Primeur: IJslandse energiecentrale verandert CO2 in steen

Onderzoekers van de grootste energiecentrale in IJsland hebben voor het eerst aangetoond dat koolstofdioxide-emissies in de grond gepompt kunnen worden, en scheikundig veranderd kunnen worden in een vaste stof binnen enkele maanden - veel sneller dan ooit gedacht was. De ontdekking kan de vrees wegnemen die tot nu toe opdook bij het idee om CO2 ondergronds op te slaan, namelijk dat het gas door de grond zou kunnen sijpelen en opnieuw in de atmosfeer zou kunnen terechtkomen. Toch lijkt het geen mirakeloplossing voor de door de mens veroorzaakte opwarming van de aarde.
AFP or licensors
De witte vlekken in dit basalt zijn een carbonaat, een vaste verbinding van koolstof.

Wetenschappers zoeken al decennia naar een manier om de CO2-uitstoot van energiecentrales op te vangen en op te slaan in de grond. Het rapport uit 2014 van het International Panel on Climate Change stelt zelfs dat het zonder deze technologie waarschijnlijk niet mogelijk zal zijn om de opwarming van de aarde voldoende in te perken.

Maar de technologie bleek tot nog toe complex, energie-intensief en te duur, en er werd slechts weinig vooruitgang geboekt. CO2 opslaan is nog maar op een handvol plaatsen geprobeerd, en bij de meeste experimenten wordt pure CO2 in zandsteen of in diepe zoute waterlagen gepompt. Gehoopt wordt dan dat de druk en de massieve rotslagen boven de opslagplaats, het CO2 zullen ter plaatse houden.

Maar de wetenschappers zijn bezorgd dat een enkele misrekening kan betekenen dat het gas door scheurtjes opnieuw zijn weg vindt naar het oppervlak - en dus in de atmosfeer -, of dat natuurlijke aardbevingen of schokken die veroorzaakt worden door de injectie van het gas zelf, de ondergrondse reservoirs kunnen doen scheuren.

Het enige grootschalige project tot hiertoe in Noord-Amerika, een kolencentrale in Saskatchewan in Canada waar het CO2 wordt opgevangen, wordt geplaagd door talloze technische problemen, en bovendien wordt het opgevangen CO2 naar olieproducenten gestuurd die het gas injecteren in slabakkende oliebronnen om de druk te verhogen en zo meer olie op te kunnen pompen. Als die olie dan verbrandt wordt, komt er opnieuw meer CO2 in de atmosfeer.

Nu toont het Carbfix-project bij de Hellisheidi-centrale in IJsland echter dat het ook anders kan.

AP2011

De Hellisheidi-centrale nabij Reykjavik. Gigantische buizen brengen superverhitte stoom uit een vulkanisch veld naar de centrale, waar de stoom turbines laat draaien om elektriciteit op te wekken.

De Hellisheidi energiecentrale is de grootste geothermische centrale ter wereld. Samen met een tweede centrale voorziet ze de IJslandse hoofdstad Reykjavik en de industrie in de buurt van elektriciteit, die wordt opgewekt door water te verhitten met vulkanische warmte en daarmee turbines aan te drijven.

Dat is milieuvriendelijker dan een centrale op fossiele brandstoffen, maar volledig zuiver is het proces niet: er komen vulkanische gassen bij vrij, waaronder CO2 - koolstofdioxide -, en het naar rotte eieren ruikende waterstofsulfide.

Pilootproject

In 2012 startte men een pilootproject, Carbfix genaamd, waarbij de gassen gemengd werden met het water dat opgepompt wordt, waarna dat mengsel in de basaltbodem geïnjecteerd werd.

Als basalt blootgesteld wordt aan CO2 en water onder natuurlijke omstandigheden, vinden er een reeks natuurlijke chemische reacties plaats en de koolstof slaat neer als een wit, kalkachtig mineraal.

Maar niemand wist hoe snel dit zou kunnen gebeuren als het proces gebruikt wordt voor de opslag van koolstof. Eerdere studies gaven schattingen dat het in de meeste soorten rots honderden of zelfs duizenden jaren zou duren. Maar in het basalt onder Hellisheidi was 95 procent van de geïnjecteerde koolstof vaste stof geworden in minder dan twee jaar tijd.

"Dat betekent dat we grote hoeveelheden CO2 in de grond kunnen pompen, en het op een zeer veilige manier kunnen opslaan in een zeer korte tijdspanne", zei Martin Stute aan Phys.org. Stute is een hydroloog aan het Lamont-Doherty Earth Observatory van de Colombia University en een van de auteurs van de studie over het project. Die studie is verschenen in "Science".  

"In de toekomst kunnen we er aan denken dit te gebruiken voor energiecentrales op plaatsen waar er veel basalt is, - en er zijn veel van dergelijke plaatsen", zo zei Stute. Nagenoeg heel de zeebodem bestaat uit de poreuze, zwarte rots, en ook zo'n 10 procent van de continentale rotsen.

Niet iedereen deelt echter het optimisme van Stute.

AP2011

Superverhitte stoom ontsnapt uit een testboring in het vulkanisch veld aan de Hellisheidi-centrale. In de stoom zit ook koolstofdioxide en zwavelsulfide. 

Geen mirakeloplossing

Die resultaten zijn indrukwekkend, maar vormen niet meteen een hapklare oplossing voor energiecentrales overal ter wereld. Om te beginnen is de Hellisheidi-centrale een geothermische centrale, die maar een fractie uitstoot van een steenkoolcentrale. Om dezelfde technologie toe te passen voor steenkool, zou een enorm volume aan basaltbodem nodig zijn. Bovendien is de uitstoot van een steenkoolcentrale veel meer vervuild met andere stoffen, die de ondergrondse reactie kunnen hinderen.

Een tweede groot obstakel is het feit dat basalt, rijk aan calcium en magnesium, de sleutel is tot het succesverhaal. Er zijn maar weinig landen ter wereld waar dit vulkanische gesteente in grote hoeveelheden voorkomt.

Wetenschappers zien wel mogelijkheden in de oceaanbodem, die zoals gezegd voor het grootste deel uit basalt bestaat. Een studie uit 2010 van het Lamont-Doherty Earth Observatory heeft al een aantal stukken van de zeebodem voor de kust van de VS aangeduid, die gebruikt zouden kunnen worden om CO2 op te slaan.

In dat geval zou zeewater kunnen worden gebruikt om te mengen met het CO2, maar aan land zou ook dat een probleem kunnen zijn. Voor het proces is immers zeer veel water nodig, 25 ton per ton CO2. Ook dat kan een struikelblok zijn.

Bacteriën

De prijs van de operatie is eveneens een onzekere factor. Geschat wordt dat het afzonderen en injecteren van CO2 in de meeste projecten 130 dollar per ton kost, een flinke som. Het project van Hellisheidi heeft het voordeel dat het voornamelijk de bestaande infrastructuur van de centrale gebruikt om het CO2 te injecteren, en het zuivert het CO2 ook niet. Daardoor kost het daar slechts 30 dollar per ton. Centrales op fossiele brandstoffen zullen dat allicht niet zo goedkoop kunnen doen, en ook niet zonder een boel water.

Een laatste mogelijk probleem komt uit een onverwachte hoek: uit een studie blijkt dat er ondergrondse bacteriën bestaan die in staat lijken zich te voeden met carbonaat-mineralen, de vorm waarin het CO2 in het basalt wordt neergeslagen, en die om te zetten in methaan. En methaan is nog een veel krachtiger broeikasgas dan CO2.

Gedacht werd dat dergelijke bacteriën alleen voorkwamen in de oceaanbodem op grote diepten, maar onderzoekers hebben er nu ook gevonden in een bron in Californië. Franse microbiologen zijn intussen begonnen met een studie van de ondergrondse microben in de Hellisheidi-site om te zien hoe zij reageren op de ingespoten koolstof.

AP2011

Een ingenieur controleert een klep aan een proefboring bij de Hellisheidi-centrale.

40.000 ton CO2 per jaar

In 2007 zette Reykjavik Energy, de uitbater van Hellisheidi een consortium op met Columbia University en de universiteiten van Kopenhagen en IJsland om af te raken van zijn CO2-emissies, en van de waterstofsulfide, die geurhinder veroorzaakte bij de omwonenden. 

De centrale produceert zo'n 40.000 ton CO2 per jaar, slechts 5 procent van de uitstoot van een equivalente kolencentrale, maar nog steeds een behoorlijke hoeveelheid.

Uit experimenten in het labo bleek dat de plaatselijke basaltrots, in tegenstelling met de afzettingsgesteenten die meestal gebruikt worden om CO2 in te injecteren, veel kalk, ijzer en magnesium bevat, wat nodig is om de koolstof te doen neerslaan. Uit de experimenten bleek ook dat er grote hoeveelheden water zouden toegevoegd moeten worden om de reacties op gang te brengen, opnieuw een afwijking van de voorgaande projecten, waarbij enkel pure CO2 in de grond gepompt werd.

5.000 ton per jaar

In een pilootproject in 2012-2013 pompte het team 250 ton CO2 gemengd met water en waterstofsulfide 400 tot 800 meter diep de grond in, en volgde vervolgens de evolutie via een reeks van putten. In 2014 bleek dat de verhouding tussen de verschillende koolstofisotopen - koolstofatomen met een verschillend aantal neutronen in hun kern - in waterstalen snel veranderd was, een aanwijzing dat een groot deel van de koolstof op enkele maanden tijd gemineraliseerd was, vaste stof was geworden. In de studie in Science wordt daarvan overtuigend bewijs geleverd.

Edda Aradottir, die het project voor Reykjavik Energy leidt, schatte aanvankelijk dat het verhardingsproces 8 tot 12 jaar zou kunnen duren, wat al veel sneller was dan eerdere studies hadden aangegeven. "Mensen dachten dat er niet veel van waar was, ze dachten dat het niet zo snel kon gebeuren", zei ze aan Phys.org. "En toen bleek het nog veel sneller te gebeuren, dat was een zeer welkome verrassing."

Boorkernen uit het gebied waar het CO2 is geïnjecteerd, tonen dat de rotsen doorsneden worden door talrijke witte aders van carbonaat, dat blijkbaar gevormd is door het proces van de CO2-injectie.

Na die eerste successen, begon Reykjavik Energy in 2014 5.000 ton CO2 per jaar te injecteren en het blijkt dat de mineralisatie dat hogere tempo kan bijhouden, zei Aradottir. Deze zomer wil de maatschappij dubbel zo veel CO2 in de grond pompen.

"We moeten de stijgende koolstofemissies aanpakken. En dit is de ultieme permanente opslag - ze opnieuw in steen veranderen", zo zei Juerg Matter, de belangrijkste auteur van de studie.

Meest gelezen