Hoe krijg je koolstof weer terug in de grond?

Een tijdje geleden schreef ik erover dat klimaatverandering erg gevaarlijk is, en dat we er iets tegen zouden moeten doen. Maar wat?

Basaal zijn er twee mogelijkheden die het overwegen waard zijn. De eerste is minder CO2 uitstoten. De tweede is CO2 opvangen. Hoewel de CO2-uitstoot waarschijnlijk flink verminderd kan worden (bijvoorbeeld door huizen beter te isoleren, en efficiëntere technologie te ontwikkelen), zullen we in elk geval ook moeten gaan werken aan de CO2-opslag. Waarom? Wel, zelfs als we 90% minder CO2 produceren komt er nog steeds CO2 bij, dat vroeg of laat voor grote ellende zal zorgen.

Dus: hoe krijg je CO2 uit de atmosfeer?

Een van mijn vroegere studenten, Guoxiang Liu, doet tegenwoordig promotieonderzoek in de VS, en zijn promotor heeft het antwoord: pomp de CO2 (bijvoorbeeld die geproduceerd door fabrieken) onder druk in een verlaten kolenmijn. CO2 zit dan in de kolenmijn en is uit de atmosfeer (zie zijn artikel hier). Op zich natuurlijk een nette oplossing, totdat de kolenmijnen vol zijn, en het CO2 er weer uit gaat lekken, net zoals een ballon langzaam de lucht verliest als je hem lang genoeg laat liggen. Wel is het zo dat de CO2 dan een tijdje uit de lucht is, wat voor de korte termijn wel kan helpen.

CO2-opslag klinkt leuk en werkzaam, en er wordt ook veel geld aan het onderzoek ernaar uitgegeven. Maar als je een beetje scheikunde gehad hebt, begrijp je misschien waarom het niet een erg slim idee is. Weet je waarom er zo weinig auto's zijn die op waterstofgas rijden, inplaats van op benzine? Niet wegens het explosiegevaar, maar simpelweg omdat gas zo'n lage dichtheid heeft dat de opslag ervan ontzettend inefficiënt is. Een liter lucht heeft een massa van slechts 1.2 gram, dus in een gebouw ter grootte van (zeg) een middelbare school van 20x10x40 meter kun je slechts 9,6 ton CO2 opslaan. Dat klinkt veel, maar als je van het CO2 een vaste stof zou maken zou je 16800 ton CO2 kunnen opslaan in hetzelfde gebouw (even aannemend dat CO2 dezelfde dichtheid zou hebben als grafiet). Dat is 1750 keer zoveel! Waterstofauto's zouden dus òf tanks moeten hebben die onder zeer hoge druk staan, òf slechts een kilometer kunnen rijden op een volle tank. Dat het mogelijk is op waterstof te rijden laten de waterstofbussen zien, maar voorlopig kunnen die nog niet concurreren met het veel "gemakkelijkere" benzine.

Het tweede voordeel van het opslaan van vaste stoffen is dat ze niet de neiging hebben te ontsnappen, zoals gassen als CO2 doen en zelfs vloeistoffen de neiging hebben te doen. Zet een stuk baksteen midden in je kamer, weeg hem, en zet er een glas water naast, weeg dat ook. Na twee weken, weeg ze allebei weer. De baksteen is nog even zwaar, het glas water is veel lichter omdat al het water verdampt is! Als je CO2 dus wilt opslaan, moet je het niet in gasvorm houden, en zelfs niet als vloeistof. Het moet vast worden.

Hoe zorg je dat een stof vast wordt? Wel, dat kun je fysisch of chemisch doen. Fysisch: pers het samen en/of koel het af. Maar zowel samenpersing als koeling kosten veel energie, CO2 zal gewoon een gas blijven tenzij je het zo diep onder de grond stopt dat het vast wordt. Dat is vast mogelijk, let wel dat je het dan HEEL diep moet pompen.

In dit geval is de chemische oplossing veel eleganter: maak CO2 kapot. Als je CO2 splitst in koolstof en zuurstof kan de zuurstof naar de atmosfeer, en de koolstof kan opgeslagen worden. Eigenlijk is dit het omgekeerde van wat we nu doen: nu verbranden we aardolie (wat koolstof is) en brengen koolstof van een vloeibare vorm naar gasvorm. Het wordt tijd dat we dit proces omdraaien. Splitsing van CO2 heeft nog een ander voordeel: omdat je het irrelevante zuurstof kwijtraakt, kun je veel meer CO2 opslaan. De school van zonet kan misschien 16800 ton CO2 opslaan als het vast CO2 is, maar 16800 ton koolstof in plaats daarvan opslaan haalt 16800 ton * (molmassa CO2)/(molmassa C) = 61600 ton koolstofdioxide uit de lucht, meer dan 3x zoveel!

Het enige praktische probleem dat je nu misschien ziet is: hoe haal je al die CO2 uit de lucht en zet je hem om in koolstof? Wel, dan moet je multidisciplinair denken: niet aan natuurkunde of scheikunde, maar aan biologie. Planten halen voortdurend CO2 uit de lucht en zetten hem om in suikers. Normaal is dit proces gewoon omkeerbaar:
6CO2+6H2O->(plant) C6H12O6+6O2 ->(verbranding) 6CO2+6H2O
Daar schiet je dus niks mee op.

Maar... als je als slimme chemicus je suikers verbrandt in zuurstofarme omstandigheden, gebeurt er het volgende
6CO2+6H2O->(plant) C6H12O6+6O2 ->(zuurstofarme verbranding) 6C+6H2O+6O2. Het CO2 is dus nu gesplitst en de koolstof kan worden opgeslagen. Dat dit proces gewoon werkt kun je uittesten door een klein (oud!) pannetje met suiker in de oven te doen. Na een tijdje begint het enorm te stinken, en is het pannetje gevuld met een stinkende zwarte troep. Dat is de koolstof die achterblijft nadat de waterdamp ontsnapt is - geen wonder dat suikers ook "koolhydraten" ("gehydrateerde koolstof") worden genoemd, ze lijken te bestaan uit koolstof met water eraan vast! Dat koolstof kan je dus weer opbergen, en omdat er energie bij deze verbranding (eigenlijk: ontledingsreactie) vrijkomt heb je geen extra energie nodig behalve een beetje voor het opstarten.

Misschien denk je nu: moeten we dan alle bomen en planten verbranden om het broeikaseffect de baas te worden? Nee. Je moet de planten gewoon de gelegenheid geven weer aan te groeien. En je moet ook geen natuur omhakken, de rijkste bron van koolstof zijn onze gewone voedselgewassen. Bekijk bijvoorbeeld eens een maisplant - mais kan wel 2 meter hoog worden, maar er zit misschien maar 100 gram mais in en 2 kilo aan onverteerbare delen. Als je die onverteerbare delen zonder zuurstof verbrandt/ontleedt, heb je al snel een paar honderd gram koolstofdioxide (waarschijnlijk zelfs meer dan een kilo CO2 per plant) uit de lucht gehaald. En de oogst van volgend jaar bevat wéér 1 kg CO2 per plant! En dan heb ik het nog niet eens van al het GFT-afval dat we inzamelen - hoeveel koolstof zou daar wel niet in zitten? Niet verbranden met zuurstof, maar juist ZONDER zuurstof.

Nu klinkt dat misschien briljant van mij, maar het principe is al veel eerder bedacht, door James Lovelock en anderen (het verhaal van Lovelock is overigens ook fascinerend, misschien voor een andere aflevering van de LvdvL) Of we het plan op voldoende grote schaal implementeren voordat de ene helft van de aarde onderloopt en de andere helft een woestijn wordt is nog een andere kwestie, maar wel de moeite waard om voor te vechten.

De wijze les van dit alles is: als je een probleem goed definieert (niet: hoe slaan we CO2 op, maar: hoe krijgen we het CO2 uit onze atmosfeer) kun je veel betere methoden vinden dan mijn voormalig student die kolenmijnen probeert vol te pompen met CO2 omdat hij daar toevallig subsidie voor krijgt (en het is zeker ook een goede tijdelijke oplossing!) Maar als je het broeikas-effect echt wilt tegengaan: verbrand een plant!