De CO₂-uitstoot van kolencentrales en de industrie terugdringen door het om te zetten naar aardgas. Het klinkt als toekomstmuziek, maar in Wageningen zetten onderzoekers belangrijke stappen om dit snel én duurzaam voor elkaar te krijgen. Een oeroud micro-organisme speelt hierbij de hoofdrol.
“Het lijkt misschien geen sterk verhaal in de tijd waarin de overheid zegt dat we allemaal van het gas af moeten”, zegt Annemiek ter Heijne lachend. Als senior onderzoeker bij Wageningen University & Research is zij de drijvende kracht achter het onderzoek naar de omzetting van CO₂ naar methaan. “Het uiteindelijke doel is om omvangrijke bestaande CO₂ stromen zoals die van kolencentrales, de staalindustrie en de levensmiddelenindustrie te recyclen en om te zetten in methaan.”
Deze omzetting doet Ter Heijne, als milieutechnoloog verbonden aan het Wageningen Instituut voor Milieu en Klimaatstudies (WIMEK), met behulp van micro-organismen. Nog preciezer: met archaea, in de volksmond oerbacteriën genoemd. Dit micro-organisme komt voor in waterzuiveringsinstallaties, in de bodem en in oceanen, en sommige soorten kunnen dus CO₂ omzetten naar biogas. Dat bestaat voor ongeveer 60 procent uit methaan (CH₄) en voor 40 procent uit koolstofdioxide (CO₂). Dit biogas is vanwege de biologische oorsprong een duurzame energiebron.
Energietransitie is trigger
De wereldwijd ingezette energietransitie naar duurzame energiebronnen is dan ook de trigger voor het bio-elektrochemische onderzoek van Ter Heijne’s groep. “Zo’n tien jaar geleden was niemand echt geïnteresseerd in de bio-elektrochemische omzetting van CO₂ naar methaan. Maar nu is de vraag naar duurzame energie erg groot.” En dat niet alleen, ook het vraagstuk van energieopslag is urgent geworden. “Denk aan het fluctuerende aanbod van wind- en zonne-energie. Dat moeten we opslaan, want anders zijn we het kwijt.
Batterijen en accu’s lopen na verloop van tijd langzaam leeg. Een deel van de zonne- en windenergie zou je kunnen gebruiken voor de CO₂-CH₄ conversie. Bovendien is methaan een volledig stabiele energiebron. Je kunt het opslaan en aanspreken als het nodig is. Je zou bij wijze van spreken lege gasvelden weer kunnen vullen. Bovendien is het praktisch, want de infrastructuur ligt er al.”
Toch klinkt het ongemakkelijk dat je CO₂ moedwillig omzet in methaan, dat een veel sterker broeikasgas is. “Dat klopt, maar methaan is ook aardgas. Het idee is dat je het gas gebruikt als energiebron. En inderdaad, je verbrandt het aardgas waarbij weer CO₂ vrijkomt, maar dat wordt weer gebruikt om er methaan mee te produceren. Je legt geen CO₂ vast voor de langere termijn, maar je kunt het wel recyclen in plaats van dat je nieuwe CO₂ de lucht in brengt.”
Snellere methode
Wat maakt het onderzoek van Ter Heijne en haar collega’s bij Environmental Technology nu zo interessant? De CO₂-CH₄ conversie is geen spontane reactie en gebeurt normaal gesproken in onderzoeksinstellingen en bedrijven in twee stappen. Eerst wordt door elektrolyse van water zuurstof en waterstof gevormd. De waterstof wordt vervolgens naar een opstelling geleid met archaea en CO₂, waarna de biochemische reactie tot methaan plaatsvindt.
Je legt geen CO₂ vast voor de langere termijn, maar je kunt het wel recyclen.
De Wageningse onderzoekers van Enviromental Technology hebben een nieuw systeem ontwikkeld, waarbij de omzetting van CO₂ naar CH₄ in één stap plaatsvindt. Ter Heijne verwacht dat deze nieuwe methode zo’n 20 procent minder elektriciteit kost omdat er geen elektrolyse meer plaatsvindt. De proefopstelling is even eenvoudig als elegant. In een reactor, een geavanceerd bekerglas met cultures archaea, borrelt via een slangetje pure CO₂. Er hangen twee elektroden in het glas die aangesloten zijn op een stroombron. Bij de negatieve pool komen elektronen vrij.
De elektronen bevatten de energie die de micro-organismen nodig hebben voor hun energiehuishouding en groei, en voor de omzetting van CO₂ naar methaangas. Het gevormde methaangas wordt opgevangen in een gaszak en met behulp van een gaschromatograaf gecontroleerd op verontreinigingen. Het streven is 100 procent methaangas, maar er kunnen resten van koolstofdioxide in het methaan aanwezig zijn.
Opschalen
De opbrengst methaan uit de reactor in het laboratorium van Ter Heijne is nog minimaal. “Mijn team zou graag willen opschalen naar een reactor waarin de omzettingsreactie sneller gaat en hogere opbrengsten methaan heeft. We praten nu over milliliters en we zouden graag naar liters gaan. Dan kunnen we de samenhang tussen efficiëntie van de reactie en de snelheid van methaanvorming beter onderzoeken. Als je op grotere schaal proeven doet kunnen zich andere onverwachte nevenreacties aandienen, die op de schaal waarin we nu werken niet plaatsvinden. Door op te schalen kan je onderzoeken op welke manier je die ongewenste processen kunt aanpakken of elimineren.”
Technologie lost niet alles op, maar nieuwe ontdekkingen kunnen natuurlijke processen versnellen.
Terugdringen van de CO₂-uitstoot is een belangrijk middel om opwarming van de aarde tegen te gaan. Die CO₂-uitstoot terugdringen en tegelijkertijd duurzame energie opwekken én opslaan: het klinkt als het ei van Columbus. Maar er zijn nog wel een paar hobbels te nemen. Het elektrodemateriaal moet geleidend zijn en niet reageren met andere componenten in het reactorvat. Ook is de oppervlakte van de elektrode van belang, want hoe groter het oppervlak, hoe meer micro-organismen zich kunnen ‘voeden’ met elektronen. “Op dit moment experimenteren we met actieve koolstofkorrels – zeg maar Norit. Het mooie van dat materiaal is dat elk afzonderlijke korrel een gigantisch oppervlak heeft. Het idee is nu om elektroden te maken in de vorm van platen en die te bepoederen met actieve koolstofkorrels om het oppervlak zo groot mogelijk te maken.”
Volgens Ter Heijne zal het nog wel even duren voordat er een substantiële hoeveelheid aardgas uit CO₂ gemaakt zal worden. “Het kost nu eenmaal veel tijd om van een goed idee een grootschalige toepassing te maken.” Over de toekomst van het duurzame bio-elektrochemische productieproces van aardgas is ze desalniettemin optimistisch. “Als je kijkt naar de geschiedenis van onze vakgroep dan heb ik daar alle reden toe. De waterzuivering is hier ontwikkeld, het proces van vergisting is hier ontdekt en ontwikkeld en nu staan er overal ter wereld vergisters! Als samenleving hebben we hele grote milieuproblemen. Ik wil van de wereld echt een betere plek maken om te zorgen dat er voor volgende generaties nog een planeet over is. Nu wil ik niet zeggen dat technologie alles oplost, maar ik denk wel dat nieuwe ontdekkingen natuurlijke processen kunnen versnellen.”
