De experimentele opstelling in het lab van Niels Mendel ziet er bedrieglijk eenvoudig uit. Een half transparante, plastic doos verbergt gedeeltelijk wat er binnenin gebeurt. Maar met een beetje moeite zijn de vage contouren te zien van een 10 centimeter grote petrischaal, geplaatst in een kleine afgesloten container, waar enkele doorzichtige plastic buisjes uitsteken.
De petrischaal is gevuld met grijsgekleurde kleideeltjes van 3 millimeter, en bovenop een nauwkeurige weegschaal geplaatst. ‘Hier testen we de efficiëntie van CO2-adsorptie door deze kleikorrels’, legt Mendel uit. ‘Via een buisje leiden we CO2-gas over de klei, dat absorbeert dit gas deels, en we kunnen dit kwantificeren door de gewichtstoename, gevisualiseerd op de weegschaal.’
‘Hier maken ze dat gas door varkensmest te vergisten. Dat levert voldoende energie voor ongeveer 3000 huishoudens'
Op een gegeven moment blijft het gewicht constant, wat aangeeft dat de klei verzadigd is met CO2. Maar de onderzoekers kunnen de klei regenereren door de korrels met stikstofgas te ‘spoelen’: de door de klei geabsorbeerde CO2 komt weer vrij en Mendel kan dat proces volgen door een daaropvolgende gewichtsafname. Deze eenvoudige opstelling is zeer effectief om Mendel’s innovatieve en kosteneffectieve methode om CO2 uit biogas te verwijderen te bestuderen.
Biogas oogsten
Micro-organismen produceren biogas door het vergisten van organische stromen, zoals voedsel- en plantenafval, maar ook dierlijke mest. Dit biogas, vooral methaan, is een prima energiebron om huizen te verwarmen en te koken. ‘In Nederland produceert Twence in Zenderen commercieel biogas’, vertelt Mendel. ‘Hier maken ze dat gas door varkensmest te vergisten, en dat levert voldoende energie voor ongeveer 3000 huishoudens.’
De huidige CO2-verwijderingsmethoden om methaan te zuiveren gebeurt vaak met behulp van membranen. De poriën in het membraan laten de kleinere CO2-moleculen passeren, terwijl ze de grotere methaanmoleculen niet doorlaten. Dit proces is echter behoorlijk energie-intensief en over het algemeen duurder dan zuivering met kleikorrels, waarbij de schoonheid en elegantie in de eenvoud ligt.
Veelbelovend materiaal
Het biogaszuiveringsproject van Mendel kwam min of meer toevallig tot stand: het begon als een onderzoek om CO2 op te vangen en permanent op te slaan. ‘Klei was een veelbelovend materiaal om dit gas te absorberen, maar we ontdekten dat het de geabsorbeerde CO2 slechts een beperkte tijd vasthield. Het bleek ongeschikt voor opslag op lange termijn’, vertelt Mendel. ‘Aangezien klei CO2 slechts tijdelijk kan vasthouden, ontstond het idee om het te gebruiken als te regeneren materiaal om CO2 uit biogas te verwijderen. Dit is tenslotte een soort korte termijnopslag.’
‘Aangezien klei CO2 slechts tijdelijk kan vasthouden, ontstond het idee om het te gebruiken als te regeneren materiaal om CO2 uit biogas te verwijderen’
Volgens Mendel heeft klei bijna de perfecte eigenschappen om CO2 op te slaan, en met slechts enkele kleine aanpassingen is het een goedkope en effectieve stof om dit gas tijdelijk op te vangen. De klei die Mendel gebruikt is opgebouwd uit vele microscopisch dunne laagjes. De grootte van de ionen die van nature tussen deze lagen aanwezig zijn bepaalt de afstand ertussen. In het natuurlijke kleimateriaal zijn dit meestal kleine ionen, zoals natrium (Na+) of calcium (Ca2+), waardoor er geen ruimte is voor het relatief grote CO2 molecuul. ‘Om meer ruimte tussen de lagen te creëren, vervingen we de kleine natrium- en calciumionen door grotere ionen, zoals cesium of tetra-methyl ammonium’, legt Mendel uit.
‘Nu was de afstand groot genoeg om de CO2-moleculen bijna perfect op te vangen. De iets grotere methaanmoleculen passen niet en kunnen daarom niet worden opgeslagen.’ Met de huidige opzet kan de klei ongeveer 30 keer meer CO2 vasthouden dan methaan. In de klei is nauwelijks methaan aanwezig, er is alleen een beetje geadsorbeerd op de buitenkant.
‘Al snel schakelden we over op commercieel verkrijgbare klei, gebruikt in de bouw, met een aanzienlijk lagere prijs. Die werkte net zo goed’
Om de klei de juiste eigenschappen te geven en te testen of de klei geschikt is om CO2 te absorberen, moesten de onderzoekers de klei eerst aanpassen. ‘Om onze resultaten te kunnen vergelijken met andere onderzoeken, voerden we onze eerste tests uit met relatief dure klei van wetenschappelijke kwaliteit’, vertelt Mendel. ‘Maar al snel schakelden we over op commercieel verkrijgbare klei, gebruikt in de bouw, met een aanzienlijk lagere prijs. Die werkte net zo goed.’
De moeite waard
Deze klei bestond uit kleine kleicilinders van ongeveer 2 centimeter lang en een halve centimeter breed. Mendel dompelde de kleicilinders eerst onder in een zoutoplossing met cesium om de kleinere natrium- en calciumionen te vervangen en de ruimte tussen de kleilagen te vergroten. In een volgende stap vermaalde hij de gedroogde klei met de hand, mengde het kleipoeder met een kleefstof en maakte er kleine ronde balletjes van. Deze gebruikte hij uiteindelijk om de CO2-adsorptietests uit te voeren. ‘Ik ben letterlijk uren bezig geweest om deze kleine balletjes met de hand te rollen’, zegt Mendel met een glimlach. ‘Maar het was de moeite waard.’
Productie van chemicaliën
Het mooie van het gebruik van klei als absorptiemiddel om biogas te zuiveren, is de mogelijkheid om het te regenereren door de geabsorbeerde CO2 er weer uit te halen. Dit kan door stikstofgas over de met CO2 verzadigde kleikorrels te leiden. Een andere methode maakt gebruik van een gesloten kamer waarin de klei vacuüm wordt getrokken. Dit heeft als belangrijk voordeel dat het de klei regenereert en tegelijkertijd relatief zuivere CO2 oplevert. Dit kan de chemische industrie vervolgens gebruiken voor de productie van chemicaliën, bijvoorbeeld biobrandstoffen. Een andere toepassing is het gebruik in kassen om de groei van planten te bevorderen en de productie te stimuleren.
Genoeg informatie
Nu de methode goed blijkt te werken, is Mendel klaar voor de volgende stap: een proefinstallatie op een boerderij. In februari 2024 staat de testfase in een levensechte situatie gepland. ‘We mikken op een relatief kleinschalige boerderij, die ongeveer een paar kubieke meter biogas per uur produceert, legt Mendel uit. ‘Onze proeffabriek past in een kleine zeecontainer voor gemakkelijk transport. De magie zal plaatsvinden in een paar één tot twee meter lange cilinders met een diameter van ongeveer 25 centimeter, gevuld met kleikorrels.’
De nieuw ontwikkelde methode zal het biogas zuiveren tot minstens 90% methaan. Na enkele maanden hopen de onderzoekers genoeg informatie verzameld te hebben om te beslissen of de methode op grote, industriële schaal getest zal worden. Met deze kosteneffectieve methode komt het gebruik van biogas een stap dichterbij, waardoor emissies zullen verminderen en kringlopen worden gesloten.
