Om koolstof kunstmatig te kunnen vastleggen (d.w.z. zonder gebruik te maken van de natuurlijke processen van de koolstofcyclus) moet het eerst worden vastgelegd, of moet het aanzienlijk worden vertraagd of worden voorkomen dat het opnieuw in de atmosfeer vrijkomt (door verbranding, rotting, enz.) uit een bestaand koolstofrijk materiaal, door het op te nemen in een duurzaam gebruik (zoals in de bouw). Daarna kan het passief worden opgeslagen of in de loop van de tijd op verschillende manieren productief worden gebruikt.
Bij het oogsten bijvoorbeeld kan hout (als koolstofrijk materiaal) onmiddellijk worden verbrand of op een andere manier als brandstof worden gebruikt, waarbij de koolstof weer in de atmosfeer terechtkomt, of het kan worden verwerkt in de bouw of in een reeks andere duurzame producten, waardoor de koolstof gedurende jaren of zelfs eeuwen wordt vastgelegd.
Een zeer zorgvuldig ontworpen en duurzaam, energie-efficiënt en energie-capturerend gebouw heeft het potentieel om (in zijn koolstofrijke bouwmaterialen) evenveel of meer koolstof vast te leggen dan is vrijgekomen bij de verwerving en verwerking van alle materialen en dan zal vrijkomen door de “energie-import” van gebouwfuncties gedurende het (mogelijk multi-eeuwse) bestaan van het gebouw. Een dergelijk bouwwerk zou “koolstofneutraal” of zelfs “koolstofnegatief” genoemd kunnen worden. De bouw en exploitatie van gebouwen (elektriciteitsverbruik, verwarming, enz.) zijn naar schatting verantwoordelijk voor bijna de helft van de jaarlijkse door de mens veroorzaakte toevoeging van koolstof aan de atmosfeer.
Natuurgaszuiveringsinstallaties moeten vaak al kooldioxide verwijderen, hetzij om te voorkomen dat droog ijs gastankers verstopt, hetzij om te voorkomen dat de kooldioxideconcentraties de 3%-grens overschrijden die in het aardgasdistributienetwerk is toegestaan.
Buiten dit is een van de meest waarschijnlijke eerste toepassingen van koolstofafvang het afvangen van kooldioxide uit rookgassen van elektriciteitscentrales (in het geval van steenkool wordt deze vermindering van de verontreiniging door steenkool soms “schone steenkool” genoemd). Een typische nieuwe kolengestookte centrale van 1000 MW produceert jaarlijks ongeveer 6 miljoen ton kooldioxide. Het toevoegen van koolstofafvang aan bestaande centrales kan de kosten van de energieproductie aanzienlijk opdrijven; afgezien van de zuiveringskosten zal een 1000 MW-kolencentrale de opslag van ongeveer 50 miljoen vaten (7.900.000 m3) koolstofdioxide per jaar vereisen. De zuivering is echter betrekkelijk betaalbaar wanneer deze wordt toegevoegd aan nieuwe centrales op basis van kolenvergassingstechnologie, waar zij naar schatting de energiekosten voor huishoudens in de Verenigde Staten die uitsluitend op kolen gestookte elektriciteitsbronnen gebruiken, van 10 cent per kW-h tot 12 cent zal doen stijgen.
GebouwenEdit
Volgens een internationaal team van interdisciplinaire wetenschappers in een studie uit 2020, een brede toepassing van massief hout en de vervanging van staal en beton door massief hout in nieuwe middelhoogbouwprojecten in de komende decennia het potentieel hebben om houten gebouwen om te vormen tot een wereldwijde koolstofput, aangezien zij de koolstofdioxide opslaan die uit de lucht wordt gehaald door bomen die worden gekapt en gebruikt als constructiehout. Met het oog op de demografische behoefte aan nieuwbouw in de komende dertig jaar, heeft het team vier scenario’s geanalyseerd voor de overgang naar massahout nieuwbouw in de middenbouw. Bij ongewijzigd beleid zou tegen 2050 wereldwijd slechts 0,5% van de nieuwe gebouwen met hout worden gebouwd (scenario 1). Dit zou kunnen oplopen tot 10% (scenario 2) of 50% (scenario 3), ervan uitgaande dat de productie van massahout toeneemt naarmate de materiaalrevolutie waarbij cement en staal in de stedelijke bouw worden vervangen door hout, zich dienovereenkomstig uitbreidt. Ten slotte, als landen met een huidig laag industrialisatieniveau, bijvoorbeeld Afrika, Oceanië en delen van Azië, ook de overgang naar hout (inclusief bamboe) zouden maken, dan is zelfs 90% hout in 2050 (scenario 4) denkbaar. Dit zou kunnen resulteren in de opslag van 10 miljoen ton koolstof per jaar in het laagste scenario en bijna 700 miljoen ton in het hoogste scenario. Uit de studie blijkt dat dit potentieel onder twee voorwaarden kan worden gerealiseerd. Ten eerste moeten de gekapte bossen op duurzame wijze worden beheerd, bestuurd en gebruikt. Ten tweede zou het hout van gesloopte houten gebouwen in verschillende vormen moeten worden hergebruikt of op het land worden bewaard.
KoolstofafvangEdit
Huidig wordt het afvangen van kooldioxide op grote schaal uitgevoerd door absorptie van kooldioxide in verschillende op amine gebaseerde oplosmiddelen. Andere technieken worden momenteel onderzocht, zoals pressure swing adsorptie, temperature swing adsorptie, gasscheidingsmembranen, cryogene technieken en afvang in rookgassen.
In kolengestookte elektriciteitscentrales zijn de belangrijkste alternatieven voor het achteraf inbouwen van op amine gebaseerde absorptiemiddelen in bestaande elektriciteitscentrales twee nieuwe technologieën: gecombineerde kolenvergassing en oxyfuelverbranding. Bij vergassing wordt eerst een “syngas” geproduceerd dat hoofdzakelijk bestaat uit waterstof en koolmonoxide, dat wordt verbrand, waarbij kooldioxide uit het rookgas wordt gefilterd. Bij oxyfuelverbranding wordt de steenkool verbrand met zuurstof in plaats van lucht, waarbij alleen kooldioxide en waterdamp vrijkomen, die relatief gemakkelijk kunnen worden afgescheiden. Een deel van de verbrandingsproducten moet vóór of na de scheiding naar de verbrandingskamer worden teruggevoerd, omdat anders de temperaturen te hoog worden voor de turbine.
Een andere mogelijkheid op lange termijn is het afvangen van koolstof rechtstreeks uit de lucht met behulp van hydroxiden. De lucht wordt dan letterlijk ontdaan van zijn CO2-gehalte. Dit idee biedt een alternatief voor koolstofvrije brandstoffen voor de vervoersector.
Voorbeelden van koolstofvastlegging bij kolencentrales zijn onder meer het omzetten van koolstof uit schoorstenen in zuiveringszout, en koolstofvastlegging op basis van algen, waarbij opslag wordt omzeild door algen om te zetten in brandstof of diervoeder.
Oceanen
Een andere voorgestelde vorm van koolstofvastlegging in de oceaan is directe injectie. Bij deze methode wordt kooldioxide rechtstreeks in het water op diepte gepompt, en wordt verwacht dat zich op de bodem “meren” van vloeibaar CO2 vormen. Uit experimenten in matig tot diep water (350-3.600 meter) blijkt dat het vloeibare CO2 reageert tot vaste CO2-klathraathydraten, die geleidelijk oplossen in het omringende water.
Ook deze methode heeft potentieel gevaarlijke gevolgen voor het milieu. Het kooldioxide reageert met het water tot koolzuur, H2CO3; maar het grootste deel (wel 99%) blijft achter als opgelost moleculair CO2. Het evenwicht zou ongetwijfeld heel anders zijn onder de hoge druk in de diepe oceaan. Bovendien, als diepzeebacteriële methanogenen die kooldioxide reduceren in contact zouden komen met de kooldioxideputten, zou het niveau van methaangas kunnen toenemen, hetgeen zou leiden tot de vorming van een nog slechter broeikasgas.De resulterende milieu-effecten op benthische levensvormen van de bathypelagische, abyssopelagische en hadopelagische zones zijn onbekend. Hoewel het leven in de diepe oceaanbekkens vrij schaars lijkt te zijn, zouden de energetische en chemische effecten in deze diepe bekkens verreikende gevolgen kunnen hebben. Er is veel meer werk nodig om de omvang van de potentiële problemen te bepalen.
Koolstofopslag in of onder oceanen is wellicht niet verenigbaar met het Verdrag ter voorkoming van verontreiniging van de zee door het storten van afval en andere stoffen.
Een aanvullende methode voor oceaanopslag op lange termijn is het verzamelen van gewasresten, zoals maïsstengels of overtollig hooi, tot grote gewogen balen biomassa en deze in de alluviale waaiergebieden van het diepe oceaanbekken te deponeren. Door deze residuen in alluviale waaiers te deponeren, zouden ze snel worden begraven in slib op de zeebodem, waardoor de biomassa voor zeer lange tijd zou worden vastgelegd. Alluviale waaiers komen voor in alle oceanen en zeeën van de wereld waar rivierdelta’s van de rand van het continentaal plat vallen, zoals de alluviale waaiers van de Mississippi in de Golf van Mexico en de alluviale waaiers van de Nijl in de Middellandse Zee. Een keerzijde is echter een toename van de groei van aërobe bacteriën als gevolg van de introductie van biomassa, wat leidt tot meer concurrentie om zuurstofvoorraden in de diepzee, vergelijkbaar met de zuurstofminimumzone.
Geologische sekwestratieEdit
De methode van geo-sequestratie of geologische opslag houdt in dat kooldioxide rechtstreeks in ondergrondse geologische formaties wordt geïnjecteerd. Afnemende olievelden, zoute waterhoudende grondlagen en niet te ontginnen kolenlagen zijn voorgesteld als opslagplaatsen. Cavernes en oude mijnen, die gewoonlijk worden gebruikt om aardgas op te slaan, komen niet in aanmerking, omdat de opslag niet veilig is.
Kooldioxide wordt al meer dan 40 jaar geïnjecteerd in olievelden die in verval zijn geraakt, om de olieopbrengst te vergroten. Deze optie is aantrekkelijk omdat de opslagkosten worden gecompenseerd door de verkoop van extra olie die wordt teruggewonnen. Gewoonlijk is een extra winning van 10-15% van de oorspronkelijke olie op zijn plaats mogelijk. Verdere voordelen zijn de bestaande infrastructuur en de geofysische en geologische informatie over het olieveld die bij de olie-exploratie beschikbaar is. Een ander voordeel van het injecteren van CO2 in olievelden is dat CO2 oplosbaar is in olie. Het oplossen van CO2 in olie verlaagt de viscositeit van de olie en verlaagt de interfaciale spanning, waardoor de mobiliteit van de olie toeneemt. Alle olievelden hebben een geologische barrière die de opwaartse migratie van olie verhindert. Aangezien de meeste olie en gas er al miljoenen tot tientallen miljoenen jaren zitten, kunnen uitgeputte olie- en gasreservoirs nog millennia kooldioxide bevatten. Geïdentificeerde mogelijke problemen zijn de vele “lekkage”-mogelijkheden die oude oliebronnen bieden, de noodzaak van hoge injectiedrukken en de verzuring die de geologische barrière kan aantasten. Andere nadelen van oude olievelden zijn hun beperkte geografische spreiding en hun geringe diepte, waardoor hoge injectiedrukken nodig zijn voor de sekwestratie. Onder een diepte van ongeveer 1000 m wordt kooldioxide geïnjecteerd als een superkritische vloeistof, een materiaal met de dichtheid van een vloeistof, maar de viscositeit en het diffusievermogen van een gas.Onmijnbare kolenlagen kunnen worden gebruikt om CO2 op te slaan, omdat CO2 naar de oppervlakte van de kolen absorbeert, wat een veilige opslag op lange termijn garandeert. Daarbij komt methaan vrij dat eerder aan de oppervlakte van de steenkool was geadsorbeerd en dat kan worden teruggewonnen. Ook hier kan de verkoop van het methaan worden gebruikt om de kosten van de CO2-opslag te compenseren. Het vrijkomen of verbranden van methaan zou natuurlijk het verkregen sekwestratieresultaat ten minste gedeeltelijk teniet doen – behalve wanneer het gas in aanzienlijke hoeveelheden in de atmosfeer kan ontsnappen: methaan heeft een hoger aardopwarmingspotentieel dan CO2.
Zoutwaterhoudende grondlagen bevatten sterk gemineraliseerde pekel en zijn tot dusver als van geen nut voor de mens beschouwd, behalve in een paar gevallen waarin zij zijn gebruikt voor de opslag van chemisch afval. Hun voordelen zijn onder meer een groot potentieel opslagvolume en een betrekkelijk algemeen voorkomen waardoor de afstand waarover CO2 moet worden vervoerd wordt verkleind. Het grote nadeel van zoute aquifers is dat er relatief weinig over bekend is in vergelijking met olievelden. Een ander nadeel van zoute aquifers is dat naarmate het zoutgehalte van het water toeneemt, er minder CO2 kan worden opgelost in een waterige oplossing. Om de kosten van opslag aanvaardbaar te houden kan de geofysische exploratie worden beperkt, wat resulteert in een grotere onzekerheid over de structuur van een bepaalde aquifer. In tegenstelling tot opslag in olievelden of steenkoollagen, zal geen nevenproduct de opslagkosten compenseren. Het teruglekken van CO2 naar de atmosfeer kan een probleem zijn bij de opslag in zoutwatervoerende lagen. Huidig onderzoek toont echter aan dat verschillende afvangmechanismen de CO2 ondergronds immobiliseren, waardoor het risico van lekkage afneemt.
Een groot onderzoekproject waarin de geologische vastlegging van kooldioxide wordt onderzocht, wordt momenteel uitgevoerd bij een olieveld in Weyburn in het zuid-oosten van Saskatchewan. In de Noordzee haalt het Noorse aardgasplatform Sleipner van Equinor kooldioxide uit het aardgas met amine-oplosmiddelen en verwijdert het deze kooldioxide door geologische vastlegging. Sleipner vermindert de uitstoot van kooldioxide met ongeveer een miljoen ton per jaar. De kosten van geologische sekwestratie zijn gering in verhouding tot de totale bedrijfskosten. Sinds april 2005 overweegt BP een proef met grootschalige sekwestratie van kooldioxide dat afkomstig is van de uitstoot van elektriciteitscentrales in het Miller-olieveld, naarmate de reserves uitgeput raken.
In oktober 2007 heeft het Bureau of Economic Geology van de Universiteit van Texas in Austin een tienjarig subcontract van 38 miljoen dollar gekregen om het eerste intensief gecontroleerde langetermijnproject in de Verenigde Staten uit te voeren waarbij de haalbaarheid van de injectie van een grote hoeveelheid CO2 voor ondergrondse opslag wordt onderzocht. Het project is een onderzoeksprogramma van het Southeast Regional Carbon Sequestration Partnership (SECARB), dat wordt gefinancierd door het National Energy Technology Laboratory van het U.S. Department of Energy (DOE). Het SECARB-partnerschap zal de CO2-injectiesnelheid en -opslagcapaciteit demonstreren in het geologische systeem Tuscaloosa-Woodbine, dat zich uitstrekt van Texas tot Florida. Vanaf de herfst van 2007 zal in het kader van het project 1 miljoen ton CO2 per jaar gedurende maximaal 1,5 jaar worden geïnjecteerd in pekel tot 3.000 m onder het landoppervlak in de buurt van het Cranfield-olieveld, ongeveer 24 km ten oosten van Natchez, Mississippi. Experimentele apparatuur zal het vermogen van de ondergrond meten om CO2 op te nemen en vast te houden.
Mineral sequestrationEdit
Mineral sequestration aims to lock carbon in the form of solid carbonate salts. Dit proces verloopt in de natuur langzaam en is verantwoordelijk voor de afzetting en accumulatie van kalksteen in de loop van de geologische tijd. Koolzuur in het grondwater reageert langzaam met complexe silicaten om calcium, magnesium, alkaliën en silica op te lossen en een residu van kleimineralen achter te laten. Het opgeloste calcium en magnesium reageren met bicarbonaat om calcium- en magnesiumcarbonaten neer te slaan, een proces dat organismen gebruiken om schelpen te maken. Wanneer de organismen sterven, worden hun schelpen afgezet als sediment en uiteindelijk omgezet in kalksteen. Kalksteen heeft zich in de loop van miljarden jaren geologisch opgehoopt en bevat een groot deel van de koolstof van de aarde. Lopend onderzoek is erop gericht soortgelijke reacties met alkalicarbonaten te versnellen.
Er worden verschillende serpentinietafzettingen onderzocht als potentieel grootschalige CO2-opslagputten, zoals die in NSW, Australië, waar het eerste proefproject voor minerale carbonatatie wordt uitgevoerd. Een nuttig hergebruik van magnesiumcarbonaat uit dit proces zou als grondstof kunnen dienen voor nieuwe producten voor de bebouwde omgeving en de landbouw, zonder dat de koolstof weer in de atmosfeer terechtkomt en zo als koolstofput fungeert.
Een van de voorgestelde reacties is die waarbij het olivijnrijke gesteente duniet, of zijn gehydrateerde equivalent serpentiniet, met kooldioxide het carbonaatmineraal magnesiet vormt, plus silica en ijzeroxide (magnetiet).
Serpentiniet sequestratie heeft de voorkeur vanwege het niet-toxische en stabiele karakter van magnesiumcarbonaat. De ideale reacties betreffen de magnesiumeindbestanddelen van het olivijn (reactie 1) of serpentijn (reactie 2), het laatste afgeleid van vroeger olivijn door hydratatie en silicificatie (reactie 3). De aanwezigheid van ijzer in het olivijn of serpentijn vermindert de efficiëntie van de sekwestratie, omdat de ijzercomponenten van deze mineralen afbreken tot ijzeroxide en silica (reactie 4).
SerpentinietreactiesEdit
|
+ → + +
|
|
(Reactie 1) |
|
+ → + +
|
|
(Reactie 2) |
|
+ + →
|
|
(Reactie 3) |
|
+ → + +
|
|
(Reactie 4) |
Zetolitische imidazolaatkadersEdit
Zeolitische imidazolaatkaders is een metaal-organisch kader kooldioxideput dat gebruikt zou kunnen worden om industriële uitstoot van kooldioxide uit de atmosfeer te houden.