Direct Ocean Capture via elektrodialyse

Start-up SeaO2 ontwikkelde nieuw proces voor het afvangen van CO₂ uit zeewater

SeaO2, een start-up met wortels aan de TU Delft, ontwikkelde een nieuw proces om CO₂ rechtstreeks uit zeewater te halen via 'Direct Ocean Capture'. Deze innovatieve aanpak moet bijdragen aan het verminderen van de bestaande CO₂ in de atmosfeer en biedt een oplossing voor sectoren die moeilijk klimaatneutraal kunnen worden. SeaO2 is niet de enige speler in dit veld; in dit artikel komen ook enkele concurrenten aan bod.

Van pilot naar wereldwijde impact

SeaO2 werd opgericht in 2022 en streeft naar een CO₂-verwijderingscapaciteit van 250 ton per jaar op de pilotinstallatie aan de Afsluitdijk. Tegen 2030 moet dat groeien tot een megaton en tegen 2045 zelfs een gigaton, ook buiten Nederland. De naam “SeaO2” klinkt in het Engels als 'CO₂' – een toepasselijke verwijzing naar hun missie.

De oceaan is een belangrijke opslagplaats van CO₂, omdat een derde van alle emissies daarin terechtkomt. Sinds de industriële revolutie heeft de overmaat aan CO₂ in de lucht geleid tot klimaatverandering en verzuring van de oceanen. De concentratie van opgeloste kooldioxide in de oceaan is 150 keer hoger dan in de lucht, wat het een aantrekkelijke bron maakt voor verwijdering.

Direct Ocean Capture (DOC) is efficiënter dan Direct Air Capture (DAC), omdat de concentratie van opgeloste CO₂ in zeewater 150 keer zo groot is als in lucht

Direct Ocean Capture gebruikt enkel hernieuwbare energie en zeewater om CO₂ te verwijderen van het oceaanoppervlak en dus uit de atmosfeer omdat de atmosfeer en de oceaan met elkaar in evenwicht staan. Op het moment dat je CO₂ uit het water haalt, zal er weer CO₂ vanuit de lucht in oplossen - een gevolg van de Wet van Henry.

Principe van Direct Ocean Capture

Direct Ocean Capture vangt opgeloste CO₂ uit zeewater en gebruikt elektrochemie en een vacuüm om met het carbonaatevenwicht van de opgeloste CO₂ in water, CO₂ in gasvorm aan het zeewater te onttrekken. Hierna kan het permanent CO₂ ondergronds worden opgeslagen of gebruikt bij de productie van producten als beton met het proces van de start-up Paebbl (zie NPT van maart 2025). Het behandelde zeewater keert terug naar de oceaan en kan opnieuw CO₂ uit de atmosfeer absorberen in de strijd tegen de klimaatverandering en de verzuring van de oceaan.

Hoewel het proces energie-intensief is, maakt SeaO2 gebruik van hernieuwbare energie. Bovendien wordt de techniek op grote schaal wel energie-efficiënter waardoor er minder groene stroom hoeft te worden gebruikt, wat goedkoper is. Direct Ocean Capture (DOC) is efficiënter dan Direct Air Capture (DAC), omdat de concentratie van opgeloste CO₂ in zeewater 150 keer zo groot is als in lucht.

Procesbeschrijving van de pilot bij SeaO2

De pilotinstallatie van SeaO2 pompt zeewater op, waarvan 1 procent via elektrodialyse wordt gesplitst in een zure- en een basische stroom. De zure stroom wordt toegevoegd aan een grotere hoeveelheid zeewater, waardoor het carbonaatevenwicht verschuift. Dat wil zeggen dat je van carbonaat naar bicarbonaat en vervolgens CO₂ gaat volgens de reacties:

CO₂ + OH^- <==> HCO₃^-

HCO₃^- + OH^- <==> CO₃^2- + H₂O

Doordat een zuur een proton (H⁺) afgeeft aan OH^- onder vorming van water verschuiven de bovenstaande twee reacties naar links onder de vorming van bicarbonaat (HCO₃^-) en vervolgens CO₂. Dat CO₂ halen ze er vervolgens uit door middel van een vacuüm.

De stroom die overblijft voegt zich vervolgens weer bij de basische stroom, die zo neutraal wordt. Het geheel, nu grotendeels gedecarboniseerd, verdwijnt weer in de zee.

Omdat CO₂ verzuring van het zeewater tegengaat, draagt de technologie bij aan een beter ecosysteem

Invloed op het zeeleven

Heeft het filteren van zeewater nog impact op het zeeleven? Om dat goed in kaart te brengen, heeft SeaO2 sinds kort een oceanograaf in dienst. Het is goed om een expert aan boord te hebben met contacten in de wetenschappelijke wereld. Uiteindelijk haalt de technologie van SeaO2 alleen CO₂ uit het water. De samenstelling van het zeewater verandert verder niet.

Omdat CO₂ verzuring van het zeewater tegengaat, draagt de technologie bij aan een beter ecosysteem. Toch blijft voorzichtigheid geboden: het is nog nooit op zo'n grote schaal uitgevoerd. SeaO2 werkt daarom samen met andere DOC-bedrijven om kennis te delen en veilige protocollen te ontwikkelen.

Pilot-plant SeaO2

Het eerste prototype aan de Afsluitdijk van SeaO2 heeft een capaciteit van 1 ton CO₂ per jaar. In mei 2023 werd het eerste vat met 5 kilo CO₂ uit het zeewater verwijderd en via partner Paebbl omgezet in beton. Daarna werd een grotere pilot-plant ontworpen (250 ton/jaar) die eind 2025 operationeel moet zijn.

De techniek van SeaO2 is energie-efficiënt en kan op verschillende locaties worden toegepast. Het kan in enkele seconden aan- en uitgeschakeld worden en kan worden gebruikt bij het in evenwicht brengen van het elektriciteitsnet. De techniek gebruikt duurzame energie en kan worden ingezet bij bestaande infrastructuur zoals waterkoelingsinstallaties en afvalwaterbehandelingsinstallaties om ruimte te besparen.

Opbrengsten (negatieve emissies)

SeaO2 verdient aan:

• Verkoop van koolstofcredits: CO₂-compensatie aan bedrijven die CO₂ uitstoten door CO₂ ondergronds op te slaan in lege gasvelden;
• Licenties voor gebruik van de technologie (bv. naast een frisdrankfabriek);
• Verkoop van CO₂ grondstof bij productie van beton, frisdrank of groene methanol.

Op termijn wil SeaO2 samengaan met de olie- en gasindustrie, die de infrastructuur, kennis en financiële middelen tot vergroening heeft.

Met elektrodialyse zeewater splitsen

De splitsing van zeewater in een zure en basische stroom gebeurt via elektrodialyse met een bipolair membraan (EDBM). EDBM (zie figuren 2.1, 2.2 en 2.3) is een vorm van elektrodialyse, waarbij enerzijds zout via elektrodialyse gaat splitsen in zijn zure- (X–) en base- (M+) ionen in het diluaatcompartiment.

Deze geladen ionen bewegen met het elektrische veld mee doorheen het anionmembraan (AM) of kationmembraan (CM). Anderzijds treedt ook de elektrolyse van water op in H⁺ en OH^- . Water splitst zich namelijk in protonen en hydroxide-ionen (2H₂O ↔ H₃O⁺ + OH^- ).

Het geproduceerde proton en hydroxide-ion worden gescheiden door migratie in de respectievelijke membraanlaag uit het membraan. Gecombineerd zorgen deze voor de vorming van respectievelijk zuren (HX) en basen (MOH) in het concentraat. In het geval van zeewater gaat het dan om HCl en NaOH.

Concurrenten onder de loep

Captura

Captura, de belangrijkste concurrent van SeaO2, is een spin-off van het Californische instituut van technologie (Caltech). Captura gebruikt eveneens elektrodialyse om CO₂ uit zeewater te verwijderen. Captura gebruikt ook hernieuwbare energie voor zijn proces, en zonder additieven of bijproducten. Het proces van Captura (zie figuur 3) verloopt als volgt:

Het zeewater wordt ingenomen en stroomt continu door de fabriek. Minder dan 1% van deze stroom wordt afgescheiden van de rest. Vervolgens zorgt elektrodialyse er voor dat deze afgescheiden stoom zeewater gesplitst wordt in een zure en een basische stroom. De zure stroom wordt weer toegevoegd aan de hoofdstroom van het zeewater, waardoor de in het zeewater aanwezige carbonaten worden omgezet in CO₂.

Vervolgens passeert dit zeewater een ontgassingssysteem met een vacuüm om het CO₂ uit het zeewater te verwijderen. De overgebleven basische stoom wordt daarna weer toegevoegd aan het ontgaste zeewater, om de zuurgraad te neutraliseren. Tenslotte wordt dit zeewater met een hersteld vermogen om CO₂ uit de lucht te absorberen teruggevoerd naar de oceaan.

Captura heeft geldelijke steun gehad van het US departement van energie en industriële spelers als het Noorse Equinor. De twee bedrijven werken samen voor een project in Hawaii met als doel om 1000 ton CO₂ per jaar te verwijderen uit zeewater.

Brineworks

De Amsterdamse start-up Brineworks gebruikt elektrolyse van water als startpunt om CO₂ uit zeewater te halen. Op grote schaal zal deze techniek minder dan $100 per ton CO₂ kosten, wat minder dan de helft is van Direct Ocean Capture. De techniek gebruikt hernieuwbare energie en retourneert alleen water, zonder chemicaliën, terug aan de zee.

Een ander voordeel van de techniek van Brineworks is dat het groene waterstof produceert als bijproduct. Dit kan een belangrijke bijverdienste zijn, omdat in de industrie de vraag hiernaar zal toenemen, bijvoorbeeld bij de productie van staal.

Ebb Carbon

Ebb Carbon richt zich op organisaties die zeewater gebruiken (agrarische bedrijven, ontziltingsinstallaties, industriële installaties aan de kust of oceaan en onderzoekslaboratoria). Aangezien er zeewater stroomt door deze installaties kan Ebb Carbon met zijn technologie deze stroom scheiden in een zure en een basische stroom met duurzame energie.

Daarna wordt de basische stroom teruggevoerd naar de oceaan, waar het CO₂ bindt om bicarbonaat te vormen, wat volgens het bedrijf een stabiele opslag is voor CO₂ voor 10.000 jaar. Het proces van Ebb Carbon helpt ook tegen de verzuring van de oceaan, die een negatieve invloed heeft op het zeeleven van onder andere vissen en schelpdieren.