De opwarming van de aarde is één van de meeste dringende uitdagingen voor de mensheid in de 21ste eeuw. De effecten van de opwarming van de aarde zullen wereldwijd voelbaar zijn door onder meer het smelten van de poolkappen en gletsjers, een stijging van het zeeniveau, veranderingen in klimaatzones en extreme weerfenomenen. De stijging van het broeikasgaseffect kan toegeschreven worden aan broeikasgassen die door menselijke activiteit uitgestoot worden – de zogenaamde antropogene broeikasgassen. De grootste bijdrage aan die antropogene broeikasgassen wordt geleverd door koolstofdioxide ofwel ‘CO2‘ (77% van het totaal in 2004), wat van CO2 het belangrijkste broeikasgas maakt. Hoewel methaan (CH4) en chloorfluorkoolwaterstoffen (CFK’s) een hoger broeikaseffect hebben per gram gas, is CO2 alleen al verantwoordelijk voor ongeveer 64% van het verhoogde broeikasgaseffect. De wereldwijde CO2-emissies zijn de laatste tien jaar continu gestegen en er wordt verwacht dat deze nog gaan stijgen. In 2004 werd de CO2-uitstoot geschat op 27043 miljoen ton, dat is een stijging van 26% in vijftien jaar tijd. Tegen 2025 wordt verwacht dat dit stijgt met 43% tot 38790 miljoen ton. Het International Panel on Climate Change (IPCC) voorspelt dat in 2100 de atmosfeer 570 CO2 deeltjes per miljoen (ppmv) CO2 zou bevatten. Dit zou een globale temperatuursstijging van 1.9°C veroorzaken en een stijging van het zeeniveau met 30 tot 120 cm. Om deze effecten en gevolgen te minimaliseren, is een drastische reductie in de emissie van broeikasgassen, vooral CO2 , een noodzaak in de komende decennia.
Vanwaar al die CO2?
Recente data bevestigen dat het verbruik van fossiele brandstoffen verantwoordelijk is voor het grootste gedeelte van de uitstoot van antropogene broeikasgassen. Het opwekken van energie, de industrie, en transport produceren meer dan 70% van de energiegerelateerde CO2-emissies wereldwijd en blijven de drie belangrijke bronnen van CO2-emissies voor de volgende 50 jaar.
De energiesector is verantwoordelijk voor het grootste deel van de globale CO2-uitstoot. CO2-emissies uit de generatie van elektrische energie zouden verder gereduceerd kunnen worden door een toenemend gebruik van hernieuwbare en nucleaire energie, hoewel het laatste politiek controversieel is. Denk maar aan de kernramp in Fukushima en problemen rond de veiligheid van onze kerncentrales in België, om nog maar te zwijgen over de verwerking en opslag van nucleair afval. Hernieuwbare energiebronnen kunnen onze noden op energievlak dan weer niet tegemoetkomen, toch niet op dit moment. Een stijging in populatie en het feit dat steeds meer landen een enorme economische groei kennen, bijvoorbeeld China en India, zal ook de vraag naar energie laten toenemen in de 21ste eeuw. EIA (Energy Information Administration) verwacht zelfs een stijging in de vraag naar energie van 57% voor de periode van 2006 tot 2030. Om deze wereldwijde vraag naar energie te kunnen beantwoorden, zullen fossiele brandstoffen nog een belangrijke rol spelen in de komende decennia.
Hoe kunnen we de CO2-uitstoot verminderen?
Om desondanks een significante reductie van CO2-emissies te bekomen, is captatie en fixatie van CO2 (ook wel “Carbon Capture and storage” of “CCS”) één van de mogelijkheden. CCS verwijst naar het geheel van processen dat gebruikt wordt om eerst selectief CO2 te scheiden uit een gasmengsel zoals de lucht (captatie) en het bekomen gas daarna te transporteren en op te slaan of te hergebruiken (fixatie). Hierbij is de selectieve CO2 -scheiding de kostenbepalende factor. De meeste CO2 captatietechnieken zijn echter (zeer) energie-intensief of bevinden zich nog altijd in het onderzoekstadium. Daarom is verder onderzoek naar betere CO2 -scheidingstechnieken zowel wetenschappelijk als maatschappelijk uitermate relevant.
__________________________________________________________________
” Om CO2– uitstoot te reduceren, kunnen we aan CO2 captatie en fixatie doen. Dat is voorlopig nog energie-intensief dus verder onderzoek naar betere technieken dringt zich op.”
_________________________________________________________________
Momenteel zijn er vier belangrijke technieken voor de scheiding van CO2 uit rookgassen: cryogene distillatie, membraanzuivering, chemische/fysische absorptie en adsorptie op vaste poreuze materialen. Adsorptie is een wijdverspreide technologie in de gasscheiding en zuiveringsindustrie met een groot potentieel in CO2 scheiding vanwege de lage energieconumptie. Adsorptie is een proces waarbij moleculen van een gas of vloeistof zich vasthechten aan het oppervlak van een vaste stof via krachten tussen moleculen (zoals CO2) en het oppervlak van bepaalde materialen. Een verschil in interactiesterkte tussen verschillende moleculen met het materiaaloppervlak laat een scheiding van verschillende moleculen uit een mengsel toe. Het vaste, adsorberende materiaal wordt het adsorbent genoemd en de vloeistof of gas die geadsorbeerd wordt, is het adsorbaat. Vaste adsorbenten, (bijvoorbeeld geactiveerd koolstof, zeolieten of metaal-organische roosters…) zijn hele kleine materialen met nog kleinere gaatjes in, een soort poreus poeder, met bijgevolg een groot intern oppervlak. Ze worden toegepast in gepakte bedden waarin ze meestal voorkomen als ronde partikels (figuur 1). Het adsorptieproces is een herhaalde cyclus van adsorptie (opstapelen van geadsorbeerde moleculen) en desorptie (regeneratie of het vrijkomen van de moleculen). In de adsorptiestap wordt gas gevoed aan een bed van vaste stoffen die CO2 adsorberen en die de andere gassen doorlaten.
Figuur 1. Een CO2/N2-gasmengsel wordt gevoed aan een gepakt bed met ronde partikels (adsorbent), waarbij alleen de CO2 moleculen (adsorbaat) worden tegengehouden.
Om CO2 -captatie financieel en ecologisch aanvaardbaar te houden, is onderzoek naar nieuwe adsorbenten met een hoge selectiviteit en capaciteit voor CO2 een absolute noodzaak geworden. Een deel van het onderzoek aan het departement van Chemische Ingenieurstechnieken aan de Vrije Univeristeit Brussel (onder Prof. Joeri Denayer) spitst zich toe op het testen van nieuwe adsorbenten voor CO2 captatie en scheiding. Een reductie van de CO2-uitstoot is zeer dringend en noodzakelijk in de strijd tegen klimaatwijzigingen en om de globale opwarming te beperken tot 1,5 of 2 °C ten opzichte van het pre-industriële niveau, zoals vooropgesteld in het klimaatakkoord van Parijs . Wetenschappers zijn het er namelijk over eens dat een gemiddelde stijging van meer dan 2 graden de klimaatsystemen op aarde ernstig verstoort. CO2-captatie laat toe om fossiele brandstoffen op een meer verantwoorde manier aan te wenden tot we een punt bereiken waarop hernieuwbare bronnen (zonne-energie, windenergie, waterkracht, biomassa, …) aan onze energiebehoeftes kunnen voldoen.
