Kooldioxide


Broeikasgas

Kooldioxide, CO$_2$, is een belangrijk broeikasgas. De broeikaseffect-versterkende werking van CO$_2$ is veel geringer dan die van bijvoorbeeld methaan of lachgas, maar het gaat om reusachtige hoeveelheden, omdat CO$_2$ vooral vrijkomt bij verbranding van fossiele brandstoffen, en dat is nog steeds de belangrijkste vorm van energievoorziening in de wereld. Natuurlijk komt er ook CO$_2$ vrij bij verbranding van biomassa, maar dat is kort-cyclisch CO$_2$ dat weer opgenomen kan worden door groeiende planten, aannemend dat het landoppervlak voor plantengroei (natuur en landbouw) gelijk blijft. De mens veroorzaakt per jaar zo’n 8 miljard ton CO$_2$ emissies naar de atmosfeer. Daarvan wordt 55% opgeslagen in oceanen en planten; de rest blijft in de atmosfeer. Op zo’n 100 meetstations over de hele wereld wordt de concentratie van CO$_2$ in de atmosfeer gemeten. Sinds het begin van de metingen in 1958 is de concentratie gestegen van 315 ppm naar 400 ppm.

Ontwikkeling CO$_2$ concentratie

De ontwikkeling van de CO$_2$ concentratie in de atmosfeer geeft aanleiding tot zorgen over anthropogene klimaatverandering (klimaatverandering die veroorzaakt wordt door de mens, anders dan door natuurlijke processen), en over de ecologische en economische schade die daarvan het gevolg kan zijn (bijvoorbeeld door zeespiegelrijzing en extreme stormen). Daarom is er klimaatbeleid ontwikkeld. Dat heeft ten doel de wereldgemiddelde temperatuurstijging tot niet meer dan 2 graden te beperken (ten opzichte van het pre-industriële tijdperk).

Afvang en opslag van kooldioxide (CCS)

Het bevorderen van energiebesparing (bijv. door energieneutrale woningen te bouwen) en het gebruik van duurzame energie (uit zon, wind, water en biomassa) zijn belangrijke componenten van het klimaatbeleid. Het tempo waarmee langs die wegen structurele reductie van CO$_2$ emissies bereikt kan worden, is echter niet voldoende om de klimaatdoelstellingen te halen. Daarom wordt er ook veel onderzoek gedaan naar technieken om CO$_2$ op te vangen en het veilig op te slaan, zodat het in geen geval in de atmosfeer terecht komt. We spreken hier van CCS: Carbon Capture and Storage.

CCS technologie

Carbon Capture and Storage (CCS) is een verzamelnaam voor verschillende (combinaties van) technieken om te voorkomen dat de CO$_2$ die ontstaat bij de verbranding van fossiele brandstoffen, in de atmosfeer terecht komt. Er wordt wel gesproken van ‘schoon fossiel’ als energievoorziening uit fossiele brandstoffen gecombineerd wordt met CCS.
Om bij een elektriciteitscentrale die kolen, gas of olie verstookt CO$_2$ emissies te voorkomen zijn er drie mogelijkheden:
• CO$_2$-verwijdering na verbranding (post-combustion). Dat kan a) uit de rookgassen na verbranding met lucht of b) na verbranding met zuivere zuurstof (oxyfuel)
• CO-verwijdering vóór verbranding (pre-combustion). Dat kan alleen wanneer eerst syngas (een mix van CO en H$_2$) wordt gemaakt, bijvoorbeeld door kolen eerst te vergassen.

Voor bestaande centrales komt alleen de eerste route in aanmerking. In alle gevallen kost de verwijdering van CO$_2$ na verbranding veel energie. Bij toepassing van het oxyfuel-proces kost de verwijdering van CO$_2$ uit het (geconcentreerde) rookgas van de centrale veel minder energie dan bij de verwijdering uit ‘gewoon’ rookgas, maar daar staat tegenover dat je eerst zuivere zuurstof moet maken (door scheiding van lucht in zuurstof en stikstof).

De pre-combustion route verdient speciale vermelding: hier wordt feitelijk synthesegas (syngas) gemaakt. Dat is een mengsel van koolmonoxide (CO) en waterstof (H$_2$). Syngas wordt in raffinaderijen gemaakt voor de productie van waterstof (die nodig is om uit zware olie toch zoveel mogelijk ‘lichte‘ producten als bijvoorbeeld benzine te maken). In de chemische industrie wordt syngas gemaakt uit aardgas voor de productie van methanol. Met betrekking tot elektriciteitscentrales, zou dat ook kunnen met aardgascentrales en door vergassing van kolen.

Afgevangen kooldioxide wordt vervoerd via pijpleidingen of schepen naar de opslag. Kooldioxide kan worden opgeslagen in lege aardgasvelden, in lege zoutcavernes en in diepe aquifers. In de loop der tijd lost het op in het daar aanwezige (brakke) formatiewater, waarna het geadsorbeerd wordt aan het formatiegesteente en tenslotte door mineralisatie (waarbij carbonaatgesteenten ontstaan) voorgoed geïmmobiliseerd wordt. Dat proces kost duizenden jaren.

Maatschappelijke discussie rond CCS

Er is een heel scala aan argumenten voor en tegen CCS in het kader van klimaat, energie, milieu, economie, veiligheid en ethiek. TNO heeft deze argumenten in kaart gebracht in de Argumentenkaart CO2-afvang en -opslagw. Er is een grote diversiteit aan argumenten voor en tegen. CCS kan helpen bij het behalen van klimaatdoelstellingen, het belang voor CCS is te zien in de grote reductiebijdrage van 18 Mton in de indicatieve toedeling voor reductie tot 2030 Regeerakkoord (2017)w. Maar er zijn ook argumenten tegen, bijvoorbeeld omtrent de kosten die aanzienlijk zijn. De benodigde investering kan dan niet naar andere maatregelen. Een eerder CCS project in Barendrecht is berucht geworden vanwege de publieke weerstand: zonder maatschappelijk draagvlak bleek de uitvoer niet mogelijk Barendrecht CCSw. Onafhankelijk onderzoek heeft aangetoond dat de opslag veilig plaats zou kunnen vinden, het is echter een nieuwe techniek die nog nooit grootschalig is toegepast, waardoor de risico's niet volledig bekend zijn.

Eigenschappen van CO$_2$

Bij kamertemperatuur en atmosferische druk is CO$_2$ gasvormig. Als je bij atmosferische druk de temperatuur verlaagt, gaat CO$_2$ bij -78,5 $^o$C over van de gasfase naar de vaste fase (koolzuurijs). Bij atmosferische druk kan vloeibaar CO$_2$ niet bestaan. Het tripelpunt, dat is de combinatie van temperatuur en druk waarbij CO$_2$ zowel gasvormig, vloeibaar als vast kan zijn ligt bij -56,4 $^o$C en 5,11 atmosfeer. In onderstaand fasendiagram van CO$_2$ zie je, behalve het tripelpunt, nog een opvallend punt: het zogenaamde kritische punt, waarbij gasvormig en vloeibaar CO$_2$ overgaan naar een andere ‘toestand’: de superkritische fase.


Fasendiagram voor CO$_2$. Bron: Leitner 2000w

Superkritische CO$_2$ heeft zowel chemisch als fysisch andere eigenschappen dan vloeibaar of gasvormig CO$_2$. Je zou gemakshalve kunnen zeggen dat het qua fysische eigenschappen het meeste lijkt op gasvormig CO$_2$ (het stroomt gemakkelijk door een zeer lage viscositeit) en qua chemische eigenschappen en dichtheid meer lijkt op vloeibaar CO$_2$ (het heeft een veel hogere dichtheid dan de gasfase, hoewel minder hoog dan die van de vloeibare fase). De bijzondere eigenschappen van superkritisch CO$_2$ worden onder meer nuttig gebruikt in de voedings- en geneesmiddelenindustrie. Zo wordt superkritisch CO$_2$ tegenwoordig bijvoorbeeld gebruikt om cafeïne te extraheren uit koffie (vroeger werd decaf gemakt door extractie van cafeïne met organische oplosmiddelen).

Als CO$_2$ bij elektriciteitscentrales of andere installaties wordt afgevangen en getransporteerd moet worden naar een opslaglocatie, dan moet er, afhankelijk van de hoeveelheden en de afstand die overbrugd moet worden, een keuze worden gemaakt om het ofwel als gecomprimeerd gas te transporteren, ofwel (bij aanzienlijk hogere temperatuur en druk) als superkritisch CO$_2$. Voor grote hoeveelheden en lange afstanden is de superkritische fase te prefereren vanwege de lagere stromingsweerstand en de veel hogere dichtheid dan die van gecomprimeerd gas. Zo wordt er in de VS superkritisch CO$_2$ over grote afstanden getransporteerd van raffinaderijen naar olie- en gasproductievelden, waar het CO$_2$ vervolgens wordt geïnjecteerd voor enhanced oil/gas recovery. In Nederland loopt er een CO$_2$ transportleiding van Shell Pernis (waar het vrijkomt als bijproduct van de waterstoffabriek) naar tuinders in Bergschenhoek, Berkel & Rodenrijs en Bleiswijk, die het gebruiken als nutriënt voor de planten in hun kassen. In dit geval wordt CO$_2$ getransporteerd als gas, bij 40 bar.

Lees verder:
Nuttige toepassingen van CO2w (onderdeel van de leerstof)

Bronnen

Leitner 2000w, Walter Leitner, Green chemistry: Designed to dissolve, in: Nature 405, 129-130 (11 May 2000), doi:10.1038/35012181

Laatste wijziging: 15-01-2019
Creative Commons-Licentie
Deze publicatie valt onder een Creative Commons licentie. Zie hiervoor het colofon.