Staalslak: hoe een afvalproduct van de staalindustrie CO2 uit de lucht kan halen
Staalslak is het steenachtige restproduct dat overblijft als ruw ijzer in een hoogoven of converter wordt omgezet in staal. Het lijkt op grof grind of lavasteen en werd decennia lang vooral gezien als bouwafval: prima als funderingsmateriaal onder wegen, maar verder weinig bijzonders. De laatste jaren is dat beeld aan het kantelen, want scheikundig gezien is staalslak eigenlijk een verkapt spons voor kooldioxide (CO2), het broeikasgas dat verantwoordelijk is voor een groot deel van de opwarming van de aarde.
Het idee is verrassend eenvoudig, ook al is de uitvoering dat niet: staalslak bevat veel calciumoxide en magnesiumoxide, dezelfde stoffen die ook in kalk en in bepaald vulkanisch gesteente zitten. Deze stoffen reageren spontaan met CO2 tot vaste, stabiele mineralen zoals kalksteen (calciumcarbonaat). Waar bij natuurlijke gesteenten dit proces duizenden tot miljoenen jaren duurt, gaat het bij staalslak veel sneller, omdat het door het snelle afkoelen tijdens de productie een losse, reactieve structuur heeft. Onderzoekers proberen dit natuurlijke proces te versnellen en op industriële schaal in te zetten om CO2 permanent op te slaan, in bouwmaterialen te verwerken, of zelfs de verzuring van de oceaan tegen te gaan.
Wat is het precies?
Bij de productie van staal wordt ijzererts gesmolten en gezuiverd tot ruwijzer, en vervolgens in een converter of oven omgezet in staal. Om onzuiverheden zoals silicium, fosfor en zwavel te binden, voegen staalfabrieken kalk toe. Het mengsel van deze onzuiverheden en de toegevoegde kalk drijft als een vloeibare laag boven op het vloeibare staal en wordt er na afloop van afgeschept. Zodra dit materiaal afkoelt en stolt, heet het staalslak.
Chemisch bestaat staalslak voor een aanzienlijk deel uit calciumoxide (CaO) en magnesiumoxide (MgO), met daarnaast ijzer-, aluminium- en siliciumverbindingen. Calcium- en magnesiumoxide zijn zogeheten alkalische stoffen: ze reageren graag met zuren, en CO2 vormt in combinatie met water een licht zuur. Wanneer staalslak in contact komt met CO2, ontstaat een reactie die carbonatie of mineralisatie heet: het CO2-molecuul wordt letterlijk ingebouwd in een nieuw, vast mineraal, calciumcarbonaat of magnesiumcarbonaat. Dat mineraal is stabiel en blijft dat, in principe, voor honderden tot duizenden jaren.
Er zijn grofweg drie manieren waarop onderzoekers en bedrijven dit proces benutten. De eerste is het versneld laten reageren van fijngemalen staalslak met geconcentreerd CO2 onder gecontroleerde omstandigheden, bijvoorbeeld met stoom en druk in een fabriek, waarbij tegelijk een bruikbaar bouwmateriaal ontstaat. De tweede is het verspreiden van fijngemalen staalslak over land of langs kustlijnen, zodat het CO2 uit de lucht of uit zeewater langzaam opneemt; dit heet versnelde verwering (enhanced weathering). De derde is het toevoegen van staalslak aan zeewater om de alkaliniteit te verhogen, waardoor de oceaan meer CO2 uit de atmosfeer kan opnemen zonder verder te verzuren, een aanpak die bekendstaat als ocean alkalinity enhancement.
Wat wil men ermee bereiken?
De staalindustrie is wereldwijd verantwoordelijk voor ongeveer zeven tot acht procent van alle CO2-uitstoot, vooral omdat er veel fossiele brandstof nodig is om ijzererts te smelten. Diezelfde industrie produceert jaarlijks honderden miljoenen tonnen staalslak als bijproduct. Het idee om dat afvalproduct in te zetten om CO2 vast te leggen heeft dan ook een dubbele aantrekkingskracht: het maakt nuttig gebruik van een reststroom, en het draagt bij aan het compenseren van de uitstoot die diezelfde industrie zelf veroorzaakt.
Daarnaast is er een breder klimaatdoel. Het terugdringen van uitstoot alleen is volgens de meeste klimaatwetenschappers niet genoeg om de opwarming van de aarde onder controle te houden; er zal ook CO2 actief uit de atmosfeer gehaald moeten worden. Dit heet negatieve emissies of koolstofverwijdering. Staalslak wordt gezien als een relatief goedkope en snel beschikbare grondstof voor zulke technieken, omdat het al bestaat als afvalstroom en niet apart hoeft te worden gewonnen zoals bijvoorbeeld basalt of olivijn, die ook voor versnelde verwering worden gebruikt.
Een derde doel is het maken van klimaatvriendelijker bouwmateriaal. Cementproductie is zelf een grote CO2-bron; als staalslak met CO2 kan worden omgezet in stevige bouwstenen, ontstaat een product dat CO2 opslaat in plaats van uitstoot, en dat tegelijk cement kan vervangen.
Voorbeelden uit de praktijk
Carbstone Innovation (België) is een van de bekendste toepassingen. Dit bedrijf, een samenspel van het Vlaamse onderzoeksinstituut VITO en staalslakverwerker Orbix, ontwikkelde een technologie waarbij fijngemalen staalslak onder stoom en lichte druk reageert met CO2 tot harde bouwblokken, zonder dat daar cement aan te pas komt. De eerste proeffabriek draaide al in de jaren 2010; sindsdien wordt gewerkt aan opschaling naar commerciële productie.
Onderzoek aan de University of Sheffield (Verenigd Koninkrijk) richt zich op het verspreiden van staalslak langs kustlijnen en stranden, waar golfwerking het materiaal fijnmaalt en versneld laat reageren met zeewater. Wetenschappers als Rachael James hebben hierover gepubliceerd en onderzoeken hoeveel CO2 op deze manier realistisch kan worden vastgelegd, en wat de effecten zijn op het lokale zeewater.
Tata Steel, met een grote vestiging in IJmuiden, produceert zelf grote hoeveelheden staalslak en is betrokken bij Nederlands onderzoek naar de vraag of dit materiaal, naast de huidige toepassing in wegfunderingen, ook actief kan worden ingezet voor CO2-mineralisatie. Nederlandse kennisinstellingen zoals TNO doen onderzoek naar de haalbaarheid van dit soort mineralisatietechnieken.
Er lopen daarnaast diverse kleinere pilotprojecten en laboratoriumstudies bij universiteiten in onder meer Duitsland, Canada en de Verenigde Staten, waarbij staalslak wordt vergeleken met andere reactieve gesteenten zoals olivijn en basalt, bekend van bijvoorbeeld het Amerikaanse Project Vesta. Staalslak wordt in deze vergelijkingen vaak gunstig beoordeeld omdat het sneller reageert dan de meeste natuurlijke gesteenten.
Hoe ver is de techniek?
De chemische basis van carbonatie van staalslak is goed begrepen en al decennia bekend uit de mineralogie. Wat nog volop in ontwikkeling is, is de opschaling: hoe krijg je dit proces snel, goedkoop en betrouwbaar genoeg om een merkbaar deel van de wereldwijde CO2-uitstoot te compenseren.
Bij de bouwblokken-toepassing, zoals van Carbstone, is de techniek het verst gevorderd: er bestaan werkende proefinstallaties en het proces is in principe klaar voor verdere opschaling, al blijft de omvang tot nu toe bescheiden vergeleken met de totale bouwmaterialenmarkt. Bij versnelde verwering op land en langs kusten, en bij verrijking van zeewater, bevindt het onderzoek zich grotendeels nog in de fase van veldproeven en modellering. Belangrijke openstaande vragen zijn hoeveel CO2 er in de praktijk, buiten het laboratorium, daadwerkelijk wordt vastgelegd, hoe dat op grote schaal betrouwbaar te meten is, en wat de mogelijke effecten zijn op bodem- of waterleven, bijvoorbeeld door sporenmetalen die in staalslak kunnen voorkomen.
Een ander obstakel is simpelweg volume: hoewel er wereldwijd veel staalslak vrijkomt, is de hoeveelheid CO2 die de mensheid moet verwijderen om klimaatdoelen te halen enorm. Staalslak kan daarom hooguit een van de vele puzzelstukjes zijn, niet een alleenstaande oplossing. Onafhankelijke, gecontroleerde metingen van de werkelijke CO2-opname in veldomstandigheden zijn nog schaars, wat het lastig maakt om nu al harde uitspraken te doen over hoeveel klimaatwinst deze aanpak concreet oplevert.
Wie werken eraan?
In België zijn VITO (Vlaamse Instelling voor Technologisch Onderzoek) en het bedrijf Orbix, samen via het spin-offbedrijf Carbstone Innovation, voortrekkers op het gebied van staalslak-bouwmaterialen. In Nederland doet onderzoeksinstituut TNO onderzoek naar CO2-mineralisatie, met staalproducent Tata Steel als relevante partij vanwege de beschikbaarheid van staalslak. In het Verenigd Koninkrijk onderzoekt de University of Sheffield de toepassing langs kustlijnen. Daarnaast zijn diverse universiteiten en onderzoeksgroepen in onder meer Duitsland, Canada en de Verenigde Staten actief met vergelijkende studies naar staalslak versus andere mineralen voor versnelde verwering. Grote staalproducenten wereldwijd, zoals ArcelorMittal, volgen dit onderzoeksveld eveneens, al is publiek weinig bekend over de precieze omvang van hun eigen onderzoeksinspanningen op dit specifieke onderdeel.