“Het afvangen van CO₂ in elektriciteitscentrales is een goede zaak, maar het kost wel extra geld en energie. Om CO₂-verwijdering haalbaar te maken moet er technologie beschikbaar komen die betaalbaar is en het energieverlies zoveel mogelijk binnen de perken houdt. Onze rekenmodellen helpen om dat dichterbij te brengen”, zegt Jan Wilco Dijkstra, onderzoeker van de ECN-unit Waterstof & Schoon Fossiel.

ECN neemt met onderzoek naar het afvangen van CO₂ deel aan CATO (zie www.co2-cato.nl/), een consortium van universiteiten, bedrijven en kennisinstellingen die onderzoek doen naar de verschillende mogelijkheden voor afvang, transport en opslag van CO₂, onder meer voor elektriciteitscentrales die fossiele brandstoffen stoken. Hier zijn tientallen onderzoekers bij betrokken.
Dijkstra: “Het afvangen van de CO₂ kan op drie manieren. De eerste is het verwijderen van CO₂ uit de rookgassen die vrijkomen bij de verbranding van aardgas en kolen. Aangezien het CO₂ maar 5 tot 15% van de rookgassen uitmaakt is dat best lastig. De tweede mogelijkheid is het verbranden van aardgas en kolen met pure zuurstof in plaats van lucht. Het verbrandingsgas bevat dan geen stikstof, maar alleen CO₂ en water. Als je het water condenseert houd je pure CO₂ over dat je kunt opslaan. De derde mogelijkheid, waar we ons bij ECN vooral op richten, is het vooraf verwijderen van CO₂. Dat gaat als volgt: aardgas of kolen kun je met stoom omzetten in waterstof en koolmonoxide en dat weer in waterstof en CO₂. Daarna scheid je de CO₂ van de waterstof.”

Modellen brengen CO₂-vrije elektriciteitsproductie stap dichterbij

Membraan of sorbent
“Afscheiden kan in principe ook in één stap als je gebruik maakt van een membraan of een sorbent”, vervolgt Dijkstra. “Het aardgas, of uit aardgas of kolen gemaakt synthesegas, wordt dan in een buisvormige chemische reactor met behulp van stoom en een katalysator rechtstreeks omgezet in waterstofgas en CO₂ (kooldioxide). Bij een membraanreactor, verwijder je de waterstof tegelijkertijd via een membraan dat de rest van de stoffen tegenhoudt. Als het om een zogenoemde sorbent-reactor gaat, wordt de CO₂ aan een speciaal adsorptiemiddel gebonden en blijven de overige stoffen in de processtroom zitten. Wij beschikken over twee testopstellingen waarin deze reactoren vrij goed draaien.”
Na de scheiding vooraf is het proces strikt genomen weinig anders. Dijkstra: “In een centrale verbrand je daarna de waterstof in een gasturbine die een elektriciteitsgenerator aandrijft. De vrijkomende hitte benut je nog eens om stoom te maken voor een stoomturbine die dezelfde generator aandrijft. De CO₂ kun je met stoom weer van het adsorptiemiddel losmaken en daarna zuiveren, comprimeren en vervolgens transporteren en opslaan.”

Proces van aardgas tot elektriciteit doorrekenen
Naast de twee testreactoren heeft ECN rekenmodellen ontwikkeld. Die simuleren niet alleen deze reactoren maar het complete proces van aardgas tot elektriciteit. Dijkstra is overtuigd van de onmisbaarheid van die modellen. “Zonder modellen kun je in het laboratorium een reactor ontwerpen die aardgas bij een bepaalde temperatuur optimaal omzet in waterstof en CO₂. Maar dat betekent nog niet dat dit in de praktijk de meeste efficiënte oplossing is. Wat goed is voor de reactor, bijvoorbeeld een milde temperatuur en druk, hoeft niet goed te zijn voor het totale proces van elektriciteitsopwekking. Met onze modellen slaan we een brug tussen het laboratorium en de praktijk.”

Kijken naar financiële haalbaarheid
“Met onze modellen kijken we ook voordurend naar de economie van de processen. Het draait namelijk niet alleen om de technische haalbaarheid van de CO₂-verwijdering, maar vooral om de financiële haalbaarheid”, benadrukt Dijkstra. “Uiteindelijk gaat het om de vraag hoeveel een elektriciteitsbedrijf aan zo’n installatie kwijt is en wat dit betekent voor de kosten van het opwekken van elektriciteit. Een CCS-installatie vergt al gauw enkele tientallen procenten extra aan investeringen en dan heb je het over honderden miljoenen euro’s.”
Of de CO₂-verwijdering van de grond komt, hangt daarom vooral ook van politieke keuzes af. Dijkstra: “Belangrijk is in elk geval dat er in de komende jaren demonstratie-installaties in Europa gebouwd worden om alvast praktijkervaring op te doen met het afvangen en opslaan van CO₂.”

Buisreactor in plakjes snijden
Voor de modellering maakt ECN gebruik van commerciële softwarepakketten. “Voor de membraan- en adsorptiereactoren hebben we zelf behoorlijk geavanceerde modellen ontwikkeld en die zelfs deels hierin opgenomen”, zegt Dijkstra niet zonder trots. ‘Daarbij snijden we de buisvormige reactor als het ware in plakjes en rekenen door wat er in elk plakje gebeurt. Zo krijgen we een beeld van wat er over de hele lengte van de reactor gebeurt. Ook kunnen we de temperatuur, druk en andere zaken variëren en dan kijken wat dit voor effect heeft op de efficiency en de kosten. Op deze manier komen we sneller te weten waar de knelpunten zitten en kunnen daardoor gericht werken aan het verbeteren van de technologie. De reactorsimulatie kan Dijkstra weer combineren met simulaties van gasturbines en warmtewisselaars. Zo krijgt hij een betrouwbaar beeld van een complete centrale. Dijkstra: “Met onze modellen kunnen we dan in redelijke mate voorspellen hoe groot de apparatuur moet zijn om een bepaald vermogen in megawatt te halen, wat daarbij de processtromen zijn en welk rendement de centrale zal halen.”

Bedrijven ondersteunen
De experimentele reactors draaien inmiddels goed. “Hiermee gaan we de komende tijd na hoe betrouwbaar de praktijkvoorspellingen van onze simulaties zijn. Met onze rekenmodellen kunnen we bedrijven ondersteunen met het realiseren van projecten om CO₂ af te vangen”, aldus Dijkstra.

Contact
Jan Wilco Dijkstra
ECN Waterstof & Schoon Fossiel
Tel.: 022 456 8238
E-mail: Jan Wilco Dijkstra

Info
Voor het bekijken of downloaden van het rapport over modelleringgereedschappen voor CO₂-afvangst bij ECN, klik hier. 

Tekst: Erik te Roller