Een Eindhovens bedrijf wil CO2 uit de lucht plukken met een laagje van één atoom dik

Eén miljoen dollar aan prijzengeld kreeg Carbyon vorig jaar april. Het idee van de start-up uit Eindhoven was uitgeroepen tot een van de vijftien veelbelovendste ideeën om CO₂ uit de lucht te verwijderen. De prijs was geweldig voor de publiciteit, de wereldwijde innovatiewedstrijden van de XPrize Foundation zijn prestigieus en techmiljardair Elon Musk financierde deze editie. Maar ongemakkelijk was het ook.

„Het idee was nog niet bewezen. Verre van zelfs”, lacht Hans de Neve, bedenker en oprichter van Carbyon. „We waren al vier jaar bezig het te bewijzen, niks lukte. Het was nog steeds niet meer dan een goed idee.”

Twee maanden na het prijzengeld volgde een doorbraak. En nu staat er sinds enkele weken een demonstratie-installatie in Eindhoven. De Neve durft inmiddels vol zelfvertrouwen te zeggen dat zijn techniek tien keer beter CO₂ uit de buitenlucht kan filteren dan bestaande technieken voor direct air capture (DAC). „Ik denk dat dit de basis kan vormen voor een heel nieuwe generatie van DAC-technologieën.”

Bekeken met scepsis

CO₂ uit de buitenlucht filteren is moeilijk. Van elke miljoen deeltjes in de lucht, zijn slechts 420 stuks CO₂. Het vangen daarvan gebeurt door lucht langs filters te laten stromen waar de CO₂-deeltjes aan blijven plakken. Als de filters vol zijn worden ze verhit, waardoor de CO₂ weer loslaat en kan worden afgevoerd. Zoveel lucht laten langsstromen en het verhitten van de filters kost veel energie – een reden waarom veel mensen dit soort technologieën sceptisch bekijken.

Voor Elon Musk was het hoge energieverbruik (en dus de hoge prijs) de reden om de organisatie van XPrize te vragen een wedstrijd te organiseren. Want stel er is wél een manier om met weinig energie veel CO₂ uit de lucht te halen, dan is het klimaat misschien wel te redden en gaat er een scala aan mogelijkheden open. Goedkope groene kerosine maken bijvoorbeeld.

De techniek van Carbyon werkt grofweg hetzelfde als bestaande technologieën, maar dan sneller. Dat zit hem in het filter. Het plaklaagje van Carbyon is slechts één atoom dik. Daardoor is het in een paar minuten verzadigd en in een paar seconden weer leeg. Andere technieken hebben een dikker plaklaagje, waarin de CO₂ moet doordringen en dat kost tijd. Ook het verwarmen kost bij Carbyon minder energie. Het dunne laagje warmt op door het filter onder stroom te zetten, bij anderen is er hete stoom nodig.

Het idee voor het dunne laagje is geboren toen De Neve nog bij TNO werkte. „Ik ben halfgeleiderfysicus. Bij TNO werkte ik aan dunne filmmaterialen voor zonnepanelen. Ook die worden in laagjes van één atoom aangebracht. Ik volgde het domein van CO₂-capture al een tijd met interesse. Op een gegeven moment bedachten we dat het ook mogelijk zou moeten zijn de filtermaterialen voor CO₂-capture zo dun aan te brengen als de dunne films op zonnepanelen.”

Zo groot mogelijk oppervlak

Het begon in 2018 met experimenten in een lab bij TNO. „We dachten toen al vrij snel dat we het voor elkaar hadden”, zegt De Neve. „Daarom durfde ik in 2019 de stap te zetten om TNO te verlaten en Carbyon te beginnen. Maar toen ik na een tijdje bij TNO vroeg om de laatste resultaten zeiden mijn oud-collega’s: ‘Sorry Hans, de eerdere uitkomsten bleken foutieve metingen. Het werkt nog helemaal niet.’ Dat was wel even een lastig moment.”

De moeilijkheid zit hem in het poreuze materiaal, waarop het aanbrengen van een superdun laagje toch ingewikkelder bleek dan op een vlak zonnepaneel.

„Dat poreuze materiaal is nodig omdat je een zo groot mogelijk oppervlak wil hebben, dan kun je er het meeste CO₂ op kwijt. Omdat het laagje zo dun is, is het immers snel verzadigd”, zegt De Neve. Actieve koolstof is een geschikte drager, zwart poeder dat een leek misschien kent als Norit. „Eén gram actieve koolstof heeft een oppervlak van 3.000 vierkante meter.”

Ik denk dat driekwart van deze poeders helemaal niks doet

Hans de Neve Carbyon

Het reagerende laagje, dat bestaat uit amines of kaliumcarbonaat, wordt met behulp van verschillende processen op de koolstof aangebracht. Atomic layer deposition is daarvan de belangrijkste. „Daarbij stel je het dragermateriaal bloot aan een gas en atomen uit dat gas gaan op de drager zitten”, zegt De Neve. „Het chemische proces is zelflimiterend, het laagje wordt in principe niet dikker dan één atoom. Daarin verschilt het van klassieke opdamptechnologie.”

„Maar zulk poreus dragermateriaal heeft ook een nadeel: de openingen zijn maar één nanometer breed”, zegt De Neve. „Eén nanometer, dat is een paar atoomlaagjes. Die slibben heel snel dicht, en dat gebeurde dus ook steeds. Dan werkt het filter niet, want de lucht waar de CO₂ in zit kan er niet meer doorheen.”

Vier jaar lang proberen volgde. Met verschillende varianten van het dragermateriaal, verschillende stoffen voor het plaklaagje en verschillende manieren om het laagje aan te brengen. Carbyon heeft geen uitgebreid lab, dus De Neve zocht samenwerking met TNO en universiteiten in Antwerpen, Eindhoven en Twente.

Helemaal niks

„Aan universiteiten wordt niet veel gewerkt aan direct air capture, meer aan CO₂ afvangen in rookgassen. Het algemene beeld is toch nog steeds dat DAC onhaalbaar is, dat kreeg ik ook van allerlei kanten te horen toen ik hieraan begon”, zegt De Neve. „We werken dus vooral samen met onderzoekers op het gebied van dunnefilmtechnologie of bepaalde chemie. We zijn puzzelstukken gaan halen bij de verschillende universiteiten.”

Bij Carbyon zelf staan twee proefopstellingen om de filtermaterialen te testen. Ze zijn beide een meter bij een meter en twee meter hoog. Achter een vitrinedeur zijn allerlei kastjes te zien die met elkaar en met een massaspectrometer zijn verbonden via met leukoplast omwikkelde buizen. Een hoop snoertjes gaan naar meetapparatuur. Lucht wordt uit flessen aangevoerd om de samenstelling, temperatuur en luchtvochtigheid in de hand te kunnen houden. Op een tafel ernaast twee bakken vol potjes met zwart poeder, allemaal varianten van het filtermateriaal.

„Hier sturen we lucht door het filtermateriaal en daarna kijken we met de massaspectrometer wat er met de lucht is gebeurd. Hoeveel CO₂ er is verdwenen”, zegt De Neve. „Ik denk dat driekwart van deze poeders helemaal niks doet. Er zijn er maar een paar die werken.”

Verder filteren tot 100 procent CO₂ kunnen anderen heel goed

Hans de Neve Carbyon

Werkt het filtermateriaal, dan laat de massaspectrometer een grafiekje in een s-vorm zien. De lucht zou even vrij van CO₂ moeten zijn, en als het filter vol is, schiet hij weer omhoog. „Maar die vorm zagen we dus nooit”, zegt De Neve. „Blijven proberen, zei ik steeds. De dag dat we wel een voorzichtig s’je zagen was echt geweldig, ik herinner me dat telefoontje dat ik vanuit het lab kreeg nog goed. Inmiddels hebben we het resultaat al vijf keer verbeterd, maar die eerste keer was echt een kippenvelmoment.”

Nu staat in een ruimte verderop een demonstratie-installatie te glimmen. Begin april is hij geleverd. Dikke buizen lopen naar buiten, deze werkt wel met buitenlucht. Hij staat nog niet aan, buiten is een collega van De Neve aan het sleutelen. Het hart van de reactor is 30 bij 30 bij 30 centimeter groot. Er gaat 1 tot 3 kilo filtermateriaal in. Aan de voorkant is het blok te zien met de stroomvoorziening om het filtermateriaal na verzadiging te verwarmen om de CO₂ eruit te halen.

Dit relatief kleine ding moet 2 ton per jaar aan CO₂ gaan verwijderen, bij een (duurzaam opgewekt) energieverbruik van 2.500 tot 3.000 kilowattuur per ton. (Vergelijk: de uitstoot van een personenauto is 3,3 ton CO₂ per jaar en tien zonnepanelen leveren in Nederland zo’n 3.000 kWh per jaar op). „Als we kunnen aantonen dat dat lukt, dan hebben we het oorspronkelijke idee uit 2018 helemaal bewezen”, zegt De Neve.

Het gas dat de installatie verlaat bestaat voor 60 tot 70 procent uit CO₂, de rest is water, stikstof en zuurstof. „Dan zijn we dus vanaf een concentratie van 0,04 procent gekomen”, zegt De Neve. „Dat is echt de lastigste stap. Verder filteren tot 100 procent CO₂ kunnen anderen heel goed. Wij richten ons op het uit de lucht halen.”

We mikken op een kostprijs van 50 dollar per ton CO₂

Hans de Neve Carbyon

De uiteindelijke installatie die De Neve voor ogen heeft is vele malen groter. „Die bestaat uit 20 van dit soort modules naast en boven elkaar. Een kolom van 2 of 3 meter doorsnede, 5 of 6 meter hoog. We kiezen voor modules als deze en niet één grote reactor omdat alles snel moet gaan. Maak je het groot, dan zou traagheid in de mechanische onderdelen de snelheid belemmeren.”

Zo’n grote installatie komt qua opvangcapaciteit in de buurt van wat andere grote spelers op het gebied van direct air capture nu kunnen. Climeworks, een Zwitsers bedrijf, heeft in 2021 op IJsland een installatie in gebruik genomen met een capaciteit van 4.000 ton per jaar. Een nieuwe installatie is in voorbereiding, met een beoogde capaciteit van 36.000 ton per jaar.

Kostprijs is cruciaal

„Als wij een installatie van vergelijkbare grootte bouwen als de bestaande installatie van Climeworks, dan zouden wij er 40.000 ton mee kunnen opvangen”, zegt De Neve. „De kosten van de installatie zouden ongeveer hetzelfde zijn, dus onze kostprijs ligt tien keer lager. Uiteindelijk mikken we op een kostprijs van 50 dollar per ton CO₂.”

Die kostprijs is cruciaal. CO₂ uit de lucht kan dienen als grondstof voor bijvoorbeeld duurzame kerosine, maar dat gebeurt alleen als het eenvoudig en goedkoop voorhanden is. „De luchtvaartbranche is heel geïnteresseerd in direct air capture. Beschikbaarheid van CO₂ is nu nog een bottleneck voor het maken van duurzame kerosine”, zegt De Neve. „Zolang dat 500 dollar per ton kost, gaat niemand daar brandstoffen mee maken. Als het voor 100 dollar kan, dan kan het uit.”

Is het net met heel veel moeite uit de lucht gehaald, vliegt het daarna vrolijk weer de lucht in. Waarom de CO₂ niet ondergronds opslaan, zoals Climeworks in IJsland doet? „We doen dit natuurlijk om het klimaat te redden, niet om de luchtvaartindustrie te ondersteunen”, zegt De Neve. „Maar de eerste stap is toch om fossiele brandstoffen te vervangen voor circulaire brandstoffen. Over de oceaan vliegen kan nu eenmaal niet met batterijen, en mensen zullen blijven vliegen. Als je fossiele brandstoffen eenmaal hebt vervangen, dan kun je CO₂ gaan opslaan en hopelijk het aandeel CO₂ in de lucht terugbrengen. Ik zeg altijd: eerst moet de kraan dicht, dan pas heeft het zin om te gaan dweilen.”

Lees ook: Orca zuigt het klimaat schoon