Alkalische thermische behandeling: CO2 vastleggen met afvalpekel en hitte
Stel je voor dat je twee lastige afvalstromen tegelijk kunt oplossen: de zoute, geconcentreerde pekel die overblijft bij het ontzouten van zeewater, en het CO2 dat uit de schoorsteen van een fabriek komt. Alkalische thermische behandeling (in het Engels: alkaline thermal treatment, afgekort ATT) is een chemisch proces dat precies dat probeert te doen. Door die pekel met hitte en een base (een alkalische stof, het tegenovergestelde van een zuur) te behandelen, ontstaat een poeder dat CO2 opneemt en vastlegt in een steenachtig materiaal, terwijl er als bijproduct ook nog waterstofgas kan vrijkomen.
Vergelijk het met wat de natuur al miljoenen jaren doet: regenwater dat langs bepaalde gesteentes stroomt, lost er langzaam mineralen uit op die vervolgens CO2 uit de lucht binden tot kalksteen. Dat proces heet verwering en duurt normaal gesproken duizenden tot miljoenen jaren. Alkalische thermische behandeling probeert ditzelfde chemische principe met hitte en industrieel afval te versnellen tot iets wat in uren gebeurt, in plaats van eeuwen.
Wat is het precies?
Het uitgangsmateriaal is meestal magnesiumchloride, een zout dat in grote hoeveelheden voorkomt in de restpekel (brine) van ontziltingsinstallaties die zeewater drinkbaar maken. Die pekel is normaal een lastig afvalprobleem: ze is te zout en te geconcentreerd om zomaar terug de zee in te lozen.
In de eerste stap wordt deze pekel verhit en gemengd met een base, zoals natronloog (natriumhydroxide). Daarbij ontstaat magnesiumhydroxide, een wit poeder dat ook wel bekend is als bestanddeel van sommige maagzuurremmers.
In de tweede stap laat men dit magnesiumhydroxide reageren met CO2, bijvoorbeeld rookgas van een energiecentrale of industrie. Het magnesium bindt de koolstof chemisch en vormt magnesiumcarbonaat, een vast, stabiel mineraal waarin de CO2 letterlijk opgesloten zit. Dit heet mineralisatie: CO2 wordt niet als gas opgeslagen, maar omgezet in steen.
Een interessante variant voegt aan het proces ook een reductiemiddel toe, zoals biomassa, plastic afval of methaan. Onder de juiste omstandigheden van hitte en base ontstaat dan niet alleen vast carbonaat, maar ook waterstofgas (H2), een veelgevraagde brandstof en grondstof voor de chemische industrie. Zo combineert het proces in potentie drie dingen in één stap: afvalverwerking, CO2-vastlegging en waterstofproductie.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is klimaatverandering tegengaan door CO2 blijvend uit de kringloop te halen. In tegenstelling tot het ondergronds opslaan van CO2-gas (de bekendere aanpak, CCS genoemd, van carbon capture and storage), levert mineralisatie een vast product op dat niet kan weglekken en dat zelfs nuttig hergebruikt zou kunnen worden, bijvoorbeeld als grondstof voor bouwmaterialen.
Daarnaast lost het proces een tweede probleem op: de groeiende hoeveelheid afvalpekel van ontziltingsinstallaties. Zeewaterontzilting is essentieel voor waterzekerheid in droge regio's zoals het Midden-Oosten, maar de zoute restpekel is milieubelastend om te lozen. Door die pekel als grondstof te gebruiken in plaats van als afval te behandelen, wordt een probleem in potentie een hulpbron.
Tot slot is de mogelijke waterstofproductie aantrekkelijk: waterstof geldt als een sleutelbrandstof voor de energietransitie, maar wordt vandaag de dag meestal nog met aardgas gemaakt (grijze waterstof). Een route die tegelijk CO2 vastlegt én waterstof oplevert, zou in theorie twee vliegen in één klap slaan.
Voorbeelden uit de praktijk
Het gros van het onderzoek naar alkalische thermische behandeling bevindt zich nog in het laboratorium, met een beperkt aantal gepubliceerde proof-of-concept-studies. Enkele voorbeelden die illustreren hoe het onderzoek zich heeft ontwikkeld:
- Cranfield University (Verenigd Koninkrijk), circa 2016-2019: onderzoekers rond Vasilije Manovic publiceerden laboratoriumstudies waarin synthetische en echte ontziltingspekel werd omgezet in magnesiumcarbonaat, met CO2 als input en waterstof als bijproduct wanneer een reductiemiddel werd toegevoegd. Dit geldt als een van de eerste systematische demonstraties van het concept.
- Vervolgstudies met biomassa en kunststofafval als reductiemiddel: in aansluitend onderzoek werd gekeken of goedkope, veelvoorkomende reststromen zoals houtachtig materiaal of afvalplastic konden dienen als reductiemiddel om de waterstofopbrengst te verhogen. Dit maakte het proces in theorie aantrekkelijker, omdat het dan tegelijk drie afvalstromen verwerkt: pekel, CO2 en vast afval.
- Verkennende interesse vanuit ontziltingsintensieve regio's: landen met veel zeewaterontzilting, met name in het Midden-Oosten en delen van China, worden in de vakliteratuur genoemd als logische testomgevingen, omdat daar zowel grote hoeveelheden pekel als industriële CO2-bronnen voorhanden zijn. Concrete, operationele demonstratie-installaties op ware schaal in deze regio's zijn ons echter niet met zekerheid bekend.
Belangrijk om eerlijk te zijn: buiten deze academische studies zijn er, voor zover bekend, nog geen grootschalige, commerciële installaties die op deze specifieke manier CO2 uit rookgas met ontziltingspekel verwerken. Wie op zoek gaat naar een concreet bedrijf of een fabriek die vandaag op industriële schaal draait op alkalische thermische behandeling, zal die op dit moment niet vinden.
Hoe ver is de techniek?
Alkalische thermische behandeling bevindt zich overwegend op laboratoriumschaal, met eerste stappen richting kleinschalige pilotproeven. In termen van technologische rijpheid (TRL, technology readiness level, een schaal van 1 tot 9 die aangeeft hoe dicht een technologie bij commerciële toepassing staat) gaat het vermoedelijk om een TRL van ergens tussen 2 en 4: het basisprincipe is aangetoond in het lab, maar opschaling naar industriële proefinstallaties staat nog in de kinderschoenen.
De belangrijkste obstakels zijn niet zozeer de chemie zelf, die is relatief goed begrepen, maar de praktische en economische kant. Het proces vraagt warmte-input, wat energie en dus kosten kost, tenzij die warmte als restwarmte van een andere industriële activiteit betrokken kan worden. Daarnaast is de samenstelling van pekel niet overal hetzelfde: elke ontziltingsinstallatie levert een net iets andere mix van zouten, wat het proces per locatie moet laten aanpassen. Ook is nog niet volledig uitgekristalliseerd wat de beste afzetmarkt is voor het geproduceerde magnesiumcarbonaat: als bouwmateriaal, als grondstof voor de chemische industrie, of simpelweg als permanent op te slaan mineraal.
Kortom: het basisprincipe werkt aantoonbaar in gecontroleerde laboratoriumomstandigheden, maar de weg naar een betaalbare, opgeschaalde toepassing is nog lang en de uitkomst daarvan is onzeker.
Wie werken eraan?
Het onderzoek naar alkalische thermische behandeling is vooral academisch van aard en relatief kleinschalig vergeleken met de grote, goed gefinancierde CO2-opslagprojecten. Cranfield University in het Verenigd Koninkrijk, met onderzoekers als Vasilije Manovic en collega's, geldt als een van de vroege en belangrijke centra voor dit specifieke concept. Er is ook samenwerking geweest met Chinese onderzoeksgroepen, passend bij de grote belangstelling in China voor zowel CO2-afvang als zeewaterontzilting.
Breder gezien maakt deze technologie deel uit van het internationale onderzoeksveld rond CO2-mineralisatie en 'enhanced weathering' (versnelde verwering), waarin ook instituten als het Britse UKCCSRC (UK Carbon Capture and Storage Research Centre) en diverse universiteiten met geochemische expertise actief zijn. Overheden en onderzoeksfinanciers in het VK en de EU hebben via klimaatonderzoeksprogramma's bijgedragen aan financiering van dit soort mineralisatietechnieken, als onderdeel van een breder pakket aan negatieve-emissietechnologieën.
Een duidelijk commercieel bedrijf dat alkalische thermische behandeling als kernproduct op de markt brengt, is ons niet met zekerheid bekend; het terrein wordt op dit moment vooral gedreven door universitair onderzoek.