ter Meulen toe.
Britse steun voor opschaalbare SMART-DAC
CO2CirculAir heeft weinig succes gehad met het verkrijgen van subsidie in Nederland en ook geen belangstelling kunnen wekken bij de Nederlandse luchtvaartsector. “We maakten kans op subsidie uit een potje van 17 miljoen euro, waarvan slechts een klein deel voor CO2-afvang was gereserveerd, en onze ontwikkelingsprojecten bleken ook niet in aanmerking te komen voor financiering uit het Nationaal Groeifonds."
"De afgelopen jaren hebben we meerdere projectvoorstellen ingediend maar zonder succes, terwijl we in het Verenigd Koninkrijk wel financiering konden krijgen vanuit een overheidsprogramma. Sterker nog, vanuit dat land zijn wij meteen benaderd toen men vernam waarmee wij bezig zijn”, aldus Ter Meulen.
“De Britse overheid verlangt niet alleen nieuwe technologie, maar ook technologie die goed opschaalbaar is. Dat kan, omdat we gebruik maken van modules en opschalen een kwestie van scaling by numbers is”, voegt Felix eraan toe.
Het bedrijf hoopt in 2027 een demonstratie-installatie in gebruik te kunnen nemen met een capaciteit van 2 à 3 kiloton per jaar en in 2030 een installatie op volledige schaal van 30 à 50 kiloton per jaar. “Die vergen miljoeneninvesteringen en dat kan alleen als er tegen die tijd genoeg vraag is naar groene methanol en synthetische brandstof en dat vraagt om gericht overheidsbeleid”, concludeert ter Meulen.
Bedrijven en organisaties waarmee CO2CirculAir samenwerkt in een consortium voor de uitvoering van het UK-project voor ontwikkeling, bouw en testen van de pilot-plant:
• B9 Energy Ltd (Larne, Noord-Ierland)
• Net Zero Technology Centre (Aberdeen, Schotland)
• Optimus Plus (Aberdeen)
• Heriot-Watt University (Research Centre for Carbon Solutions) (Edinburgh)
• Process Design Center (Breda)
CO2Circulair is het Britse ministerie DESNZ (Department of Energy Security & Net Zero) erkentelijk voor de financiering van het SMART-DAC ontwikkelingsproject.
Pitch tijdens COP28 in Dubai
CO2CirculAir is één van de tien start-ups, geselecteerd uit 650 aanmeldingen wereldwijd, die tijdens de ADNOC Decarbonization Technology Challenge op de Klimaattop COP28 in Dubai zijn technologie mocht pitchen.
“Hoewel onze ‘decarbonisatie-technologie’ een enorme impact kan hebben, ging de prijs van een miljoen dollar voor het uitvoeren van een pilot-test in de Emiraten naar Revterra, producent van een kinetische batterij.
De pitch leverde ons wél een innovatieprijs op als erkenning voor deze baanbrekende technologie, die de potentie heeft om het mondiale energielandschap opnieuw vorm te geven en nog belangrijker: concrete interesse om onze technologie toe te passen in de Verenigde Arabische Emiraten en andere landen”, aldus Jeffrey Felix, CEO van CO2CirculAir.
