Calciet: het alledaagse mineraal dat CO2 voorgoed kan opsluiten
Calciet is een van de gewoonste mineralen op aarde. Het zit in kalksteen, krijt en marmer, het vormt de druipstenen in grotten en de schelpen van talloze zeediertjes. Scheikundig gezien is het niets bijzonders: calciumcarbonaat, oftewel kalk. Maar juist omdat het zo stabiel en overal aanwezig is, hebben wetenschappers er de afgelopen jaren een verrassende rol voor bedacht: calciet als permanente opslagplaats voor CO2.
Stel je een spons voor die kooldioxide uit de lucht of uit de schoorsteen van een fabriek opneemt, en die vervolgens wordt "bevroren" in steen. Zo werkt het ongeveer: CO2 wordt opgelost in water en diep de grond in gepompt, in gesteente dat rijk is aan calcium. Daar reageert het gas met het gesteente en verandert het letterlijk in calciet-kristallen. Het kooldioxide is dan geen gas meer dat kan ontsnappen, maar vaste steen, voor honderdduizenden jaren. Dezelfde chemie wordt ook gebruikt om scheuren in beton vanzelf te laten dichtgroeien, met bacteriën die calciet aanmaken als een soort natuurlijk pleistermiddel.
Wat is het precies?
Calciet is calciumcarbonaat (CaCO3
), een mineraal dat ontstaat wanneer calcium-ionen zich verbinden met carbonaat-ionen (afkomstig van CO2 dat oplost in water). Het kristalliseert in een trigonale, romboëdrische structuur en is relatief zacht: op de hardheidsschaal van Mohs scoort het een 3, veel zachter dan bijvoorbeeld kwarts.
De technologie die nu volop in ontwikkeling is, heet mineralisatie van CO2 of in-situ carbonatatie. Het proces verloopt in een paar stappen. Eerst wordt CO2 afgevangen, uit de lucht (direct air capture) of uit een industriële uitstoot. Vervolgens wordt dat CO2 opgelost in grote hoeveelheden water, ongeveer zoals in bruisend mineraalwater. Dat koolzuurwater wordt onder druk diep de grond in gepompt, in gesteentelagen die veel calcium, magnesium of ijzer bevatten, zoals basalt of peridotiet. In de poriën van dat gesteente reageert het opgeloste CO2 met de mineralen in de rots en vormt het nieuwe, vaste carbonaatmineralen, waarvan calciet de bekendste is.
Het bijzondere is de snelheid. Lange tijd dachten geologen dat zulke reacties duizenden jaren zouden duren. Onderzoek in IJsland liet echter zien dat het merendeel van het geïnjecteerde CO2 al binnen ongeveer twee jaar in vaste mineralen verandert, veel sneller dan verwacht. Dat maakt de methode aantrekkelijk als alternatief voor het opslaan van CO2 als gas in lege gasvelden, waarbij altijd het risico bestaat dat het gas via scheuren weer ontsnapt.
Een verwante toepassing werkt op kleinere schaal: zelfhelend beton. Daarin worden sporen (een soort rustende cellen) van bepaalde bacteriën, zoals Bacillus-soorten, samen met een voedingsstof in het beton gemengd. Zolang het beton intact is, gebeurt er niets. Ontstaat er een scheurtje en dringt er water binnen, dan "ontwaken" de bacteriën, verteren ze hun voedingsstof en produceren ze als bijproduct calciet, dat de scheur van binnenuit dichtvult.
Wat wil men ermee bereiken?
Het hoofddoel van CO2-mineralisatie is klimaatverandering afremmen door kooldioxide blijvend uit de atmosfeer te halen. In tegenstelling tot bomen planten, die CO2 opslaan zolang het bos blijft staan, belooft mineralisatie een opslag die praktisch onomkeerbaar is: eenmaal calciet geworden, komt de koolstof er niet meer uit zonder de rots letterlijk te smelten.
Dat is relevant omdat het terugdringen van uitstoot alleen waarschijnlijk niet genoeg is om de klimaatdoelen te halen. Internationale klimaatpanels, waaronder het IPCC, rekenen in hun scenario's op een aanzienlijke hoeveelheid "negatieve emissies", CO2 die actief uit de lucht wordt gehaald en opgeslagen. Mineralisatie is een van de manieren om dat permanent en met relatief weinig risico te doen, in vergelijking met bijvoorbeeld ondergrondse gasopslag.
Bij zelfhelend beton ligt het doel anders: beton is wereldwijd verantwoordelijk voor een fors deel van de industriële CO2-uitstoot, onder meer door de productie van cement. Door scheuren automatisch te laten dichtgroeien, gaat beton langer mee en is er minder onderhoud, reparatie en nieuw beton nodig, wat indirect uitstoot bespaart.
Voorbeelden uit de praktijk
CarbFix (IJsland, sinds 2012) is het bekendste project. Bij de geothermische centrale Hellisheiði, een samenwerking van het IJslandse energiebedrijf Reykjavik Energy/ON Power en de Universiteit van IJsland, wordt CO2 opgelost in water en in basaltgesteente gepompt. Een wetenschappelijke doorbraakstudie uit 2016 liet zien dat meer dan 95 procent van het geïnjecteerde CO2 binnen twee jaar in calciet was omgezet.
Climeworks Orca en Mammoth (IJsland, 2021 en 2024) combineren directe luchtafvang met CarbFix-opslag. Orca, geopend in 2021, was destijds de grootste fabriek ter wereld die CO2 rechtstreeks uit de lucht filtert, met een capaciteit in de orde van enkele duizenden ton per jaar. De opvolger Mammoth, die begin 2024 in gebruik werd genomen, is aanzienlijk groter opgezet, al blijft de daadwerkelijk gerealiseerde hoeveelheid vooralsnog ver onder de geplande volledige capaciteit, wat illustreert hoe lastig opschalen in de praktijk is.
44.01 (Oman en de Verenigde Arabische Emiraten) gebruikt hetzelfde principe, maar dan in peridotiet, een gesteente dat van nature zeer rijk is aan het mineraal olivijn en daardoor extra reactief is met CO2. Het bedrijf, opgericht rond 2021, won internationale erkenning, onder meer met de Earthshot Prize in 2022, voor zijn aanpak om dit gesteente in te zetten als natuurlijke CO2-spons.
Project Vesta (Verenigde Staten) onderzoekt een variant die "enhanced weathering" heet: verpulverd olivijnzand wordt op stranden verspreid, waar golven het gesteente sneller laten verweren dan in de natuur en het zo CO2 uit zeewater en lucht bindt. Het project loopt onder meer via pilotstranden in de VS en bevindt zich nog in een onderzoeksfase.
Zelfhelend beton (TU Delft) is ontwikkeld door microbioloog Henk Jonkers, die rond 2010-2015 aantoonde dat kalkproducerende bacteriën scheuren tot enkele millimeters breed konden dichten. De technologie is sindsdien verder gecommercialiseerd door een spin-off en wordt in beperkte, vooral experimentele bouwprojecten toegepast.
Hoe ver is de techniek?
CO2-mineralisatie is wetenschappelijk goed onderbouwd en werkt aantoonbaar op locaties zoals IJsland en Oman, waar het juiste basalt- of peridotietgesteente aanwezig is. Dat is meteen ook de grootste beperking: niet overal ter wereld ligt geschikt gesteente dicht genoeg bij het oppervlak, wat de methode geografisch afhankelijk maakt.
De kosten zijn nog altijd hoog. Directe luchtafvang gecombineerd met mineralisatie kost momenteel naar schatting enkele honderden tot ruim duizend dollar per ton CO2, terwijl klimaatdoelen vragen om kosten die uiteindelijk richting honderd dollar per ton zakken. Ook het benodigde water is een aandachtspunt: mineralisatie vraagt relatief veel zoet of zeewater per ton opgeslagen CO2.
Opschalen blijkt in de praktijk trager te gaan dan aangekondigd, zoals bij Mammoth te zien is. De totale hoeveelheid CO2 die wereldwijd via mineralisatie is opgeslagen, is nog beperkt in vergelijking met de miljarden tonnen die jaarlijks worden uitgestoten: het gaat vooralsnog om tienduizenden tot enkele honderdduizenden tonnen per jaar, geen substantieel deel van het klimaatprobleem.
Zelfhelend beton met calciet-bacteriën is technisch bewezen op laboratorium- en pilotschaal, maar grootschalige, reguliere toepassing in de bouw is er nog niet. Kosten, langetermijnbetrouwbaarheid en gebrek aan bouwnormen die met deze technologie rekening houden, remmen de opmars.
Wie werken eraan?
IJsland speelt een voortrekkersrol via CarbFix, met de Universiteit van IJsland en energiebedrijf ON Power/Reykjavik Energy als kern, en internationale wetenschappelijke partners zoals het Franse CNRS en de Columbia-universiteit (Lamont-Doherty Earth Observatory) in de VS. Het Zwitserse bedrijf Climeworks is de belangrijkste partner voor de directe luchtafvang die aan CarbFix-opslag wordt gekoppeld.
44.01, met activiteiten in Oman en de Verenigde Arabische Emiraten, richt zich op mineralisatie in peridotiet en werkt samen met lokale overheden en internationale klimaatfondsen. In de Verenigde Staten onderzoekt Project Vesta verweringstechnieken op stranden.
Op het gebied van zelfhelend beton is de TU Delft in Nederland internationaal toonaangevend, met onderzoek dat via een spin-off bedrijf richting de bouwpraktijk wordt gebracht. Daarnaast houden internationale klimaatorganisaties zoals het IPCC de ontwikkeling van mineralisatie als vorm van CO2-verwijdering nauwlettend bij in hun rapportages over klimaatscenario's.