Technologie voor koolstofafvang:
Het verminderen van supervervuilende stoffen om de opwarming van de aarde te beperken

Shan Daniel

De opwarming van de aarde brengt een aanzienlijke reeks risico's met zich mee voor de mens op aarde. De planeet warmt op door het broeikaseffect, of door gassen in de atmosfeer die de langgolvige straling van het aardoppervlak in de atmosfeer vasthouden. Het belangrijkste gas dat aan dit effect bijdraagt, is koolstofdioxide, dat vrijkomt bij de verbranding van koolwaterstoffen voor energie. De potentiële negatieve effecten van ongecontroleerde emissies en opwarming leiden tot extreme weersomstandigheden, landbouwverliezen en overstromingen van kustgebieden als gevolg van het smelten van de poolkappen. Daarom is het cruciaal en tijdsgevoelig om de wereldwijde energieafhankelijkheid te veranderen naar bronnen die de negatieve gevolgen van klimaatverandering verzachten. Dit kan worden bereikt door de wereldwijde afhankelijkheid van fossiele brandstoffen en andere koolstofuitstotende stoffen te verminderen en over te schakelen op hernieuwbare energiebronnen, zoals zonne-energie, windenergie, waterkracht, getijdenenergie en kernenergie, die geen CO2 uitstoten tijdens hun proces (1).

Sinds het begin van de Industriële Revolutie zijn de atmosferische concentraties van CO2 echter gestegen van 280 ppm naar 430 ppm, wat overeenkomt met 1.18 × 10^12  Extra tonnen CO2 in onze atmosfeer. Gezien de omvang van deze verandering is het verwijderen van uitgestoten koolstof uit de atmosfeer en het opslaan ervan op een manier die het effect ervan op de opwarming van de aarde elimineert, een recent onderwerp van interesse voor klimaatwetenschappers.

Huidige koolstofvastleggingsprocessen hebben als taak lucht uit de omgeving te halen en te concentreren voor opslag (2). Dit kan worden bereikt door middel van een reeks van vier reacties: Reactie 1 omvat het leiden van lucht door een oplossing van kaliumhydroxide, waarbij CO2 met water kan reageren tot koolzuur, dat een zuur-base-neutralisatie ondergaat om kaliumcarbonaat en water te genereren. Reactie 2 regenereert kaliumhydroxide door het kaliumcarbonaat te laten reageren met calciumhydroxide om calciumcarbonaat te genereren, dat onoplosbaar is in water. In reactie 3 wordt het vaste calciumcarbonaat onderworpen aan thermische ontleding onder extreem hoge temperaturen om calciumoxide en kooldioxide te genereren, dat bij de reactie wordt uitgestoten in een gecontroleerde omgeving waar het kan worden opgeslagen. Ten slotte omvat reactie 4 het calciumoxide dat calciumhydroxide regenereert wanneer het in water is opgelost. Hoewel reacties 1, 2 en 4 exergonische, gunstige reacties zijn, is de thermische ontleding van calciumcarbonaat enorm endotherm en vereist een extreme hoeveelheid energie, waardoor industriële koolstofvastlegging duur en moeilijk vol te houden is (3). Per ton CO2 die uit de buitenlucht wordt verwijderd, worden de kosten geschat op $ 600 tot $ 1000. Met uitsluitend de huidige koolstofvastleggingstechnologieën zouden de kosten voor het verwijderen van voldoende CO2 om terug te keren naar het pre-industriële niveau van atmosferische CO2 in 708 $ 25 biljoen bedragen, oftewel ongeveer 2023 keer het Amerikaanse bbp (4).

Deze methodologie is momenteel geen haalbare methode om de CO2-niveaus in onze atmosfeer betekenisvol te beïnvloeden. Innovatie en verbetering van zowel de derde reactie van het koolstofvastleggingsproces als de opslag/verkoop van de geproduceerde CO2 kunnen de totale kosten van dit proces verlagen, waardoor de implementatie ervan op grotere schaal mogelijk wordt en een algeheel groter positief effect kan hebben (4). Het afvangen van methaan, een supervervuilende stof die schadelijk is voor de gezondheid en klimaatverandering aanwakkert, kan koolstofvastleggingsstrategieën aanvullen door zich te richten op kortlevende klimaatverontreinigende stoffen die onmiddellijke gezondheids- en klimaatvoordelen bieden. Met verdere innovatie om een kostenefficiënter proces te creëren en de combinatie met andere hernieuwbare energiebronnen, kan koolstofvastlegging echter een belangrijk instrument zijn om de negatieve effecten van klimaatverandering te verzachten.

Een biologisch gestuurde methode die de laatste jaren steeds meer erkenning heeft gekregen, is regeneratieve landbouw (RA). Regeneratieve landbouw biedt een meer geïntegreerde en duurzame benadering van landbouw door zich te richten op bodemherstel en ecologisch evenwicht op de lange termijn (5). In tegenstelling tot conventionele landbouw, die vaak sterk afhankelijk is van kunstmest en pesticiden, legt RA de nadruk op traditionele, op de natuur gebaseerde praktijken (6). De vijf kernprincipes waarop regeneratieve landbouw zich voornamelijk baseert om de bodemgezondheid te verbeteren, zijn: het minimaliseren van bodemverstoring, het maximaliseren van gewasdiversiteit, het handhaven van een continue bodembedekking, het het hele jaar door levende wortels in de bodem houden en het integreren van vee, zoals runderen, in landbouwsystemen.

Hoewel RA een van de meest effectieve benaderingen is voor duurzame landbouw en atmosferische koolstofopslag, stuit het op verschillende belemmeringen voor brede implementatie (7). De aanpak is tijdrovend en vereist zorgvuldig en consistent beheer. Boeren moeten nieuwe technieken omarmen en een dieper begrip ontwikkelen van bodembiologie, plantinteracties en ecosysteemgerichte praktijken om hun land effectief te beheren. Deze veranderingen vereisen vaak zowel technische training als een langdurige inzet, wat niet voor alle landbouwgemeenschappen haalbaar is.

Als RA echter wordt ondersteund door de consistente implementatie en integratie van moderne technologieën – zoals drones, sensoren en landbouwrobotica – heeft het de potentie om een ​​van de meest betrouwbare langetermijnstrategieën voor koolstofopslag te worden (8). Deze technologieën kunnen de precisie en efficiëntie van landbeheerpraktijken verbeteren, waardoor het gemakkelijker wordt om de bodemgezondheid te monitoren, de vruchtwisseling te optimaliseren en arbeidsintensieve taken te verminderen. Zo blijkt uit een onderzoek dat bodems tot 3.4 gigaton koolstof per jaar kunnen vastleggen via landbouwpraktijken (9). Om deze omvang van vastlegging te bereiken, zouden echter jaarlijks ongeveer 5.72 × 10¹¹ bomen moeten worden geplant.

Het RA-proces omvat verschillende onderling verbonden biologische en chemische stappen die bijdragen aan de langdurige koolstofopslag in de bodem. Het begint met de toenemende teelt van bomen, gewassen en planten, die een cruciale rol spelen bij het vastleggen van atmosferische koolstofdioxide (CO₂) via fotosynthese. Tijdens fotosynthese zetten planten CO₂ en water om in glucose (C₆H₁₂O₆) en zuurstof (O₂), volgens de volgende reactie: 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂.

De geproduceerde glucose wordt niet alleen gebruikt voor plantengroei, maar wordt ook via de wortels in de bodem uitgescheiden ter ondersteuning van microbiële gemeenschappen. Deze wortelexsudaten stimuleren de microbiële ademhaling en activiteit in de rhizosfeer, waardoor de nutriëntenkringloop wordt verbeterd. Een deel van de organische koolstof wordt uiteindelijk gestabiliseerd door een proces genaamd humificatie, waarbij microbiële en plantaardige resten worden omgezet in complexe humusstoffen. Deze stoffen vormen stabiele organische stof in de bodem die tientallen jaren in de bodem kan blijven en koolstof effectief in de grond opslaat.

Hoewel RA een zeer duurzame aanpak is, vereist zinvolle vooruitgang met deze methode een gelijktijdige vermindering van de door de mens veroorzaakte koolstofuitstoot. Uit onderzoek blijkt dat de jaarlijkse hoeveelheid koolstofdioxide die door menselijke activiteiten wordt uitgestoten, groter is dan de hoeveelheid die kan worden vastgelegd door regeneratieve landbouwpraktijken (het wereldwijde jaarlijkse budget). Zo werd in 2023 36.8 gigaton CO2 uitgestoten, vergeleken met de 3.4 gigaton koolstof die jaarlijks door RA wordt vastgelegd.

Beton is een alomtegenwoordig bouwmateriaal; het zit in onze wegen, trottoirs, gebouwen, bruggen en tunnels. Sterker nog, beton is de op één na meest gebruikte stof ter wereld, na water, en "er wordt twee keer zoveel beton gebruikt in de bouw als alle andere bouwmaterialen samen" (12). Momenteel produceert de wereld jaarlijks 30 miljard ton beton, en de wereldwijde vraag naar beton neemt alleen maar toe, vooral nu de industrialisatie in veel landen in het Zuiden versnelt (13). Helaas brengt beton energiekosten met zich mee.

Cement, een belangrijk bestanddeel van beton, wordt gemaakt via een proces dat bekend staat als calcineren — een mengsel van kalksteen en klei wordt verhit tot zeer hoge temperaturen, waardoor een chemische reactie ontstaat waarbij koolstofdioxide (CO2) ontstaat ₂ ) en kalk (CaO). De kalk wordt vervolgens gemengd met meer klei en opnieuw verhit om cement te vormen. Uiteindelijk reageert dat cement met water om verschillende hydratatieproducten te vormen, die verharden en aggregaten (voornamelijk zand, grind en gebroken steen) aan elkaar binden, waardoor we beton vormen.

Wanneer echter de aanzienlijke energie-input die nodig is om het cement en de CO te verwarmen, ₂  Als we beide in aanmerking nemen, wordt het duidelijk dat beton een behoorlijk aanzienlijke CO0.85-voetafdruk heeft. Eén ton cement stoot namelijk XNUMX ton COXNUMX uit. ₂ , en de betonindustrie produceert 4-8% van de wereldwijde CO14-uitstoot (XNUMX). Momenteel is geen enkel ander bouwmateriaal in staat om de veelzijdigheid, lage kosten en het gemak van de productie van beton te evenaren. Maar is er een manier om de COXNUMX-voetafdruk van beton te verkleinen en tegelijkertijd de kosten voor de industrie te verlagen?

Het blijkt dat beton, ondanks het feit dat het koolstofdioxide uitstoot tijdens het mengproces, ook koolstof absorbeert via een passieve chemische reactie die bekend staat als verwering carbonatatieTijdens dit proces wordt calciumhydroxide (Ca(OH) ₂ , ook bekend als portlandiet), een bijproduct van hydratatiereacties in het beton, reageert met koolstofdioxide in de lucht om calciumcarbonaat (CaCO) te vormen ₃ , ook wel calciet genoemd). Dit is een vorm van koolstofvastlegging: koolstof uit de lucht (CO ₂ ) wordt in minerale vorm “opgeslagen” in de moleculaire structuur van het beton.

Als potentiële strategie om klimaatverandering tegen te gaan en de CO0.9-voetafdruk van de betonindustrie te verkleinen, heeft dit proces echter verschillende nadelen. Ten eerste verloopt het heel langzaam: één ton beton absorbeert tot wel XNUMX kg COXNUMX. ₂  per jaar via carbonatatie door verwering, hoewel die waarde sterk afhankelijk is van omgevingsomstandigheden zoals vochtigheid en temperatuur (13). Dit betekent dat de koolstofopname die plaatsvindt tijdens carbonatatie door verwering veel lager is dan de koolstofuitstoot van de industrie. Het tweede nadeel is dat bij langdurige blootstelling aan CO ₂ De koolstofsilicaathydraatgel (CSH) die beton helpt samen te houden, breekt af en het beton begint te degraderen. We kunnen echter de fundamentele chemische reacties die plaatsvinden tijdens carbonatatie door verwering gebruiken als blauwdruk voor het ontwerpen van een techniek voor koolstofvastlegging in beton die snel en actief is, in plaats van langzaam en passief.

Het blijkt dat de industrie momenteel twee methoden. De eerste heet minerale carbonatatie, en is in wezen een "snelle imitatie van gesteenteverwering" (13). Minerale carbonatatie richt zich op bindmiddelen; normaal gesproken wordt cement simpelweg gemengd met water om de hydratatieproducten te vormen die de aggregaten van beton aan elkaar binden. Echter, als CO ₂  wordt opgelost in water om koolzuur (H) te vormen ₂ CO ₃ ) breken hydroniumionen uit het zuur de silicaatoxiden in cement af, waardoor de calcium- en magnesiumionen in het cement vrijkomen en stabiele carbonaten vormen. Volgens een onderzoek zou commerciële carbonatatie tot 3 Gt koolstof per jaar kunnen vastleggen.

De tweede methode richt zich op het beton zelf. Beton wordt vaak na het mengen uitgehard om snelle hydratatiereacties te garanderen, wat gunstig is voor de duurzaamheid en sterkte van het beton op lange termijn. Stoom is het typische medium waarmee beton wordt uitgehard, omdat het een hoge temperatuur en relatieve vochtigheid mogelijk maakt (15), maar CO ₂  kan ook voor hetzelfde effect worden gebruikt. Dit proces, waarbij CO ₂  gas wordt geïnjecteerd in vroegrijp beton (d.w.z. maximaal een paar dagen na het mengen) staat bekend als carbonatatie-uitharding. Net als bij minerale carbonatatie omvat carbonatatie-uitharding de reactie van silicaatoxiden met water en CO ₂  om CaCO te vormen ₃ .

Het verkrijgen van zuivere CO ₂  Het gebruik van gas, evenals het ontwerpen en onderhouden van de gesloten reactiekamers die nodig zijn voor het uitharden, brengt extra kosten met zich mee voor de fabrikant. Het is echter mogelijk om deze kosten te verlagen door de traditionele bindmiddelen en toeslagmaterialen te vervangen door gerecyclede alternatieven om te maken wat in de industrie bekendstaat als "groen beton". Portlandcement, de typische keuze voor de cementcomponent van beton, kan bijvoorbeeld gedeeltelijk of volledig worden vervangen door vliegas (een bijproduct van de kolenindustrie) of staalslak, omdat beide de oxiden bevatten die nodig zijn voor hydratatiereacties. Uit een onderzoek bleek dat het vervangen van portlandcement door een mengsel van vliegas en kalk leidde tot een betonmengsel met een carbonatatiegraad van 78%, vergeleken met een carbonatatiegraad van 32% in het controlemengsel van portlandcement (13).

Daarnaast kunnen grind en gebroken steen, de typische keuzes voor grove aggregaten, worden vervangen door sloopafvalproducten (gemalen bakstenen, beton, enz.). Minerale carbonatatie kan ook op deze aggregaten worden toegepast om hun sterkte en duurzaamheid te vergroten, evenals hun vermogen om koolstof vast te leggen. Tot slot kunnen fijne aggregaten (meestal zand) worden vervangen door biochar, wat als bijkomend voordeel heeft dat het zelf een product is van koolstofvastlegging (biochar wordt gevormd door het verbranden van organisch materiaal bij zeer hoge temperaturen in een zuurstofarme omgeving, wat leidt tot de vorming van stabiele koolstofstructuren). Sommige studies hebben aangetoond dat biochar hydratatiereacties kan versnellen tijdens de vroege carbonatatie-uitharding, wat leidt tot een hogere druksterkte (16). Biochar is ook zeer poreus, wat betekent dat het meer plaatsen heeft waar carbonatatiereacties kunnen plaatsvinden.

In tegenstelling tot CCS of regeneratieve landbouw vereist groen beton geen grootschalige veranderingen in de bestaande industrie of de oprichting van een geheel nieuwe industrie; het enige dat nodig is, is het toevoegen van gerecyclede bijproducten aan het betonmengsel en het gebruik van carbonatatie-uithardingstechnologieën in plaats van stoom. Cementfabrikanten hebben momenteel de middelen om te investeren in een meer klimaatadaptieve toekomst – een toekomst waarin we onze steden bouwen met opgeslagen CO2. ₂ .