De CO2 in de atmosfeer werkt als een dekentje, het houdt warmte vast waardoor de aarde met klimaatverandering zit. Daarom moet de mens zo snel mogelijk stoppen met uitstoten, én het teveel aan CO2 uit de atmosfeer verwijderen, vindt chemisch engineer Rose Sharifian. En volgens haar gaat dat laatste het beste door het uit het water te halen, niet direct uit de lucht.
Sharifian promoveerde in 2022 aan de TU Delft op het verwijderen van CO2 uit oceaanwater met behulp van elektrochemie. Sinds 2021 is ze technisch directeur van SeaO2, de start-up waarmee ze haar methode in de praktijk brengt.
We spreken elkaar op het midden van de Afsluitdijk, waar ze in een blauwe loods SeaO2’s prototype laat zien. Haar idee werkt ook in de praktijk: één ton CO2 kan deze installatie jaarlijks uit zeewater halen. Dit najaar is de eerste stap richting opschaling gepland: een proefinstallatie die jaarlijks 250 ton CO2 kan filteren.
Direct ocean capture (DOC), zoals het ‘stofzuigen’ van CO2 uit zeewater heet, is het jongere zusje van direct air capture (DAC). DOC en DAC zijn voorbeelden van carbon capture-technologieën die moeten bereiken wat onder meer bomen op een natuurlijke manier doen: het verwijderen van CO2 uit de atmosfeer.
Aan DAC wordt nu zo’n vijftien jaar gewerkt, DAC-bedrijven zijn druk bezig met opschaling. Onder meer in IJsland en de Verenigde Staten zijn grote installaties verrezen, waarvan de grootste nu 36.000 ton CO2 per jaar uit de lucht kan halen. Dit is nog steeds een fractie van de wereldwijde uitstoot – alleen al Nederland stootte in 2023 122 miljoen ton CO2 uit.
DOC bestaat nog maar net. Start-ups die eraan werken zijn bezig met prototypes en proefinstallaties. Het verwijderen van CO2 uit zeewater schept ruimte voor nieuwe opname van CO2 uit de lucht, is het idee. Zoals een uitgeknepen spons weer ruimte heeft om vloeistof op te nemen.
De concentratie CO2 in water is 150 keer hoger dan in lucht. Dat maakt het makkelijker om het eruit te halen
Het klinkt als een omweg, met water aan de slag gaan om iets in de lucht te bereiken. „Dat is het niet”, zegt Sharifian. „De concentratie CO2 in water is 150 keer hoger dan in lucht. Dat maakt het makkelijker om het eruit te halen, bovendien is het proces simpeler.”
Die versimpeling komt doordat het ‘vangen’ van CO2-moleculen overgeslagen kan worden. „Als je CO2 uit de lucht wilt halen moet je het eerst absorberen in een oplossing, daarom wordt bij DAC met enorme ventilatoren lucht langs chemische stoffen geblazen waar de CO2 aan blijft hangen. Vervolgens wordt het meestal door verhitting weer uit die oplossing gehaald”, zegt Sharifian. „In water is CO2 geen los gas, maar is het gebonden in bijvoorbeeld bicarbonaat-ion, carbonaat-ion en koolzuur. Het is dus al gevangen, wij hoeven het alleen maar los te maken en weg te voeren.”
Een glas cola
Dat losmaken is voor te stellen aan de hand van een glas cola, waar CO2 in de vorm van koolzuur in zit. Voeg een beetje azijn toe aan het glas en de bubbels verdwijnen meteen. SeaO2 doet iets vergelijkbaars door zuur toe te voegen aan zeewater. Met behulp van een vacuüm voeren ze de vrijkomende CO2 af.
Het benodigde zuur komt uit het zeewater zelf en wordt gecreëerd in een elektrochemisch proces. Door een beetje zeewater langs een bipolair membraan te leiden dat onder spanning staat, breken de watermoleculen (H2O) in het water op in een basisch deel (OH–) en een zuur deel (H+).
De ruimte in de blauwe loods waar SeaO2 werkt aan het breken van watermoleculen, oogt zoals het een labruimte betaamt: dozen, jerrycans en stellages met drie verdiepingen langs de muur waarop apparaten staan die onderling zijn verbonden via een wirwar van slangetjes. Op de grond staat een ton, met basische vloeistof erin, blijkt uit een stuk schilderstape met ‘natriumhydroxide’ erop.
„Het membraan dat we voor het elektrochemische proces gebruiken is gewoon te koop”, zegt Sharifian terwijl ze een verpakking uit de stellage schuift en een dun, beige vel van 50 bij 50 centimeter tevoorschijn trekt. „Onze inventiviteit zit hem in de manier waarop we het gebruiken.”
SeaO2 maakt hierbij dankbaar gebruik van de techniek van een van de andere start-ups die in de loods huizen: Redstack. Redstack produceert elektriciteit door zoet en zout water via gestapelde laagjes van een membraan met elkaar in aanraking te laten komen. SeaO2 heeft een eigen variant van de ‘stack’. „Er zitten vijftig flinterdunne laagjes van ons membraan in. Net een lasagne”, zegt Sharifian. „Zo zorgen we voor veel oppervlak waar de reactie met watermoleculen kan plaatsvinden bij relatief lage elektriciteitsvraag.”
Voor het tweede deel van het proces lopen we naar de andere kant van de loods. Het daadwerkelijk scheiden van de CO2 gebeurt in een hoge houten stellage met brede transparante cilinders en grijze pvc-buizen. Hier wordt het net verkregen zuur toegevoegd aan gewoon zeewater en met een vacuümpomp wordt de daarop vrijkomende CO2 via de pvc-buizen in gasvorm afgevoerd. Het prototype kan twee tot drie kuub zeewater per uur verwerken.
Over het ontwerp van de ‘ontgasser’, enkele meters hoog en bestaande uit verschillende delen waar hetzelfde lijkt te gebeuren, wil Sharifian niet in detail treden. „Dit is wat we zelf hebben bedacht. Je kunt het ook anders vormgeven, maar ons doel is om het zo energie-efficiënt mogelijk te doen, zowel de elektrochemische component als het pompen. Zo zijn we op deze opstelling uitgekomen.”
In de laatste stap van het proces wordt het basische water weer bij de rest gevoegd zodat de natuurlijke pH hersteld wordt. Dan gaat het geheel terug naar waar het vandaan kwam: de zee. De CO2 zal ondergronds opgeslagen of bovengronds hergebruikt moeten worden in bijvoorbeeld groene brandstof – op dat deel van de operatie richt SeaO2 zich nu nog niet maar bij het scouten van mogelijke locaties voor een installatie speelt dit aspect wel mee.
Met zijn tienen
Sharifian en haar collega’s bij SeaO2 – ze zijn met zijn tienen – zijn niet de enigen die geloven dat de oceaan de sleutel is tot het verwijderen van CO2 uit de atmosfeer. In de Verenigde Staten werken start-ups Equatic en Captura aan een vergelijkbare DOC-techniek. „Tijdens mijn PhD heb ik samengewerkt met de oprichter van Captura”, zegt Sharifian. „Nu zijn we concurrenten. Iedereen die hieraan werkt probeert zijn eigen truc uit te halen om zo efficiënt mogelijk te zijn. Wij zetten in op procesoptimalisatie, anderen op de materialen zoals de membranen.”
Andere initiatieven voor CO2-verwijdering uit de oceaan (ook wel marine carbon dioxide removal (mCDR) genoemd) behelzen het stimuleren van de groei van algen of zeewier en een aanpak die ocean alkalinity enhancement wordt genoemd, waarbij het vermogen van de oceaan om CO2 op te nemen wordt vergroot door er kalksteen of olivijn in te verspreiden, dat een reactie aangaat met CO2.
Sharifian hoopt tegen 2030 met haar bedrijf 1 miljoen ton CO2 te kunnen verwijderen, bij een energieverbruik van 1.500 kilowattuur per ton. „We zitten nu nog veel hoger, maar het is niet fair voor de technologie om alleen te kijken naar wat er in het lab wordt gedaan. Op grotere schaal wordt dit snel efficiënter.” Het zou dan onder de 200 euro per ton kosten. Ze hoopt ook op ‘pomppoolen’ met bijvoorbeeld koelinstallaties, waar al veelvuldig water voor wordt rondgepompt. Dat drukt de prijs verder.
Zeewater rondpompen
Dat Sharifian zo hamert op efficiëntie is niet verwonderlijk. Critici van direct air capture wijzen steevast op het grote energieverbruik – grote DAC-installaties verbruiken nu tussen de 2.000 en 2.400 kWh per ton en daarbovenop vaak restwarmte. (Ter vergelijking: een tweepersoonshuishouden verbruikt per maand zo’n 225 kWh elektriciteit.) De initiatiefnemers pareren dit argument door groene energie te gebruiken, maar diezelfde energie kan niet voor andere dingen gebruikt worden. DOC vraagt geen warmte, maar er moet wel veel zeewater rondgepompt worden om er substantiële hoeveelheden CO2 uit te halen. Andere kritiekpunten zoals land- en materiaalgebruik spelen minder bij DOC, dat mikt op toepassing op zee en geen grote installaties met ventilatoren nodig heeft.
Maar wat bij DAC niet speelt en bij DOC wel, is de interactie met de oceaan. Op het eerste gezicht lijkt de activiteit voordelig. CO2 zorgt voor verzuring van de oceaan, waar koralen en ander zeeleven veel last van hebben, dus minder CO2 is behalve goed voor de atmosfeer ook goed tegen verzuring. Maar verander je de omstandigheden niet te snel, en vanuit een puntbron? Tegenstanders vinden elk experiment met de oceaan onverstandig.
„Het zou het beste zijn als het niet nodig was hiermee aan de slag te gaan”, zegt Sharifian. „Maar als we niets doen lijdt de oceaan veel schade door verzuring. Dus de impact van onze aanpak moet vergeleken worden met de consequenties van niks doen.”
Chemisch gezien is het enige wat we doen de CO2 weghalen, benadrukt Sharifian nog maar eens. Chemicaliën komen er niet aan te pas. „Het duurt vervolgens een paar weken of maanden tot het evenwicht met de CO2 in de atmosfeer hersteld is. Er zijn plekken in de oceaan waar CO2 van nature wordt opgenomen, in koude gebieden, en plekken waar het van nature wordt uitgestoten, rond de evenaar, heel simpel gezegd. Dit is afhankelijk van onder meer temperatuur en onderzeese stromingen.”
Bedrijven investeren graag in CO2-compensatie
SeaO2 ziet het liefst dat het zeewater dat ze hebben behandeld even in de bovenste laag oceaan blijft hangen. „Als het zeewater snel wegzinkt krijgt het de kans niet om CO2 op te nemen”, zegt Sharifian.
Ook de brede gemeenschap rond mCDR is in de weer met modellen en metingen. Zo kondigde het Amerikaanse Department of Energy afgelopen oktober aan 36 miljoen dollar te geven aan 11 projecten om meer grip te krijgen op de ‘CO2-boekhouding’ van de oceaaninitiatieven. Want het is niet genoeg om enkel te laten zien hoeveel CO2 er uit het water is gehaald, vooral moet duidelijk zijn hoeveel CO2 er als gevolg daarvan uit de lucht is verdwenen en hoe lang dat heeft geduurd.
Dit dient ook een zakelijk doel: de start-ups verleiden investeerders met de belofte van CO2-compensatie en daarvoor moet de ‘winst’ objectief vastgesteld kunnen worden. „Bedrijven investeren graag in CO2-compensatie”, zegt Sharifian.
Technisch gezien kan de technologie van SeaO2 ook ingezet worden om lokaal verzuring tegen te gaan, rond het koraalrif bijvoorbeeld. „Of zelfs bij problemen in iemands aquarium of fish farm”, zegt Sharifian. „Maar daar is geen businesscase rond te maken. Ik vind het grote doel, CO2 uit de atmosfeer halen, ook echt het belangrijkst. Dát moeten we aanpakken, verzuring tegengaan is mooie bijvangst.”
