Opschaling van mineralisatieproces in drukreactor voor CO2-opslag

De opwarming van de aarde gaat zo snel dat reductie van CO2-emissies onvoldoende soelaas biedt. Daarom zijn er al tientallen initiatieven voor het actief afvangen van het broeikasgas uit de lucht.

Afvangers: Climeworks, Skytree en Carbyon

Voorbeelden zijn het bekende Climeworks en in Nederland Skytree en Carbyon. Zij moeten het afgevangen gas ergens opslaan, bijvoorbeeld in gewassen (glastuinbouw) of lege gasvelden. Een meer permanente opslagmogelijkheid biedt het veel voorkomende mineraal olivijn. Daarvan is bekend dat het in een proces van natuurlijke verwering koolzuurgas bindt.

‘Snelle’ reactie voor CO2-opslag

Op een geologische tijdschaal verloopt het verweringsproces snel, maar voor het acute klimaatprobleem is het veel te traag. Paebbl ontwikkelt nu een proces dat bij hoge druk en temperatuur een miljoen keer zo snel verloopt. Dit betreft de reactie:

Mg2SiO4 + 2CO2 => 2MgCO3 + SiO2   ΔH = 2,7 MJ/kg CO2

Magnesiumsilicaat bindt koolstofdioxide en dat resulteert in magnesiumcarbonaat en silica. Beide stoffen kunnen dienen als grondstof voor de productie van cement of papier. Hier kan dus heel veel CO2 nuttig in worden opgeslagen.

Gunstige CO2-footprint

De reactie is exotherm; die vergt netto geen energie en dus valt de bijbehorende CO₂-emissie laag uit. Sowieso is de balans heel gunstig, zo blijkt uit een lifecycle analysis. Deze is gemaakt voor de toepassing in cement.

Negatieve carbon foodprint

Natuurlijk is er energie nodig voor winning en transport van olivijn, het vermalen van het mineraal en de zuivering van het aangevoerde koolzuurgas. Maar er wordt niet alleen CO2 vastgelegd in het cement. Er wordt ook nog eens bespaard op de emissie die het gevolg zou zijn van energieverbruik voor de conventionele productie van dit bouwmateriaal. “De carbon footprint van ons proces is daardoor meer dan 100% negatief”, zegt Pol Knops, medeoprichter en CTO van Paebbl.

Hoe begint het proces?

Het proces begint met olivijn dat is vermalen tot korrelgroottes van 100 micrometer of minder om het voldoende reactief te maken. Dit wordt verwerkt tot een slurry. Vanwege de procescondities was voor onderzoek op labschaal een drukreactor annex autoclaaf nodig. Een speciale uitdaging vormde het werken met vaste stoffen. Dat zou kunnen zorgen voor slijtage van kleppen en uiteindelijk lekkage.

Made-to-order, dus alvast besteld

Bij het eerdere onderzoek aan de RWTH Aachen waar Knops bij betrokken was, werd naar tevredenheid een drukreactor van Büchi gebruikt. Deze Zwitserse leverancier van labreactoren wordt in Nederland vertegenwoordigd door Suurmond. Paebbl bestelde daar twee drukreactoren. “We wisten dat er een lange levertermijn op zat. Ze worden pas gebouwd als er een vraag komt. Bovendien moest de grootste, die ze nog niet eerder hadden geleverd, eerst nog worden gecertificeerd. Daarom hebben we die autoclaven alvast besteld voordat we een eigen locatie hadden.”

Opschaling

Paebbl gaat ook procesonderzoek op microschaal doen, in een microfluïdische reactor van de Universiteit Twente. Met de drukreactoren kan het bedrijf gaan opschalen. “Daarom wilden we een kleine, zoals deze ook in Aken werd gebruikt, en de grootste die ze in hun catalogus hadden. Want daarmee kunnen we genoeg materiaal produceren. Dat zijn hoeveelheden waarmee we bij de cementindustrie kunnen aankomen voor testen.”

Autoclaaf met extra voorzieningen

Beide drukreactoren staan inmiddels in Rotterdam. Ze zijn voorzien van een thermostaat en geïnstalleerd in nauwe samenwerking tussen de mensen van Paebbl (al ruim 20 medewerkers) en Suurmond. De kleine autoclaaf draait als een functionele unit op de standaardbesturing van Büchi. De grote is uitgerust met een hydraulisch liftsysteem en heeft veel extra voorzieningen gekregen voor toevoer van de grondstoffen en afvoer van het product. Ook wordt er speciale besturingssoftware voor ontwikkeld.

Zwitserse apparatuur: geen slijtage

De samenwerking met Suurmond bevalt Knops goed. “Vanwege de bijzondere toepassing is het voor hen en voor ons pionieren. Wij hebben vooral de proceskennis, zij de kennis van instrumentatie en mechanische onderdelen, zoals kleppen en afdichtingen. Tot nu toe vertonen de reactoren geen slijtage.”

De Zwitserse apparatuur is met name bedoeld voor batch-toepassingen in laboratoria en schone farma-omgevingen. Voor de eerste stap naar een continu, grofstoffelijk proces ontwerpt Paebbl nu zelf de installatie. “De grote uitdaging is het onder druk veilig afvoeren van product.”

Opslag miljoenen tonnen broeikasgas

Eind volgend jaar moet het continuproces op kleine schaal draaien. Als dat goed werkt, kan Paebbl de volgende stap zetten. Het uiteindelijke doel is opschaling naar megatonnen. Hiervoor wordt de volgende schaalgrootte gelijktijdig ontworpen en gebouwd. “Het merendeel van onze mensen is hiermee bezig. Wij willen eerst als een soort engineering contractor een paar grotere installaties leveren. Daarna kunnen we licenties op ons proces gaan verstrekken. Dat zal nodig zijn om de stap naar nuttige opslag van miljoenen tonnen broeikasgas te kunnen zetten en daarbij niet afhankelijk te zijn van de CO2-prijs.”

Dubbel koolstofvoordeel

Knops vat samen: “Wij zetten CO₂ om van gas naar vaste carbonaten. De aarde profiteert al vele miljoenen jaren van een natuurlijk proces om koolstofdioxide uit de atmosfeer te verwijderen, wij bootsen dat na in een gecontroleerd chemisch proces. Ons mineralisatieproces versnelt het natuurlijke geologische proces met een factor van ruim een miljoen. Het overblijvende steenpoeder houdt niet alleen CO2 permanent vast, maar kan tevens dienen als bouwmateriaal of voor andere industriële toepassingen.”

Hij besluit: “Wereldwijd wordt jaarlijks vier miljard ton cement gebruikt en dat zorgt voor zo’n acht procent van de totale CO2-uitstoot. Als we een deel daarvan kunnen vervangen door Paebbl’s cementeus minerale vulmiddel, wordt een baanbrekend dubbel koolstofvoordeel behaald.”

__________

Paebbl: Nederlands-Scandinavische start-up

Chemicus Pol Knops werkte lang aan de verbranding van slib uit de rioolwaterzuivering bij hoge druk en temperatuur. Twintig jaar geleden ging hij zich uit academische nieuwsgierigheid en persoonlijke bezorgdheid verdiepen in klimaatverandering en de noodzaak van CO2-reductie en -afvang. Toen hij in Amerikaans onderzoek zag dat de reactie van olivijn met koolzuurgas onder vergelijkbare procescondities verliep, viel het kwartje.

Vastleggen van CO2

Met een partner ging Knops de technologie doorontwikkelen. Daarbij werkte hij samen met de universiteiten van Leuven (B) en Aken (D) om het proces te doorgronden en toepassingen van het eindproduct te verkennen. “Twee jaar geleden werd ik vanuit Scandinavië benaderd door ondernemers uit de venture capital/start-up community. Zij zagen hier een technologie voor het permanent vastleggen van CO2 die nog onderontwikkeld was. Daarom wilden ze samen met mij een bedrijf oprichten om het verder te brengen.”

Zo startte Paebbl in 2021 met co-founders en -financiering uit Scandinavië en R&D in Nederland. Inmiddels is het bedrijf gevestigd in Rotterdam. “Daar zitten we dicht bij de petrochemische industrie die gewend is aan hoge drukken en temperaturen en bij bedrijven die solids verwerken.”