Verkoelend olivijn

gemalen mineraal bindt CO2 en redt ons uit de broeikas

Rob Biersma

Interview | Zaterdag 04-08-2007 | Sectie: Overig | Pagina: Z14 | Rob Biersma

Olivijn, het algemeenste mineraal in de aardmantel, kan CO2 uit de lucht wegvangen. Delf het op, vergruis en verspreid het en het klimaatprobleem is opgelost. Dat zegt de geochemicus Olaf Schuiling. Rob Biersma

Overal op de wereld zoeken technici naar goedkope processen om CO2 aan zand, klei of een goedkoop mineraal te binden. Een fabrikant die zonder CO2-uitstoot kan produceren, heeft een onschatbaar voordeel in een toekomstige wereld van emissieplafonds. Maar een belangrijke doorbraak is tot dusverre uitgebleven.

Toch is er een voor de hand liggende oplossing, zegt prof.dr. R.D. Schuiling, emeritus hoogleraar geochemie aan de Universiteit Utrecht, maar technici zien die niet. De oplossing van het klimaatprobleem vind je niet in een reactor, maar in de natuur. Daar wordt op grote schaal CO2 vastgelegd door basische gesteenten, zoals bijvoorbeeld olivijn, een mineraal dat vrijwel overal voorkomt. Dat gaat alleen heel langzaam. Maar je kunt dat proces door vergruizing versnellen. Het enige probleem is: je zult dat op immense schaal moeten doen - op dezelfde schaal waarmee nu olie en steenkool worden verbrand.

Die verbranding van steenkool en aardolie veroorzaakt een gestage toename van het CO2-gehalte in de atmosfeer, van 260 ppm (parts pro million) rond het jaar 1750 naar 380 ppm tegenwoordig. Die toename is de oorzaak van het (versnelde) broeikaseffect met een klimaatsverandering als gevolg.

Weinig mensen staan er bij stil, zegt Schuiling, dat er van nature al grote hoeveelheden koolstof permanent weglekken uit de aarde. Er zijn natuurlijke steenkoolbranden die al eeuwen doorgaan. Olie komt in bronnen aan de oppervlakte, waar het verdampt en wordt geoxideerd. Het meeste aardgas is al lang geleden ontsnapt naar de atmosfeer. Meer dan 99 procent van alle gevormde olie en gas is op die manier weer terug in de atmosfeer terechtgekomen. Er is dus sprake van een cyclus. CO2 wordt door levende organismen uit de atmosfeer weggenomen en raakt gefossiliseerd. En koolstofvoorraden komen aan de oppervlakte en worden door oxidatie weer omgezet in CO2 in de atmosfeer.

Daarbij was sinds de laatste ijstijd een evenwicht ontstaan rond de 260 ppm CO2 in de atmosfeer.Dat evenwicht werd af en toe verstoorddoor vulkanische activiteit,waarbij grote hoeveelheden CO2 vrijkomen. En tegenwoordig dus door de mens.

Maar, zegt Schuiling, er is nog een tweede koolstofcyclus. Veel koolstof in de atmosfeer - en daarbij moet je ook aan de oceaan denken waarin zich zon vijftig keer zoveel CO2 bevindt als in de lucht - wordt rechtstreeks vastgelegd door gesteenten. Dat gebeurt hoofdzakelijk door basische gesteenten uit de aardmantel die aan de oppervlakte komen. Zo bindt olivijn, dat hoofdzakelijk uit Mg2SiO4 bestaat, CO2 uit de lucht onder vorming van SiO2 (zand) en MgCO3 (magnesiumcarbonaat).

Dit proces, chemische verwering genaamd, gaat heel langzaam. Maar de omvang ervan is groot: schattingen gaan uit van 1,5 gigaton per jaar, meer dan het dubbele van de hoeveelheid koolstof die door levende organismen wordt gefossiliseerd. Deze vastgelegde, versteende koolstof verdwijnt in de vorm van carbonaten in de diepte - het hoopt zich op in het sediment en het verdwijnt eventueel door de werking van de platentektoniek in diepte van de aarde. Omgekeerd komt er ook weer CO2 uit de aardkorst vrij door reacties van carbonaathoudende gesteenten als die aan de oppervlakte komen, en door vulkanisme.

Dit wegvangen van CO2 door gesteenten en het weer vrijkomen ervan vormt een cyclus, een soortgelijke cyclus als bij planten die CO2 uit de lucht vastleggen en weer vrijgeven bij verrotting en verbranding.

Schuiling: Het direct wegnemen van CO2 uit de atmosfeer door gesteenten gaat traag. Maar er zijn geologische tijdperken geweest, zoals tijdens de vorming van de Himalaya in het Tertiair, dat er zeer veel reactief gesteente beschikbaar was. Toen ging dit proces veel sneller. Er zijn aanwijzingen dat er in die periode zoveel CO2 door gesteente uit de atmosfeer werd weggenomen, dat dit - samen met andere factoren - een sterke afkoeling van de aarde tot gevolg had. Er is dus van nature niet altijd sprake van een evenwicht in de cyclus.

Sinds de industriŽle revolutie heeft de mens eenzijdig ťťn deel van de cyclus kunstmatig versneld door op grote schaal vastgelegde, fossiele koolstof door verbranding in de atmosfeer te brengen. Met energiebesparing en aanplant van bossen probeert men nu de klimaatverandering die daarvan het gevolg is, te vertragen.

Maar wat is er nu op tegen, zegt Schuiling, om ook het andere deel van de geologische cyclus te versnellen? Je kunt heel eenvoudig CO2-bindende mineralen in dagbouw winnen en daarna vergruizen. Het meest geschikte mineraal is olivijn. Het oppervlak van het vergruisde mineraal neemt hierdoor duizenden tot miljoenen malen toe en daarmee de snelheid waarmee het CO2 bindt. Doen we dit op dezelfde schaal waarmee de mensheid op dit moment koolstof in de atmosfeer brengt, dan zal het CO2 -gehalte in de atmosfeer niet verder stijgen. Daarmee kunnen we dus de dreigende klimaatsverandering voorkomen.

Het is niet nodig om de olivijn volledig tot fijn poeder te vermalen. Zelfs als het olivijn gemalen is tot de grofheid van zand, is de CO2-vastlegging compleet na enkele decennia - mits het zand voldoende wordt blootgesteld aan CO2. Volgens Schuiling gaat dit het beste door gemalen olivijn te verspreiden in de brandingszone van een zee, waar door de golfwerking vanzelf voldoende menging plaatsheeft. De verpulverde olivijnkorrels worden zo voldoende blootgesteld aan CO2.

Olivijn kan heel veel CO2 binden: om de hoeveelheid CO2 te binden die vrijkomt bij de verbranding van 1 liter olie, is slechts 2,5 kilo olivijn nodig. Met een soortelijke dichtheid van 3,5 kg/l is dat in volume zelfs minder dan een liter.

Schuiling: Om een idee te geven wat de potentie van dit proces is heb ik in een artikel in Climatic Change (2006, 74, samen met P. Krijgsman) uitgerekend hoeveel olivijn je nodig hebt om alle CO2 in de atmosfeer te binden. Dat kan met een laagje olivijnpoeder van 1,2 millimeter dik, uitgespreid over de hele aarde. En er is olivijn genoeg. Olivijn is het hoofdbestanddeel van de aardmantel. Maar het komt ook in grote massieven voor aan de oppervlakte.

Schuiling kan voorrekenen dat alleen in de brandingzone van de kusten van Turkije (7.200 km kustlijn) en Griekenland (15.000 km) in een jaar op zijn minst zon 30 miljoen ton CO2 kan worden vastgelegd. Die kusten zijn zeer geschikt: er is veel olivijn aanwezig in de onmiddellijke omgeving. 30 miljoen ton is weliswaar niet veel in vergelijking met de jaarlijkse mondiale uitstoot van 8.000 miljoen ton CO2, maar op de wereld is veel meer kust. Alleen IndonesiŽ heeft al een kustlijn van 100.000 kilometer. Daarnaast hoeft de verspreiding van olivijn zich niet te beperken tot de brandingzone, maar zijn ondiepe zeeŽn ook geschikt. Overigens zouden op toeristische plaatsen het verpulverde olivijn ook gebruikt kunnen worden om stranden aan te leggen. Het zullen dan wel lichtgroene stranden zijn, zoals op HawaÔ, waar olivijn het zand kleur. Schuiling: Dat soort stranden is dan groen, in de twee betekenissen van het woord.

Het voorstel om de het klimaatprobleem op te lossen door CO2 uit te atmosfeer weg te nemen metvergruisd olivijn is tot dusverre alleengepubliceerd in wetenschappelijkekring. Het idee ontmoet vooralsnoggeen tegenstand. Schuiling vindt alwel bijval van zijn collega P.L. (Poppe)de Boer, hoogleraar sedimentologie,eveneens aan de Universiteit Utrecht.De Boer: Op dit moment zijn er initiatievenom de vrijgekomen CO2 tecompenseren door nieuw bos aan teplanten. Dat oogt sympathiek, maarde omvang van die aanplant is op ditmoment nog beperkt. Bovendien ishet geen echte oplossing: na zon dertigjaar komt de vastgelegde CO2 weervrij als het bos sterft of wordt gekapt.Daarnaast wordt onderzocht of CO2 inoude gasvelden geÔnjecteerd kan worden.Of CO2 wordt geÔnjecteerd in oudeolievelden om de druk te verhogen,waardoor de winning verlengdkan worden. Maar dat zal vrij prijzig zijn.

Afgelopen maand werd bekend dat een experimenteel project van Shell en het Noorse Statoil om in twee Noorse offshore-olievelden CO2 te injecteren werd gestaakt. Het Enhanced Oil Recovery-project ( EOR), dat in maart 2006 met veel trompetgeschal werd gestart, heeft 50 miljoen euro gekost. Technisch werkt het wel. Maar de kosten om CO2 terug te winnen uit verbrandingsinstallaties zijn te hoog in vergelijking met de toegenomen olieproductie. Aan de Amerikaanse oostkust bestaan EOR-projecten die wel commercieel interessant zijn.

De Boer: Daarnaast is deze techniek toch niet vrij van risicos. Het is niet bekend hoe die CO2 in diepe aardlagen zich gedraagt. Vloeibaar CO2 kan heel agressief zijn. Het vreet zich misschien wel een weg door gesteenten en komt naar boven. Ik kan me daarbij allerlei ongelukken voorstellen. Als het vrijkomt in de diepzee, krijg je op den duur oververzadiging van het bodemwater. En dan, op een kwaad moment, komt het opgeloste CO2 plotseling vrij als het gasvormig wordt: er stijgen gasbellen naar het zeeoppervlak, waardoor schepen zinken en in het niets verdwijnen, zoals in de Bermuda-driehoek.

Ook zijn de risicos van grootschalig CO2-transport nauwelijksbekend. Voorstanders van hetidee om Nederland tot een knooppuntvan CO2 -transport te maken, beseffenveelal niet dat CO2 in grote hoeveelhedeneen zeer gevaarlijk gas is.Een CO2-wolk is reukloos, onzichtbaaren kruipt langs de grond, waarhet mens en dier doet verstikken. Op26 augustus 1986 werd Kameroen getroffendoor een ramp die aanvankelijkonverklaarbaar was. Zon 1.700mensen in een afgelegen berggebiedwerden dood gevonden zonder dat ereen oorzaak leek te zijn. Pas uit geologischonderzoek bleek dat uit dediepte van het vulkaanmeer Nyos eenenorme hoeveelheid CO2 was vrijgekomen.

Schuiling: Voorzover ik kan nagaan, kleven aan mijn voorstel nauwelijks risicos. Het winnen van olivijn kan in dagbouw, het liefst nabij een ondiepe zee waarin het als fijn zand wordt verspreid. Daar neemt het CO2 weg met een snelheid van een jaar of tien, afhankelijk van de korrelgrootte van het vergruisde olivijn.

Wil je het broeikaseffect werkelijk tegengaan, dan zal het om immense hoeveelheden gaan. Schuiling: Maar toch ook niet om onvoorstelbare hoeveelheden. Rijkswaterstaat brengt nu jaarlijks tien miljoen kubieke meter zand naar de kust. Die zandsuppletie is nodig voor onze kustverdediging. Als dat tien miljoen kubieke meter vergruisd olivijn zou zijn, dan zou daarmee zon 25 procent van de hele Nederlandse CO2-uitstoot worden gecompenseerd. En olivijn is niet duur. Ik heb een telefoontje gepleegd met een groothandelaar in mineralen. Voor 23 dollar per ton kon hij het uit Groenland leveren, vergruisd en per schip in Rotterdam. Het zou dan om een partij van 10.000 ton gaan. Olivijn is nu een weinig gevraagde grondstof - er is wat vraag naar als vervanger van kwartszand voor zandstralen, nu dat niet meer mag in verband met silicose - maar als je olivijn werkelijk grootschalig gaat winnen, kan de prijs aanmerkelijk zakken, dat weet ik zeker.

Poppe de Boer heeft een aanvraag bij STW (Stichting Technische Wetenschappen) gedaan om een experiment te financieren waarmee in een bak zeewater bij de Maasvlakte de verweringssnelheid van vergruisd olivijn wordt bepaald. Schuiling: Experimenteel is er nog niet veel bekend. Wel weet ik dat de olivijn die uit de vulkanische gesteenten van de Duitse Eiffel in de Rijn terechtkomt, Nederland niet haalt omdat hij dan al verweerd is. En er zijn aanwijzingen dat het proces in zout water sneller gaat.

Het meeste onderzoek naar CO2-opname door olivijn is technisch van aard: ingenieurs proberen in reactoren de goede condities te vinden om de CO2 in de rookgassen van een productieproces te binden. Shell doet daaraan bijvoorbeeld onderzoek in Amsterdam. Schuiling: Maar dan wil men de reactiesnelheid tussen olivijn en CO2 sterk vergroten. De CO2 moet nog binnen de hekken van de fabriek gebonden worden. In mijn voorstel mag het proces gerust traag blijven. Als het vergruisde olivijn zich maar in de loop van een jaar of dertig bindt. En waar dat gebeurt op aarde, doet er niet toe.

Maar al is Schuilings plan geen high tech, het zal toch heel wat kosten. Schuiling: Ik heb er wat berekeningen aan gedaan. Het winnen, vergruizen en vervoeren van olivijn zou maximaal eenvijfde gaan kosten van de olie waarvan je de CO2 compenseert.Ter vergelijking: het afvangenvan CO2 in een elektriciteitscentralealleen al kost 19 procent extra brandstof.Dan moet het nog vervoerd en indiepe aardlagen geÔnjecteerd worden.

Het liefst zag Schuiling dat het vergruisde olivijn een dubbel doel dient. Schuiling: Laat boeren het als aanvulling op mest of kunstmest op het land strooien. Het is een uitstekende magnesiumbron. Ook kan het door bosbouwers worden gebruikt om verzuurde gronden te herstellen. En ten slotte - misschien ben ik naÔef - kunnen gewone mensen in een tuincentrum olivijnzand kopen om in hun eigen tuin te verspreiden. Kun je zelf wat doen om de klimaatverandering tegen te gaan.

Volgens Schuiling zou je in principe zelfs energie kunnen winnen tijdens het vastleggen van CO2, omdat er bij de reactie van CO2 en olivijn warmte vrijkomt. Schuiling: Als het zou lukken om met deze warmte elektriciteit op te wekken, dan is deze elektriciteit supergreen, groener dan groen: knalgroen. Maar dit idee is natuurlijk maar een bijzaak. De hoofdzaak is het vastleggen van CO2 om het broeikaseffect tegen te gaan.

Krap een liter olivijn bindt alle CO2 uit een liter olie Olivijn is een magnesiumsilicaat met de kleur van een groene olijf, vandaar de naam. Die kleur dankt het aan sporen ijzer die erin voorkomen. De chemische formule luidt Mg2SiO4, waarbij soms Fe de plaats inneemt van een Mg in het kristallijne rooster.Olivijn komt voor in de meeste stollingsgesteenten. Het behoort tot de algemeenste mineralen van de aardmantel. Alleen al in Europa komt het aan de oppervlakte in Noorwegen, Zweden, Spanje, ItaliŽ, Oostenrijk, Griekenland, Cyprus en Turkije.Olivijn kan grote hoeveelheden CO2 binden: 1 ton olivijn bindt 1,2 ton CO2. Maar in een compact olivijngesteente gaat dit natuurlijke verweringsproces zeer traag. Door het te vergruizen, gaat het proces veel sneller.De eindproducten van de reactie van olivijn en CO2 zijn MgCO3 (magnesiumcarbonaat), SiO2 (siliciumoxide, zand) en Fe2O3 (ijzeroxide), alledrie ecologisch onschuldige stoffen. Groene energie is energie die wordt opgewekt zonder netto CO2-uitstoot: met windmolens, zonnecollectoren, biobrandstoffen en kernenergie. Maar met olivijn is het in principe ook mogelijk om energie op te wekken, terwijl tegelijk nog eens CO2 wordt vastgelegd. Bij de onderstaande reactie - een wat andere dan in de vrije atmosfeer - komt veel warmte vrij. 2 Mg2SiO4 + CO2 + 2 H20 -> Mg3Si2O5(OH)4 + MgCO3 Het zal niet gemakkelijk zijn om met deze warmte elektriciteit op te wekken, omdat de reactie langzaam verloopt. Maar als het lukt is deze elektriciteit groener dan groen: knalgroen. Uit thermodynamische berekeningen is de energie van de reactie (preciezer: de vrije enthalpie) nog behoorlijk groot: de helft van de energie die vrijkomt bij de verbranding van C (steenkool) tot CO2 . Wegens de traagheid van de reactie gaan de gedachten uit naar een grootschalige - en daardoor goed geÔsoleerde - onderaardse aanpak, waarbij een soort geforceerde aardwarmte wordt opgewekt met injectie van water en CO2 in oude mijnen of boorputten gevuld met vergruisd olivijn.