Nieuwsbrief

Blijf wekelijks op de hoogte van het beste uit De Kennis van Nu en het laatste nieuws!

MELD JE AAN
olietanker

Bij het verweren van gesteenten wordt jaarlijks een miljard ton CO2 vastgelegd. Op diverse manieren proberen onderzoekers dat proces te versnellen en tegelijkertijd lastige reststromen zoals mijnbouwafval om te zetten in nuttige materialen.

Van alle CO2 die de mensheid produceert, komt ongeveer vier procent voor rekening van de scheepvaart. Dat is ruimschoots meer dan één miljard ton. Michael Priestnall wil daar een eind aan maken. Hij is Chief Technology Officer – opperingenieur - van het bedrijf Cambridge Carbon Capture (CCC). Samen met de rederij Polarcus en de Universiteit van Sheffield ontwikkelt dit jonge bedrijf een techniek om CO2 in het uitlaatgas van scheepsmotoren om te zetten in bicarbonaat, een soort soda.

Het project van Priestnall is een van de vele manieren om CO2 vast te leggen door zogeheten ‘versnelde verwering’. Bepaalde gesteenten, zoals olivijn en serpentijn, maar ook reststoffen als de sintels (slakken) uit de hoogovens of het bodemas uit de huisvuilverbranding verweren onder invloed van zon, wind en water en CO2. Daarbij worden de oorspronkelijke kiezelverbindingen (silicaten) omgezet in kalksteen of dolomiet. Of, zoals in het project van Cambridge Carbon Capture, in oplosbaar bicarbonaat van magnesium of calcium.

Zo oud als de aarde

Verwering is een proces dat bijna zo oud is als de aarde en veel ouder dan de fotosynthese waarbij CO2 met zonlicht wordt omgezet in biomassa. De hoeveelheid koolstof die in gesteenten is vastgelegd is dan ook vele malen groter dan die in biomassa. Tachtig procent van alle koolstof ligt vast in onder meer de krijtrotsen van Engeland en de Dolomieten in Italië, maar vooral in dikke lagen kalkzandsteen in de ondergrond. Vaak bevatten die lagen ook nog koolstof uit biomassa in de vorm van gas, olie en steenkool.

Dankzij verwering wordt jaarlijks ongeveer een miljard ton CO2 vastgelegd in gesteenten. Vergeleken met de dertig miljard ton die jaarlijks de lucht in gaat als gevolg van menselijke activiteiten is dat een bescheiden hoeveelheid. Hij valt al helemaal in het niet bij de 440 miljard ton die jaarlijks tussen atmosfeer en biosfeer wordt uitgewisseld. Toch is het een belangrijk proces, want CO2 die is vastgelegd als gesteente, verdwijnt voor miljoenen jaren uit de atmosfeer.

Versnellen

Onderzoekers kijken daarom al jaren naar mogelijkheden om het verweringsproces te versnellen. Een van de "zendelingen" van het eerste uur is emeritus hoogleraar Olaf Schuiling, met zijn pleidooi om fijngemalen olivijn uit te strooien op natte bodems en tropische stranden. Een kilo olivijn neemt netto ongeveer een kilo CO2 op. Inmiddels experimenteert ProRail met het uitstrooien van gemalen olivijn op schouwpaden langs de spoorlijn en onderzoekt Rijkswaterstaat mogelijkheden om het materiaal te gebruiken voor wegen en oevers.

Malen van gesteenten en slakken en contact met water versnellen de verwering, maar ondanks dat blijft het een langzaam proces, waardoor je veel oppervlak nodig hebt om substantiële hoeveelheden CO2 vast te leggen. De laatste paar jaar wordt daarom intensief gezocht naar methoden om het verweringsproces flink te versnellen. Grofweg worden daarbij twee routes gevolgd. De ene richt zich op het versnellen van het verweringsproces door het verhogen van de druk en temperatuur. De andere route richt op het chemisch ontleden van gesteenten en slakken om er magnesiummelk (magnesiumhydroxide) uit te halen, de stof die daadwerkelijk reageert met CO2.

Nederlandse schachtreactor

In de ontwikkeling van die eerste route speelt Nederland een interessante rol. Vanuit een grijs verleden beschikken we in ons namelijk over een van de weinige ‘gravity pressure vessels’, een schachtreactor waarbij de zwaartekracht wordt gebruikt om een hoge druk te creëren. In feite is een GPV niet meer dan een lange stalen buis die 1000 tot 2000 meter diep de grond in gaat. In Apeldoorn is begin jaren negentig zo’n GPV van 1200 meter aangelegd om zuiveringsslib te verwerken. Inmiddels is de installatie niet meer in gebruik, maar de kennis en ervaring is onder meer opgeslagen in het hoofd van Pol Knops, die jarenlang bij de Apeldoornse GPV heeft gewerkt.

Samen met zijn kompaan Keesjan Rijnsburger van het bedrijf Innovation Concepts wil hij de schachtreactor gebruiken om zowel CO2 vast te leggen als elektriciteit te produceren. Het idee is om een mengsel van water met daarin gemalen olivijn naar beneden te pompen. Onderweg wordt gasvormig CO2 geïnjecteerd, dat beneden in de diepte reageert met het olivijn tot magnesium- en calciumcarbonaat en zand (silica). Eenmaal weer naar boven gepompt kunnen die stoffen worden gebruikt als bouwmateriaal of als materiaal voor het ophogen van wegen en spoorwegen.

De reactie tussen olivijn en CO2 levert daarnaast zoveel warmte op dat de temperatuur onder in de buis tot wel 500 graden kan oplopen, ruim voldoende om de reactie optimaal te laten verlopen. Er wordt zelfs zoveel warmte geproduceerd, dat het de moeite loont om de vrijkomende stoom af te tappen en te gebruiken om elektriciteit op te wekken. CO2 als brandstof voor een elektriciteitscentrale is dus geen sciencefiction meer. Maar nog wel toekomstmuziek.

In plaats van olivijn, dat speciaal daarvoor gewonnen moet worden, kun je ook gebruik maken van staalslakken en andere reststromen uit de mijnbouw en ertsverwerking. Tom van Gerven van de Katholieke Universiteit Leuven doet bijvoorbeeld onderzoek naar hete slakken uit de staalindustrie. Van Gerven: ‘Als ze uit de staalpot komen zijn ze nog vloeibaar, maar als ze afkoelen tot onder de 1000 graden, dan vormen ze microdeeltjes. Omdat die deeltjes 10 tot 20 procent kalk bevatten kun je er CO2 mee vastleggen. Op die manier kun je CO2 rechtstreeks uit de rookgassen van staalfabriek halen.’

Ook andere reststromen lenen zich voor "verwering". In Zuid-Afrika bijvoorbeeld onderzoekt de Raad voor Geowetenschappen de mogelijkheden om de ertsafvallen van de chroom-, platinum- en diamantmijnen te verwerken met een Gravity Pressure Vessel. In Australië wordt de beruchte ‘red mud’, een afvalproduct van de aluminiumproductie, met behulp van CO2 onschadelijk gemaakt. Canada en Zuid-Korea ten slotte doen onderzoek naar het onschadelijk maken van asbest door het te laten reageren met CO2.

Voorbehandelen

Kenmerkend voor de eerste hoofdroute is dat het gesteente, of het nu olivijn is of staalslak, uit zichzelf reageert met CO2. In de tweede hoofdroute probeert men het verweringsproces te versnellen door het gesteente voor te behandelen met chemicaliën. Daarbij ontstaat heel fijn en ook heel zuiver zand (silica) dat je onder meer kunt gebruiken als vulmiddel voor de productie van rubberbanden. Dergelijke silicabanden of ecobanden zijn populair omdat de rolweerstand tot veertig procent lager ligt dan bij normale banden, waarin roet als vulmiddel is gebruikt.

Belangrijker voor het vastleggen van CO2 is echter dat de reactie ook magnesiummelk (magnesiumhydroxide) oplevert, een stof die in de geneeskunde wordt ingezet als maagzuurremmer, maar ook een stof die reageert met CO2 onder de vorming van carbonaat of bicarbonaat.

In opdracht van rederij Polarcus en Cambridge Carbon Capture doet Hajime Kinoshita van de Universiteit van Sheffield sinds eind 2011 onderzoek deze vorm van versnelde verwering. ‘We zijn er onlangs in geslaagd om behoorlijke zuivere magnesiummelk (80 procent) te winnen uit duniet, een gesteente dat voor meer dan 90 procent bestaat uit olivijn. Momenteel onderzoeken we hoe we de reactie met CO2 kunnen optimaliseren en een werkend systeem kunnen bouwen om de CO2 uit de uitlaatgassen van scheepsmotoren om te zetten in magnesiumbicarbonaat.’ Bicarbonaat is oplosbaar in water en wordt door “geo-ingenieurs” gezien als een van de oplossingen voor het probleem van oceaanverzuring.

Schone motor

Het scheepsmotorenproject is niet het enige waar Cambridge Carbon Capture zich mee bezig houdt. Een andere toepassing van versnelde verwering is de brandstofcel, die gezien wordt als toekomstig alternatief voor de verbrandingsmotor. Michael Priestnall: ‘Samen met de Universiteit van Cambridge hebben we een werkend prototype ontwikkeld van een brandstofcel, waarin methanol de energie levert. Daarbij wordt CO2 gevormd, dat in onze brandstofcel wordt weggevangen en vastgelegd als magnesiumcarbonaat ofwel magnesiet.’

Door die chemische reactie levert de brandstofcel twintig procent meer elektriciteit op dan een vergelijkbare brandstofcel. Ook de tweede biedt dus mogelijkheden om CO2 als brandstof te gebruiken. Bovendien bevat de lucht die uit de brandstofcel komt dertig procent minder CO2 dan de lucht die erin gaat. Priestnall: ‘We halen in feite dus CO2 uit de atmosfeer.’

De kunst is, volgens Priestnall, om te zoeken naar mogelijkheden om waarde toe te voegen aan CO2. Dat is volgens hem veel effectiever dan te gaan zitten wachten tot de prijs die bedrijven moeten betalen om een ton CO2 uit te stoten hoog genoeg is om het af te vangen en ondergronds op te bergen. ‘Als je daarop moet wachten kan het nog heel lang duren. Bovendien blijf je dan afhankelijk van de politiek. Als je echt wat wilt doen aan de CO2-uitstoot, dan kun je beter zorgen dat je een proces hebt waarmee je nu al geld kunt verdienen.’ Zover is het nog niet, maar met typerend ingenieursoptimisme denkt Priestnall dat die tijd niet ver meer is.