Omgekeerde verbranding: Kan CO2 terug omgezet worden in brandstof?

Klimaatverandering is één 's werelds grootste problemen. En dit probleem wordt voor een groot deel veroorzaakt door de gigantische hoeveelheid CO2 die jaarlijks uitgestoten wordt door de activiteiten van de mensen op aarde. Deze activiteiten waarbij er CO2 vrijkomt in de atmosfeer hebben voor 90% van de gevallen te maken met energievoorziening. Om dit probleem tegen te gaan zijn er, algemeen gezien twee verschillende strategieën toepasbaar. Namelijk de eerste strategie is om minder energiebronnen te gaan gebruiken waarmee de uitstoot van CO2 gepaard gaat. De tweede strategie is, om verder deze energiebronnen te blijven gebruiken zolang dat mogelijk is, maar te gaan voorkomen dat de CO2 niet meer in de atmosfeer terecht komt. En wanneer er twee strategieën mogelijk zijn, dan is het vaak zo dat de combinatie van de twee de meest interessante is. En hier is dit hoogstwaarschijnlijk ook het geval. Voor beide strategieën zijn er al heel wat verschillende technologieën ontwikkeld.

Er worden ook steeds nieuwe technologieën ontwikkeld waarmee men het probleem van de klimaatverandering wil aanpakken volgens één van de strategieën. En Lin Chao van Princeton University is al een heel lange tijd bezig met de ontwikkeling van een dergelijke technologie. Al sinds 1990 werkt hij aan een elektrochemische cel waarmee CO2 kan omgevormd worden tot koolwaterstoffen. Koolwaterstoffen zijn namelijk de bouwstenen voor nagenoeg alle brandstoffen. De elektrodes van deze cel zijn gemaakt van palladium. De katalysator die men gebruikt is pyridinium. Pyridium is een chemische stof die onder andere terug te vinden is bij de raffinage van aardolie. In de elektrochemische cel is er ook een bepaalde hoeveelheid waterstofgas aanwezig. Wanneer men dan een elektrische stroom aansluit op deze twee elektrodes dan wordt het CO2 gas samen met het waterstofgas omgezet in methaangas.

Toen hij deze ontdekking deed in 1994, publiceerde hij zijn bevindingen maar er was niemand geïnteresseerd. Maar in 2003 kwam er interesse in zijn werk doordat het het potentieel bevat om te dienen als oplossing voor de klimaatverandering. Andrew B. Bocarsly een professor Chemie aan de University of Princeton zette samen met een studente Emily Barton het werk van Lin Chao verder. Volgens de theorie zou het dus mogelijk zijn om van water en lucht methaangas te gaan maken. Maar er is ergens wel nog een probleem, namelijk is dat er energie nodig is om deze reactie te laten doorgaan. Deze energie wordt aangevoerd door de elektrische stroom. En deze elektrische stroom wordt dus opgewekt met een andere energiebron. Deze technologie zou vrij zinloos zijn indien er tijdens de opwekking van die elektrische stroom ook CO2 uitgestoten wordt. Dus ging Emily Barton op zoek naar een manier om die elektrische stroom op te wekken zonder er CO2 uitgestoten wordt.

Eén van de mogelijke manieren om deze elektrische stroom op te wekken is aan de hand van zonne-energie. Zonne-energie kan direct omgezet worden in elektriciteit. Dit kan via fotovoltaïsche cellen die gemaakt zijn van halfgeleidermateriaal waarin een elektrische stroom wordt opgewekt indien er zonlicht op invalt. Het is dus mogelijk om de elektrodes van de elektrochemische cel te gaan verbinden met een zonnecel die dat de elektriciteit aanvoert. Maar de onderzoekers hebben een lichtjes verschillende oplossing bedacht, namelijk ze hebben één van de elektrodes gemaakt uit hetzelfde halfgeleidermateriaal als dat van de fotovoltaïsche cellen. Op deze manier dient de zon als energiebron voor de omzetting van CO2 in methaan. Dit is in grote lijnen hetzelfde als wat er gebeurt bij het fotosynthese proces dat voor komt in planten en sommige bacteriën. Daarbij wordt er eigenlijk ook brandstof geproduceerd maar dat eerder in vaste toestand dan in gasvormige toestand. Dit is een heel interessant concept voor energieproductie, namelijk er wordt gebruik gemaakt van een hernieuwbare energiebron namelijk de zon. Maar bij de meeste technologieën waarmee zonne-energie mogelijk gemaakt wordt is het niet onmiddellijk mogelijk om de geproduceerde energie te gaan opslaan voor later gebruikt. Maar bij deze nieuwe technologie wordt de energie wel opgeslagen. De vorm waarin de energie opgeslagen wordt is een zeer handige vorm. Namelijk er gaat geen energie verloren tijdens de opslag ervan en het heeft een grote energetische dichtheid. Dit zorgt dat deze gebruikt kan worden als brandstof voor de transportsector. Maar uiteraard ook voor vele andere toepassingen.

Er zijn ook nog andere mogelijkheden om aan de hand van zonne-energie CO2 en H2 om te zetten in methaangas. Bij één hiervan wordt er geen gebruikt gemaakt van elektriciteit maar van warmte. Wetenschappers van Sandia National Laboratories hebben een dergelijke technologie ontwikkeld. De installatie die men hierbij gebruikt bestaat uit een grote schijfvormige spiegel. Al deze spiegels weerkaatsen het invallende zonlicht naar hetzelfde punt. In dit punt bevindt de "zonne-brandstof generator". Binnen in deze generator bevinden zich een reeks ringen met daarop tanden van ijzeroxide of beter gekend als roest. Deze ring draait langzaam rond, met een snelheid van ongeveer één omwenteling per minuut. Wanneer deze ring ronddraait dan komen deze tanden afwisselend terecht in en uit het zonlicht. In het zonlicht of dus in het focuspunt van de spiegels, warmen deze tanden op tot een temperatuur van 1500 graden Celsius. Dit zorgt dat de zuurstof uit de ijzeroxide verdreven wordt. Naarmate de ring verder ronddraait dan bevindt deze zich niet meer in het focuspunt. Maar dan komt de opgewarmde tand in een vat terecht. Daar wordt er dan ofwel stoom ofwel CO2 in geïnjecteerd. De tand is op dit moment aan het afkoelen en daarbij is er weer ruimte voor zuurstof in het ijzeroxide. De stoom of de CO2 bevatten een bepaalde hoeveelheid zuurstof en gaat deze afgeven aan het ijzeroxide. Uiteindelijk draait de tand verder en blijft er nog CO en H2 over in het vat.

Het overblijvende gasmengsel van CO en H2 wordt ook vaak syngas genoemd. Syngas of synthetisch gas is één van bouwstenen die aan de basis liggen van fossiele brandstoffen, chemicaliën en zelfs van kunststoffen. Deze installatie is in principe eigenlijk het chemische equivalente van een warmtemotor want er wordt thermische energie omgezet in chemische energie. En bij een warmtemotor wordt er thermische energie omgezet in mechanische energie. Deze installatie die ontwikkeld werd door de wetenschappers van Sandia is slechts een prototype en had dus enkel de doelstellingen om de werking van de technologie aan te tonen. De productie van syngas is erg klein en er traden ook nog andere problemen op zoals bijvoorbeeld dat de tanden na een tijdje soms afbraken. Dit komt doordat hun sterkte afneemt door de grote temperatuurschommelingen. De wetenschappers gingen op zoek naar materialen die beter bestendig zijn tegen deze grote temperatuurschommelingen, maar tot nu toe zonder groot succes. Daarnaast is er nog een ander probleem, namelijk de kostprijs van deze installatie is enorm groot. In vergelijking met de kostprijs van de fossiele brandstoffen is de kostprijs veel te groot om te kunnen concurreren.

Vele andere wetenschappers en onderzoekers hebben al andere aanpakken uitgetest en ontwikkeld waarmee men probeert het natuurlijke proces van fotosynthese te imiteren. Bij ongeveer elk van deze pogingen probeert men zonne-energie om te zetten en op te slaan als chemische energie onder de vorm van vloeibare brandstoffen. Dit is ook vrij logisch omdat deze vloeibare brandstoffen een aantal eigenschappen hebben die gewenst zijn voor bepaalde toepassingen. Zoals bijvoorbeeld de energetische dichtheid en andere. Weinig van deze technologieën die men al heeft ontwikkeld om zonne-energie te gaan opslaan in een vloeibare brandstof zijn klaar voor commercieel gebruik. Maar deze nieuwe technologie, met de elektrochemische cel en de elektrode uit halfgeleidermateriaal, heeft wel het potentieel om klaar te zijn voor commercieel gebruik. Daarom hebben een aantal van de wetenschappers die meegewerkt hebben aan dit onderzoek een bedrijf opgericht die deze technologie verkoopt. Het bedrijf heet Liquid Light en is momenteel nog bezig met de technologie en de componenten verder te ontwikkelen voordat ze een afgewerkt product op de markt zullen brengen. In het begin richten ze zich nog niet onmiddellijk op de productie van vloeibare brandstoffen maar op de productie van waardevolle chemicaliën en het simpele syngas. Voor de productie van vloeibare brandstoffen die als vervanging kunnen dienen voor fossiele brandstoffen is er een installatie van een veel grotere schaal nodig. En in het begin is het niet direct mogelijk om deze te bouwen, zeker aangezien ze momenteel nog bezig zijn met prototypes aan het bouwen. Normaal gezien de eerste installatie tegen volgend jaar af moeten zijn, maar daarna zullen er nog steeds vernieuwingen aangebracht worden voor een betere werking.

via [scientificamerican]