Onderzoek naar een duurzame energieoplossing met Metal-Organic Frameworks
Energie-innovatie stimuleren met CCS-oplossingen
Naar beneden scrollen
Op efficiënte wijze meer dan0strippen van de CO2 die wordt uitgestoten door aardgasgestookte energiecentrales
Een nieuwe familie van materialen zou kunnen helpen veranderen hoe de wereld emissies vermindert.
Onderzoekers van de University of California, Berkeley en ExxonMobil hebben een nieuw materiaal ontwikkeld dat Metal-Organic Frameworks of MOF's wordt genoemd. Het onderzoek bevindt zich nog in de beginfase, maar als ze op de markt worden gebracht, kunnen deze MOF's meer dan 90% van de kooldioxide (CO2) die door aardgascentrales wordt geproduceerd bij de opwekking van elektriciteit helpen af te vangen. Dat is een behoorlijke prestatie, omdat CO2 in deze aardgasstromen sterk wordt verdund vergeleken met de uitlaatgasstromen van installaties op kolen. Het verwijderen van deze moleculen kan dus een uitdaging zijn.
Onderzoeksresultaten zijn intercollegiaal getoetst en gepubliceerd in Science, een van 's werelds vooraanstaande wetenschappelijke tijdschriften. En het is opnieuw een resultaat van ExxonMobil’s gevarieerde onderzoeksportefeuille gericht op technologieën voor CO2-afvang en -opslag (CCS).
CCS omvat een verzameling technologieën die CO2-uitstoot kunnen verwijderen voordat deze de atmosfeer bereikt. Die CO2 wordt vervolgens veilig en permanent opgeslagen in lege olie- en aardgasreservoirs diep onder de grond. Een potentieel gebruik van CCS is het opvangen van emissies in de uitlaatstromen van energiecentrales, die verantwoordelijk zijn voor ongeveer 25% van de wereldwijde CO2-uitstoot.
Naast duurzame energie zoals zonne- en windenergie, brandstoffen met lage uitstoot en waterstof, is CCS van essentieel belang om het maatschappelijke doel van een toekomst met minder CO2-uitstoot te bereiken. Het Internationaal Energieagentschap heeft gemeld dat de doelstellingen voor uitstootvermindering uit het akkoord van Parijs niet kunnen worden gehaald zonder CCS.1 En uit een recent onderzoek van Princeton University bleek dat de uitbreiding van energiecentrales, in combinatie met CO2-afvang en kernenergie, de sleutel is tot het behalen van nul emissies (net zero).
CCS is niet nieuw. ExxonMobil is wereldwijd marktleider op het gebied van CCS-technologie en heeft de afgelopen 30 jaar meer dan 120 miljoen ton2 CO2-emissies opgenomen. Maar wat nieuw is aan de doorbraak van Berkely-ExxonMobil is de unieke moleculaire structuur van dit poreuze materiaal, dat kan worden aangepast aan een breed scala aan bedrijfsinstallaties die CO2 uitstoten.
Hoewel veelbelovend, bevindt het werk met MOF zich in een vroeg stadium en maakt het deel uit van langetermijnonderzoek naar fundamentele wetenschap ter ondersteuning van technologieën met lagere uitstoot. De focus van ExxonMobil op fundamentele wetenschap – onderdeel van de toonaangevende R&D-portefeuille van het bedrijf – omvat onderzoek onder leiding van de interne wetenschappers van het bedrijf en met universiteiten, nationale laboratoria en andere bedrijfspartners.
Uitdagingen voor toegang tot en verbruik van duurzame energie overwinnen
VS EN EUROPA
Alleen al dit jaar zullen nieuwe op aardgas gestookte energiecentrales in de Verenigde Staten en Europa 31 gigawatt aan elektriciteit genereren.
AZIË
Nog eens 10 gigawatt wordt geproduceerd bij aardgasgestookte energiecentrales in heel Azië5
India
In India, waar black-outs van elektriciteit miljoenen mensen treffen6, zijn plannen in ontwikkeling om de elektriciteitsproductie te stimuleren door het aandeel aardgas in de energiemix van het land te verdubbelen.7
In 2040 zal de wereldwijde vraag naar elektriciteit naar verwachting met 60% stijgen
De vraag naar energie – inclusief elektriciteit – neemt toe naarmate gemeenschappen zich herstellen van de pandemie en de levensstandaard blijft verbeteren. In 2040 zal de wereldwijde vraag naar elektriciteit naar verwachting met 60% zijn gestegen, en aardgas zal een groeiend deel van die nieuwe aanwas genereren. Maar nu de energieopwekking een kwart van de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen bedraagt, is het de uitdaging om aan die vraag naar veilige en betrouwbare elektriciteit te voldoen en tegelijkertijd de risico's van klimaatverandering te beperken.
De vraag naar energie – inclusief elektriciteit – neemt toe naarmate gemeenschappen zich herstellen van de pandemie en de levensstandaard blijft verbeteren. In 2040 zal de wereldwijde vraag naar elektriciteit naar verwachting met 60% zijn gestegen, en aardgas zal een groeiend deel van die nieuwe aanwas genereren. Maar nu de energieopwekking een kwart van de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen bedraagt, is het de uitdaging om aan die vraag naar veilige en betrouwbare elektriciteit te voldoen en tegelijkertijd de risico's van klimaatverandering te beperken.
Om zijn belofte na te leven, moet CCS meer CO2 afvangen met minder energie. Dat is de uitdaging waar onderzoekers bij Berkeley en ExxonMobil een oplossing voor proberen te vinden in hun voortdurende onderzoek naar deze baanbrekende MOF.
SCROL NAAR BENEDEN VOOR MEER INFORMATIE OVER DE WETENSCHAPPERS EN HUN CO2-AFVANGENDE MOF.
Wat zijn MOF's en waarom zouden ze een krachtige oplossing tegen klimaatverandering kunnen zijn?
Twee wetenschappers – Jeffrey Long van UC Berkeley en Simon Weston van ExxonMobil – en hun teams hebben meer dan acht jaar lang herhaaldelijk hun hypothesen getest over het gebruik van de poreuze structuur van MOF's om CO2 efficiënt op te vangen.
De MOF is...
GROOT EN POREUS
Op moleculair niveau vallen de interne oppervlakken van MOF's onder de grootste die momenteel bekend zijn. Uitgevouwen kan een gram van het materiaal, met ongeveer het gewicht van een paperclip, een heel voetbalveld bedekken. De honingraatstructuur met poriën van nanoformaat van de MOF kan CO2-emissies als een spons opnemen. De hoge verhouding tussen oppervlakte en volume maakt het tot een potentieel ideaal materiaal om de huidige CCS-technologie te ondersteunen en te verbeteren.
VEELZIJDIG EN HERBRUIKBAAR
MOF's kunnen met gebruikmaking van chemie worden ontworpen om zeer aanpasbare materialen te maken die veelbelovend zijn in vele toepassingen, waaronder CCS. Bij lage temperaturen vormen de moleculen in de MOF een vaste verbinding met de CO2. Bij matige warmte worden de CO2-moleculen vervolgens weggestript om te worden verzameld en opgeslagen. Zodra de CO2 is verwijderd, keert de MOF terug naar de oorspronkelijke staat, waardoor het materiaal herbruikbaar is, zelfs na herhaaldelijk contact met de warmte en stoom die de afgevangen uitstoot wegveegt.
WEERSPIEGELD IN DE NATUUR
De poriën van de MOF zijn ook bekleed met specifieke aminemoleculen die selectief CO2 opnemen via een uniek mechanisme. Dit opnamemechanisme lijkt op RuBisCo, een belangrijk enzym in fabrieken dat verantwoordelijk is voor een van de meest effectieve CO2-afnameprocessen in de natuur: fotosynthese.
EFFICIËNT
Door het afvangen van een CO2-molecuul wordt het voor de MOF eenvoudiger om andere CO2-moleculen te binden totdat ze volledig verzadigd zijn. Dit weerspiegelt een natuurlijk voorkomend proces met de naam coöperative binding. Het afvangproces is ook energiezuinig, omdat voor het afvangen van de CO2 uit het materiaal alleen stoom nodig is die al op grote schaal beschikbaar is in aardgasgestookte energiecentrales.
Het onderzoek gaat verder, maar Long en Weston tonen aan dat energie-efficiënte CCS door middel van MOF's mogelijk is.
Onderzoek doen naar een duurzame energieoplossing
Het vooruitzicht van een 'eurekamoment' was niet de reden waarom Long, Weston en leden van hun teams wetenschappers werden. Net als veel andere collega's wilden ze voortbouwen op het werk van hun voorgangers om bij te dragen aan het begrijpen van complexe chemische kwesties. Hoewel Long en Weston hoopten dat hun bijdragen de weg konden vrijmaken naar een grote ontdekking, wisten ze dat dit werk vaak jaren, of zelfs decennia, in beslag neemt.
Dus toen hun werk tot een ontdekking leidde die een van meest urgente milieu-uitdagingen in de wereld zou kunnen oplossen, was het een echt levensveranderend moment.
Bekijk hoe Weston, Long en Eugene Kim, een lid van het onderzoeksteam van Long die een cruciale rol speelde bij het mogelijk maken van deze ontdekking, uitleggen wat wetenschap voor hen betekent. Lees ook meer over hoe de MOF die ze hebben helpen ontwikkelen aardgas kan omzetten in een brandstof met een nog lagere uitstoot.
Het is een geweldige kans om aan een oplossing voor klimaatverandering te mogen werken, met name aan CO2-afvang, en te weten dat dit een groot verschil kan betekenen voor de wereld.
En nu?
Er is meer onderzoek vereist voordat de wetenschappers en hun teams hun MOF kunnen gebruiken in een prototypefabriek om de prestaties in een echte omgeving te testen. Voor het versnellen van het toepassen van CCS is ook het juiste pakket aan regelgeving en beleidsstructuren vereist, waaronder fiscale stimulansen om investeringen in een wijdverbreide CCS-infrastructuur te versnellen.
Desondanks bevestigt het onderzoek van Long en Weston dat wetenschap en het bewuste proces de overgang naar een toekomst met minder CO2-uitstoot zullen blijven stimuleren.
Scrol naar het einde van de pagina om u aan te melden voor Energy Factor Europe en op de hoogte te blijven van onze vooruitgang op het gebied van CCS-technologie.
1. International Energy Agency (IEA), “The world needs to build on the growing momentum behind carbon capture” https://www.iea.org/news/the-world-needs-to-build-on-the-growing-momentum-behind-carbon-capture
2. ExxonMobil, Exxonmobil.com https://corporate.exxonmobil.com/Energy-and-innovation/Carbon-capture-and-storage
3. International Energy Agency (IEA), “Electricity Market Report – December 2020” https://www.iea.org/reports/electricity-market-report-december-2020/outlook-2021
4. International Energy Agency (IEA), “Electricity Market Report – December 2020” https://www.iea.org/reports/electricity-market-report-december-2020/outlook-2021
5. International Energy Agency (IEA), “Electricity Market Report – December 2020” https://www.iea.org/reports/electricity-market-report-december-2020/outlook-2021
6. Council on Energy Environment and Water (CEEW), “State of Electricity Access in India – October 2020” https://www.ceew.in/sites/default/files/CEEW%20-%20India%20Residential%20Energy%20Survey%20-%20State%20of%20Electricity%20Access%20%2005Oct20.pdf
7. International Energy Agency (IEA), “India Energy Outlook 2021” https://www.iea.org/reports/india-energy-outlook-2021
