Kan CO2 uit de atmosfeer zuigen echt?

Natuurkundige Peter Eisenberger had verwacht dat collega's sceptisch op zijn idee zouden reageren. Hij beweerde per slot van rekening een machine te hebben uitgevonden die de atmosfeer van zijn overtollige koolstofdioxide kon reinigen, het gas tot brandstof kon maken of het ondergronds kon opslaan. En de wetenschapper van Columbia University was zich ervan bewust dat het noemen van zijn twee jaar oude startup Global Thermostat niet bepaald een oefening in nederigheid was geweest.

Maar de ontvangst in het voorjaar van 2009 was nog afwijzender dan hij had verwacht. Eerst sprak hij met een speciale commissie die was bijeengeroepen door de American Physical Society om mogelijke manieren te bekijken om koolstofdioxide in de atmosfeer te verminderen door middel van zogenaamde luchtvangst, wat in wezen betekent dat het uit de lucht wordt geschrobd. Ze luisterden beleefd naar zijn presentatie, maar stelden nauwelijks vragen. Een paar weken later sprak hij in het National Energy Technology Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie in West Virginia tot een al even sceptisch publiek. Eisenberger legde uit dat het onderzoek van zijn laboratorium chemicaliën omvat die amines worden genoemd en die al worden gebruikt om geconcentreerde koolstofdioxide op te vangen die wordt uitgestoten door elektriciteitscentrales op fossiele brandstoffen. Deze zelfde op amine gebaseerde technologie, zei hij, toonde ook potentieel voor de veel moeilijkere en ambitieuzere taak om het gas uit de open lucht te vangen, waar koolstofdioxide wordt gevonden in concentraties van 400 delen per miljoen. Dat is tot 300 keer meer diffuus dan in schoorstenen van elektriciteitscentrales. Maar Eisenberger voerde aan dat hij een eenvoudig ontwerp had om de prestatie op een kosteneffectieve manier te bereiken, deels vanwege de manier waarop hij de amines zou recyclen. Dat werd niet eens geregistreerd, herinnert hij zich. Ik had het gevoel dat veel mensen op me pisten.

CTO en mede-oprichter Peter Eisenberger voor de luchtopvangmachine van Global Thermostat.

De volgende dag belde een manager van het lab hem echter opgewonden op. De DOE-wetenschappers hadden zich gerealiseerd dat aminemonsters die in het laboratorium zaten, zich bij kamertemperatuur hadden verbonden met koolstofdioxide - een feit dat ze tot dan toe niet erg hadden gewaardeerd. Het betekende dat Eisenbergers benadering van luchtvangst op zijn minst haalbaar was, zegt een van de chemici van het DOE-lab, Mac Gray.

Vijf jaar later heeft het bedrijf van Eisenberger $ 24 miljoen aan investeringen opgehaald, een werkende demonstratiefabriek gebouwd en deals gesloten om ten minste één klant te voorzien van koolstofdioxide dat uit de lucht is geoogst. Maar de volgende uitdaging is om te bewijzen dat de technologie een transformerende impact op de wereld kan hebben, passend bij de naam van zijn bedrijf.

De behoefte aan een koolstofzuigmachine is gemakkelijk in te zien. De meeste technologieën voor het verminderen van kooldioxide werken alleen waar het gas in grote concentraties wordt uitgestoten, zoals in elektriciteitscentrales. Maar machines voor het opvangen van lucht, die overal op aarde zijn geïnstalleerd, zouden de 52 procent van de kooldioxide-emissies kunnen opvangen die worden veroorzaakt door verspreide, kleinere bronnen zoals auto's, boerderijen en huizen. Ten tweede zou het opvangen van lucht, als het ooit praktisch wordt, de concentratie van kooldioxide in de atmosfeer geleidelijk kunnen verminderen. Nu de uitstoot is toegenomen - ze stijgen nu met 2 procent per jaar, twee keer zo snel als in de laatste drie decennia van de 20e eeuw - beginnen wetenschappers de urgentie in te zien van het bereiken van zogenaamde negatieve emissies.

De duidelijke behoefte aan de technologie heeft verschillende andere pogingen verleid om met verschillende benaderingen te komen die praktisch kunnen zijn. Climate Engineering, gevestigd in Calgary, vangt bijvoorbeeld koolstof op met behulp van een vloeibare oplossing van natriumhydroxide, een gevestigde industriële techniek. Een bedrijf dat mede werd opgericht door een vroege pionier van het idee, Eisenbergs Columbia-collega Klaus Lackner, werkte een aantal jaren aan het probleem voordat hij het in 2012 opgaf.

Negatieve emissies zijn absoluut nodig om de atmosfeer te herstellen, aangezien we elke veilige limiet voor CO2 ver zullen overschrijden, als die er is. De vraag in mijn hoofd is, kan het op een economische manier worden gedaan?

Een rapport dat in april door het Intergouvernementeel Panel voor klimaatverandering is vrijgegeven, zegt dat het vermijden van de internationaal overeengekomen doelstelling van 2 °C opwarming van de aarde waarschijnlijk de wereldwijde inzet van strategieën voor het verwijderen van kooldioxide, zoals luchtopvang, vereist. (Zie De kosten van het beperken van klimaatverandering kunnen verdubbelen zonder technologie voor het afvangen van koolstof.) Negatieve emissies zijn absoluut nodig om de atmosfeer te herstellen, aangezien we elke veilige limiet voor CO2 ver zullen overschrijden, als die er is, zegt Daniel Schrag, directeur van het Harvard University Center for the Environment. De vraag in mijn hoofd is, kan het op een economische manier worden gedaan?

De meeste experts zijn sceptisch. (Zie What Carbon Capture Can't Do.) Een rapport uit 2011 van de American Physical Society identificeerde belangrijke fysieke en economische uitdagingen. Het feit dat koolstofdioxide zich bindt met amines, waardoor een molecuul wordt gevormd dat carbamaat wordt genoemd, is een bekende chemie. Maar kooldioxide vertegenwoordigt nog steeds slechts één op de 2500 moleculen in de lucht. Dat betekent dat een effectieve machine voor het opvangen van lucht enorme hoeveelheden lucht langs amines zou moeten duwen om voldoende koolstofdioxide te krijgen om eraan te blijven kleven, en vervolgens de amines regenereren om meer op te vangen. Dat zou veel energie vergen en dus erg duur zijn, aldus het rapport uit 2011. Daarom werd geconcludeerd dat luchtafvang momenteel geen economisch haalbare benadering is om klimaatverandering tegen te gaan.

De mensen van Global Thermostat begrijpen deze ontmoedigende economie, maar blijven uitdagend optimistisch. De manier om luchtafvang winstgevend te maken, zegt Graciela Chichilnisky, medeoprichter van Global Thermostat, econoom en wiskundige aan de Columbia University, is door te profiteren van de vraag naar gas door verschillende industrieën. Er bestaat al een gevestigde markt van miljarden dollars voor kooldioxide, die wordt gebruikt om oliebronnen te verjongen, koolzuurhoudende dranken te maken en de plantengroei in commerciële kassen te stimuleren. Historisch gezien wordt het gas verkocht voor ongeveer $ 100 per ton. Maar Eisenberger zegt dat de prototypemachine van zijn bedrijf een geconcentreerde ton gas zou kunnen winnen voor veel minder dan dat. Het idee is om eerst koolstofdioxide te verkopen aan nichemarkten, zoals het terugwinnen van oliebronnen, om uiteindelijk grotere markten te creëren, zoals het gebruik van katalysatoren om brandstoffen te maken in processen die worden aangedreven door zonne-energie. Als het vangen van koolstof uit de lucht eenmaal winstgevend is, zullen mensen die in hun eigen belang handelen dit laten gebeuren, zegt Chichilnisky.

Opwarmen

Eisenberger en Chichilnisky waren collega's bij Columbia in 2008 toen ze zich realiseerden dat ze complementaire belangen hadden: de zijne in energie en de hare in milieu-economie, inclusief werk om het Kyoto-protocol van 1991 vorm te geven, het eerste wereldwijde verdrag over het terugdringen van emissies. Naties hadden grote bezuinigingen beloofd, zegt Chichilnisky, maar de economische en politieke realiteit had niet voorzien in een manier om het uit te voeren. Het paar besloot een bedrijf op te richten om de koolstofuitdaging aan te gaan.

Ze concentreerden zich op luchtvangst, die voor het eerst werd ontwikkeld door nazi-wetenschappers die vloeibare sorptiemiddelen gebruikten om ophopingen van CO2 in onderzeeërs te verwijderen. In de winter van 2008 trok Eisenberger zich terug in een rustig huis met grote glazen ramen met uitzicht op de oceaan in Mendocino County, Californië. Daar bestudeerde hij bestaande literatuur over het afvangen van koolstof en nam een ​​belangrijke beslissing. Wetenschappers die technieken ontwikkelen om CO2 af te vangen, hebben tot nu toe geprobeerd om bij hoge concentraties van het gas te werken. Maar Eisenberger en Chichilnisky concentreerden zich op een andere term in die vergelijkingen: temperatuur.

Ingenieurs hebben eerder amines ingezet om CO2 uit rookgassen te wassen, waarvan de temperatuur rond de 70 °C ligt wanneer ze elektriciteitscentrales verlaten. Het vervolgens verwijderen van de CO2 uit de amines – het regenereren van de amines – vereist doorgaans reacties bij 120 °C. Eisenberger daarentegen berekende dat zijn systeem zou werken bij ongeveer 85 °C, waardoor er minder totale energie nodig zou zijn. Het zou relatief goedkope stoom gebruiken voor twee doeleinden. De stoom zou het oppervlak verwarmen, de CO2 van de te verzamelen amines afdrijven en tegelijkertijd CO2 van het oppervlak wegblazen.

Zelfs als luchtvangst ooit winstgevend zou blijken te zijn, is het een andere vraag of het moet worden opgeschaald.

Het resultaat? Met minder infrastructuur voor warmtebeheer dan nodig is voor amines in de schoorstenen van elektriciteitscentrales, zou het ontwerp van een scrubber eenvoudiger en dus goedkoper kunnen zijn. Met behulp van gegevens van hun prototype, schat het team van Eisenberger dat de aanpak tussen $ 15 en $ 50 per ton koolstofdioxide uit de lucht zou kunnen kosten, afhankelijk van hoe lang de amine-oppervlakken meegaan.

Als Global Thermostat ergens in de buurt van de prijzen kan komen die het aanprijst, lonken een aantal nichemarkten. De startup werkt samen met een in Carson City, Nevada gevestigd bedrijf genaamd Algae Systems om biobrandstoffen te maken met behulp van koolstofdioxide en algen. Ondertussen stijgt de vraag naar kooldioxide om te injecteren in uitgeputte oliebronnen, een techniek die bekend staat als verbeterde oliewinning. Eén studie schat dat de toepassing tegen 2021 jaarlijks wel 3 miljard ton kooldioxide nodig zou kunnen hebben, een bijna tienvoudige toename ten opzichte van de markt van 2011.

Dat is nog steeds een druppel op een gloeiende plaat wat betreft de hoeveelheden die nodig zijn om de concentratie CO2 in de atmosfeer te verminderen of zelfs te stabiliseren. Maar Eisenberger zegt dat er echt geen alternatieven zijn voor luchtverovering. Het simpelweg opvangen van koolstofemissies van kolengestookte elektriciteitscentrales, zegt hij, vergroot alleen de afhankelijkheid van de samenleving van koolstofintensieve steenkool.

Zuig het op

Het is een warme decembermiddag in Silicon Valley terwijl Eisenberger en ik ons ​​een weg banen door het betonnen onderzoekscentrum van SRI International. In deze laaghangende gebouwen demonstreerden ingenieurs voor het eerst ARPAnet, Apple's Siri-software en talloze andere technologische ontwikkelingen. Ongeveer een kwart mijl van de ingang komt een 40 meter hoge toren van ventilatoren, stalen en zilveren buizen in zicht. Dit is de demonstratiefabriek van Global Thermostat. Het is imposant en schoon. Eisenberger staart naar het rustige tafereel rond de toren, waarin een hoge boom staat. Het doet precies wat de boom doet, zegt Eisenberger. Maar dan corrigeert hij zichzelf. Nou, eigenlijk doet het het een stuk beter.

Nadat Eisenberger in 1967 een doctoraat in de natuurkunde had behaald aan Harvard, volgden stages bij Bell Labs, Princeton en Stanford. In de jaren tachtig leidde hij bij Exxon werkzaamheden op het gebied van zonne-energie en was daarna directeur van Lamont-Doherty, het geowetenschappelijk laboratorium in Columbia. Daar heeft hij een al lang bestaand seminar gegeven, genaamd The Earth/Human system. Het was tijdens dat seminar, in 2007, met Lackner als gastdocent, dat Eisenberger voor het eerst hoorde over luchtvangst. Na een jaar of zo van voorbereiding, reikten hij en Chichilnisky contact met miljardair Edgar Bronfman Jr. Soms, als je iets hoort dat te mooi moet zijn om waar te zijn, is dat omdat het zo is, was de reactie van Bronfman, volgens zijn zoon, die aanwezig was op de vergadering. Maar de telg smeekte zijn vader: als ze gelijk hebben, is dit een van de grootste kansen die er zijn. De familie investeerde 18 miljoen dollar.

Die vrijgevigheid heeft het bedrijf in staat gesteld om zijn demonstratie op te bouwen, ondanks in feite geen federale steun voor onderzoek naar luchtvangst. (Global Thermostat koos SRI als locatie vanwege de eerdere ervaring van de faciliteit met koolstofafvangtechnologie.) De rechthoekige toren maakt gebruik van ventilatoren om lucht aan te zuigen over afwisselend 10 voet brede oppervlakken die bekend staan ​​als contactors. Elk bestaat uit 640 keramische kubussen die zijn ingebed met het amine-sorptiemiddel. De toren brengt één contactor omhoog terwijl een andere wordt neergelaten. Daardoor kunnen de kubussen van de ene CO2 uit de omgevingslucht halen, terwijl de andere door de toepassing van stoom, bij 85 °C, van het gas wordt ontdaan. Voorlopig wordt dat gas gewoon afgeblazen, maar afhankelijk van de klant kan het in de grond worden geïnjecteerd, per pijp worden vervoerd of worden overgebracht naar een chemische fabriek voor industrieel gebruik.

Een belangrijke uitdaging voor het bedrijf is de robuustheid van de amine-absorberende oppervlakken. Ze hebben de neiging om snel te vergaan wanneer ze worden geoxideerd, en het vaak vervangen van de sorptiemiddelen zou het proces veel minder kosteneffectief kunnen maken dan Eisenberger-projecten.

Valse hoop

Geen van de duizenden kolencentrales ter wereld is uitgerust voor het op grote schaal opvangen van hun koolstofvervuiling. En als het niet economisch is voor gebruik in energiecentrales, met hun geconcentreerde bron van koolstofdioxide, lijken de vooruitzichten om het uit de lucht te halen voor veel experts zwak. Er is echt weinig kans dat je CO2 goedkoper uit de omgevingslucht kunt halen dan uit een kolencentrale, waar het rookgas 300 keer meer geconcentreerd is, zegt Robert Socolow, directeur van het Princeton Environment Institute en mededirecteur van het CO2-reductie-initiatief van de universiteit .

Wat de scepsis over de haalbaarheid van luchtafvang vergroot, is dat er andere, goedkopere manieren zijn om de zogenaamde negatieve emissies te creëren. Een meer praktische manier om het te doen, zegt Schrag, zou zijn om brandstoffen uit biomassa te halen - die CO2 uit de atmosfeer verwijdert terwijl deze groeit. Omdat die grondstof in een reactor wordt gefermenteerd om ethanol te maken, produceert het een stroom zuivere koolstofdioxide die kan worden opgevangen en ondergronds kan worden opgeslagen. Het is een bewezen techniek en is getest op een handvol locaties over de hele wereld.

Zelfs als luchtvangst ooit winstgevend zou blijken te zijn, of het nu? zou moeten worden opgeschaald is een andere vraag. Stel dat een zonne-energiecentrale buiten een bestaande kolencentrale wordt gebouwd. Moet de energie die de nieuwe zonnecentrale produceert, worden gebruikt om koolstof uit de atmosfeer te zuigen, of moet de kolencentrale worden stilgelegd door de energie-output te vervangen? Dat laatste is veel logischer, zegt Socolow. Hij en anderen hebben nog een andere zorg over luchtvangst: dat beweringen over de haalbaarheid ervan tot zelfgenoegzaamheid kunnen leiden. Ik wil niet dat we mensen de valse hoop geven dat luchtafvang het probleem van koolstofemissies kan oplossen zonder een sterke focus op [het verminderen van het gebruik van] fossiele brandstoffen, zegt hij.

Eisenberger en Chichilnisky zijn onvermurwbaar over het belang van het opzuigen van CO2 uit de atmosfeer in plaats van zich volledig te concentreren op het opvangen van het uit kolencentrales. In 2010 ontwikkelde het paar een versie van hun technologie die lucht mengt met rookgas van een kolen- of gasgestookte elektriciteitscentrale. Die aanpak biedt een bron van stoom terwijl zowel atmosferische koolstof als nieuwe emissies worden opgevangen. Het kan ook de kosten verlagen door een hogere concentratie CO2 te leveren die de machine kan afvangen. Het is een zeer indrukwekkend systeem, een triomf, zegt Socolow, die denkt dat wetenschappelijke vooruitgang op het gebied van luchtvangst uiteindelijk vooral zal worden gebruikt in kolen- en gascentrales.

Een dergelijke toepassing zou een cruciale rol kunnen spelen bij het opruimen van de uitstoot van broeikasgassen. Maar Eisenberger heeft zelfs nog verhevener doelen onthuld. Een patent dat in 2008 aan hem en Chichilnisky werd verleend, beschreef de technologie voor het opvangen van lucht onder andere als een mondiale thermostaat voor het regelen van de gemiddelde temperatuur van de atmosfeer van een planeet.

Eli Kintisch is correspondent voor Wetenschap tijdschrift.

zich verstoppen