Hoe gaat CCS in zijn werk?

Hoe gaat CCS in zijn werk?

CCS (carbon capture and storage), oftewel CO2-afvang en opslag, is een beproefde manier van CO2-reductie. Maar hoe werkt het eigenlijk?

Afgelopen najaar liep het CATO-project (CO2 Afvang, Transport en Opslag) na twaalf jaar af, vertelt Karl-Heinz Wolf, hoofddocent petrofysica en directeur van het Geoscience and Engineering Laboratory van de TU Delft. Het CATO-project heeft zo’n beetje alle technische mogelijkheden rond het onderwerp in kaart gebracht. ‘We wilden eigenlijk bepalen hoe we met zo min mogelijk energie CO2 op een plaats kunnen krijgen waar het geen last geeft of waar we het kunnen hergebruiken.’

CO2-afvang

Wolf is gespecialiseerd in CO2-opslag, maar CCS (carbon capture and storage) begint met CO2-afvang. Daar heeft innovatiemanager Jaap Vente van Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN) meer specifieke kennis over. Afvangen gebeurt volgens hem alleen voor de productie van de zuivere waardevolle component, zoals bij aardgaswinning en waterstofproductie in de raffinaderij. ‘Later zal dit ook moeten gebeuren bij elektriciteitsopwekking en energie-intensieve industrieën die nog lang van fossiele brandstoffen afhankelijk zijn, zoals de cement- en staalindustrie.’

Bij elektriciteitsopwekking zijn er verschillende manieren om CO2 af te vangen: na verbranding (post-combustion), voor verbranding (pre-combustion) of verbranding met pure zuurstof. Daarvoor moet wel eerst pure zuurstof worden geproduceerd. ‘De meeste bestudeerde technologieën zijn gebaseerd op adsorptie, absorptie en membraantechnologieën’, vertelt Vente. ‘Een veel voorkomende manier bij hoge temperatuur is adsorptie, waarbij CO2 aan calciumoxide of hydrotalciet, een kleiachtig materiaal, wordt gehecht. Later wordt dat weer omgezet naar zuiver CO2. Een andere manier op een lagere temperatuur is absorptie, bijvoorbeeld “amines” nemen CO2 op en geven die later weer af. En een derde manier is CO2 vloeibaar maken.’

Volgens Vente is CO2-opvang en -opslag niets nieuws bij aardgaswinning. Toepassing bij kolencentrales en in de staalindustrie is echter problematischer door aanwezigheid van stof en andere verontreiniging. ‘ECN ontwikkelt eigen afvangtechnologieën die daar beter mee om kunnen gaan en bovendien energiezuiniger en dus goedkoper zijn. We bereiden nu een demonstratie voor van de SEWGS-techniek in Noord-Zweden, in het Stepwise-project. Daar wordt straks waarde uit afvalgassen gehaald door productie van waterstof. We willen bij de hoogovens daar 14 ton CO2 per dag afvangen.’

CO2-opslag

Karl-Heinz Wolf legt het proces van CO2-opslag eenvoudig uit: ‘Je brengt afgevangen CO2 via bijvoorbeeld pijpleidingen, tankauto’s of per schip naar een gebied waar het handig is op te slaan, zoals een leeg gasreservoir op 2 kilometer diepte. Daar boor je een injectieput, of je gebruikt de oude bestaande productieputten, en die sluit je na het afvullen af. Het reservoir bevat diverse soorten poreuze gesteenten. Het methaan dat in het reservoir zat, zoals bijvoorbeeld in Barendrecht, wordt dan vervangen door CO2.’

Een andere manier van opslaan is in een zogenoemd aquifer, een watervoerende laag in de ondergrond, zoals in het Sleipnerveld in de Noordzee in Noorwegen, waar al twintig jaar gas wordt gewonnen en opgeslagen in een aquifer. ‘Daar wordt pakweg 10 procent van het volume van het water gebruikt voor CO2-opslag door sorptie (hechting) aan water.’

Een derde methode is CO2 opslaan in steenkolenlagen. Daar kan het zich aan kolen hechten. CO2 enhanced oil recovery is een vierde methode. Hier wordt CO2 in een olieveld gebruikt om olie dunner te maken, zodat deze met de CO2 gemakkelijker omhoog komt. ‘Daarna gaat het CO2 weer naar beneden.’ Ook extra gas kun je met CO2 gemakkelijker winnen.

Onzekerheden

Volgens Wolf is CO2-opslag minder gevaarlijk dan het oppompen van gas. Wel zijn er onzekerheden, zoals mogelijke kleine lekkages in het reservoir. ‘CO2 hecht zich aan water. De “Champagne Pool” bij Rotorua van Nieuw-Zeeland  heeft een diameter van 500 meter en daaruit verdwijnt jaarlijks ongeveer 1 megaton CO2. Er komen belletjes omhoog. Maar daar is nog nooit iemand aan doodgegaan. Je hoort weleens van eendjes in sloten met de pootjes omhoog, maar dat gebeurt door ontsnapping van veengas uit laag- of hoogveen.’ Verder kunnen breuklijnen mogelijk worden geactiveerd. ‘Maar dat zou pas effect hebben over (tien)duizenden jaren.’

Een andere onzekerheid is het Joule-Thomson-effect in een poreuze ondergrond, wat betekent dat de CO2 expandeert en koud wordt. ‘Dan krijg je een soort ijslolly onder de grond.’ Ook zout water in het reservoir is een probleem. ‘Als je dan CO2 injecteert, verdwijnt het water en blijft zout over. Het is dan zaak water toe te blijven voegen.’ Bovengronds kunnen vervolgens problemen ontstaan met betrekking tot de constante toevoer. ‘Je moet de druk hoog, zodat het gas vloeibaar blijft. Je kunt een injectieprobleem krijgen, als je stopt met injecteren. Dan wordt het weer gas. Dit is een proces dat veel energie kost.’ Het probleem van putcorrosie is grotendeels opgelost door het gebruik van kunststof.

Tijdelijk of permanent

Opslag van CO2 wordt gezien als tijdelijke maatregel totdat duurzame energie het kan overnemen van fossiele brandstoffen. Wolf wijst erop dat CO2 ook permanent opgeslagen kan worden. Bij definitieve afsluiting stabiliseert CO2 zich in de aardkorst. ‘Alle gasreservoirs kunnen worden gebruikt voor CO2-opslag. Voor het gewicht van een kubieke kilometer methaan kun je de helft van dat gewicht aan CO2 erin doen.’ Volgens Vente kan tijdelijke opslag nuttig zijn om de injectie te stabiliseren, maar ook om toepassing van hernieuwbare energie mogelijk te maken.

Vente wijst wel op het opslagprobleem voor hernieuwbare energie. ‘Bij winters weer zonder zon of wind kun je in een elektriciteitssysteem met voornamelijk wind- en zonne-energie een energieprobleem hebben. Energieopslag in de vorm van organische koolwaterstoffen kan bijdragen aan het oplossen daarvan. Bij een overschot aan elektriciteit, in de zomer, kun je met elektrolyse waterstof maken en dat dan laten reageren met CO2 om het geschikter te maken voor “seizoensopslag”. In de winter kun je gevormde verbindingen dan weer gebruiken om elektriciteit te produceren.’

Een tweede manier voor CO2-hergebruik is te vinden in duurzame transportvloeistoffen, zoals nieuwe diesel- en benzineachtige substanties. ‘Zo kun je CO2-uitstoot besparen, al is hergebruik van CO2 niet dé oplossing voor het klimaatprobleem. Het is één van de onderdelen van de overall-oplossing naar een klimaatneutrale energiehuishouding.’

Wolf noemt als voorbeeld van hergebruik van CO2 het gebruik in cola en het verven van kleding. ‘Je hebt maar een beetje CO2 nodig en stopt dat in een drukvat. Kleurstof lost op in CO2 als het vloeibaar wordt. Je haalt de druk eraf en alle kleurstof komt in de kleding. Daar haal je de CO2 weer af, je stopt het weer in het vat en je kunt het hergebruiken. Dan heb je voor het kleuren van kleding geen water meer nodig.’

Ook voor houtveredeling is CO2 nuttig. Je krijgt er een compactere en hardere houtsoort voor terug. ‘We hebben het wel over grote en logge apparaten die je niet zomaar in een woonwijk kunt zetten. De druk is meer dan 80 bar.’