Duurzaamheid
Cementmateriaal uit zeewater extraheren terwijl koolstof wordt vastgelegd
Beton is een essentieel materiaal in de moderne wereld, waarbij zand en cement eigenlijk tot de grootste materiaalproductie ter wereld behoren qua volume en gewicht.
Bron: Visual Capitalist
De productie van cement is ook een zeer energie‑intensieve activiteit. Ze wordt bijna uitsluitend aangedreven door fossiele brandstoffen, wat ervoor zorgt dat de cementproductie verantwoordelijk is voor 8 % van de wereldwijde CO₂‑emissies.
Dit kan worden vergeleken met de CO₂‑emissies van auto’s en bestelwagens, die verantwoordelijk zijn voor 10 % van de totale wereldwijde emissies. Het duurzamer maken van beton zou dus evenveel impact hebben als alle auto’s ter wereld omzetten naar elektrische voertuigen en ze uitsluitend van groene energie laten voorzien.
Een groot deel van de koolstofemissies van cementproductie komt voort uit het delven, breken, verwerken en zuiveren van de grondstoffen die daarvoor worden gebruikt. Net als kalksteen worden kalkrijke gesteenten (CaCO₃) gedolven en gemengd met klei om de grondstof te verkrijgen die uiteindelijk beton wordt.
Er is mogelijk een andere bron van calciumcarbonaat op aarde, namelijk zeewater. De oceanen bevatten veel opgeloste mineralen, uiteraard keukenzout (natrium‑ en chloorionen), maar ook magnesium, calcium, kalium en zelfs metalen, met met name uranium, dat op een dag uit de oceanen in plaats van uit uraniumgroeven kan worden gewonnen. Opgeloste CO₂ in de vorm van carbonaationen is eveneens overvloedig aanwezig in de oceanen, waardoor ze een van de krachtigste koolstofputten van de aarde vormen.
Wetenschappers van Northwestern University en CEMEX Innovation Holding AG (Zwitserland) onderzoeken nu of ze deze zeebron kunnen benutten om de grondstof voor beton te produceren terwijl ze CO₂ vastleggen in plaats van uitstoten. Ze publiceerden hun experimentele resultaten in Advanced Sustainable Systems1, onder de titel “Elektrodepositie van koolstofvangende mineralen in zeewater voor variabele elektrochemische potentialen en koolstofdioxide‑injecties”.
Waterelektrolyse
Water (H2O) kan worden afgebroken tot zijn bestanddelen waterstof en zuurstof door een krachtige elektrische stroom toe te passen, meestal met een soort katalysator om de snelheid en efficiëntie van de elektrochemische reactie te verbeteren. Dit vormt de basis van groene waterstofproductie, waarbij de elektriciteit afkomstig is van hernieuwbare bronnen.
Echter, bij het uitvoeren van deze procedure met niet‑zuiver water, en nog meer met zeewater, reageert de elektrolyse ook met de mineralen die in het water zijn opgelost.
Dit is over het algemeen een ongewenste reactie, omdat het afzettingen op de elektroden kan veroorzaken en energie afleidt van het beoogde doel, namelijk de productie van waterstof.
Het aanpassen van de elektrolyse‑omstandigheden kan deze ongewenste bijproductreactie echter omzetten in een waardevolle nieuwe manier om calciumcarbonaat te produceren.
Cementproductie uit Zeewater
Onbeperkte Voorraad
Dit is niet per se een nieuw idee, aangezien CaCO₃ en magnesium uit zeewater tal van toepassingen hebben in de bouw-, productie‑ en milieusaneringsectoren, waaronder de productie van beton, cement, pleisters, verf en vulstoffen.
Aangezien de uitgestrekte oceanen die de aarde bedekken praktisch een onbeperkte voorraad van dit materiaal zouden leveren, wordt dit beschouwd als de meest duurzame potentiële bron van deze materialen.
Tot nu toe heeft het verkennen van de elektroreductie van deze mineralen nog geen haalbare manier opgeleverd om hun productie uit zeewater economisch rendabel te maken. Hier voegden de onderzoekers van Northwestern University een cruciale extra stap toe: het toevoegen van CO₂ aan het proces.
CO₂ Injecteren in Zeewater
Omdat zeewater een complexe mix van vele mineralen is, treedt er bij elektrolyse een wirwar van elektrochemische processen op, variërend van neerslag van calcium‑ en magnesiumionen tot de vorming van gips uit sulfaten, de generatie van chloor‑ en waterstofgas, evenals een verandering in zuurgraad rond elke elektrode.
De injectie van CO₂ voegt extra complexiteit toe doordat het de pH van het zeewater verlaagt. De pH‑daling door CO₂ wordt gedeeltelijk gecompenseerd door de productie van OH⁻‑ionen via de elektrische energie.
De oplossing of neerslag van calciumcarbonaat is zelf afhankelijk van de zuurgraad van het water. Dit fenomeen baart wetenschappers zorgen, omdat naarmate de atmosfeer rijker wordt aan CO₂, de oceanen zuurder worden.
Als de elektrische stroom sterk genoeg is, en dus de productie van OH⁻‑ionen, kan deze hoog genoeg zijn om de pH boven 8,5 te houden.
Bij deze zuurgraad vangen de chemische reacties het CO₂ op en zetten het om in opgeloste bicarbonaationen (HCO₃⁻).
Deze bicarbonaationen reageren vervolgens met calcium en neerslaan tot calciumcarbonaat, het basismateriaal voor betonproductie.
Optimalisatie van Koolstofvastlegging
In dit type reactie zou de productie van calciumcarbonaat dat bruikbaar is voor de cementindustrie het geïnjecteerde CO₂ vastleggen in plaats van CO₂ in de atmosfeer uit te stoten.
Voor elk gegeven vermogensniveau bestaat er een optimale doorstroomsnelheid van geïnjecteerd CO₂ die de verbruikte energie minimaliseert terwijl de opbrengst van de mineralenproductie wordt gemaximaliseerd. Een concentratie van 0,30 sccm CO₂ bleek dit optimale punt te zijn, waarbij zelfs bij een lager vermogensniveau een grote massa mineralen neerslaat.
Een Bruikbare Afzetting Creëren
Een probleem bij het omzetten van dit concept naar industriële toepassing is hetzelfde probleem dat optreedt bij calciumcarbonaat‑neerslag tijdens waterstofproductie via elektrolyse.
Meestal zal het calciumafzetting het oppervlak van de elektrode verstoppen, waardoor het gehele systeem wordt beschadigd en na verloop van tijd minder efficiënt wordt.
Echter, de hogere vermogensniveaus die in dit experiment werden gebruikt, in combinatie met CO₂‑injectie, veroorzaakten extra reacties waardoor het neergeslagen calciumcarbonaat van de elektrode loskwam.
Al met al zou deze methode het carbonaat kunnen produceren op een manier die het gemakkelijk maakt om het als een minerale afzetting op de bodem van de tank te verzamelen, zonder de elektrode te verstoppen.
Minerale Kristallen Groeien
Afhankelijk van de omstandigheden vormen zich verschillende minerale aggregaten met verschillende kristalstructuren, met name calciumcarbonaatkristallen (calciet en aragoniet) en magnesiumkristallen (bruciet).
Over het algemeen kan het resulterende materiaal bestaan uit kristallen van enkele centimeters lengte (1‑2 inch) en is het bovendien zeer poreus.
De samenstelling, porositeit en grootte van de met de voorgestelde methode gesynthetiseerde aggregaten voldoen aan de huidige normen voor gebruik in materialen zoals beton.
Conclusie
Al met al bewijst deze publicatie dat de productie van koolstofnegatief cementmateriaal niet alleen een theoretische mogelijkheid is, maar een haalbare optie wanneer koolstofinjectie wordt toegepast tijdens de elektrolyse van zeewater.
Andere kritieke parameters, zoals hardheid en slijtvastheid, moeten nog worden onderzocht om volledig te bevestigen dat het resulterende materiaal bruikbaar is voor bouwprojecten.
Dit proces is van nature schaalbaar, zonder duidelijke beperkingen door zeldzame materiaalbeschikbaarheid, buitensporig energieverbruik of lage opbrengsten.
Door zich een netwerk van onderling verbonden, schaalbare reactoren voor te stellen, heeft deze aanpak het potentieel om op industriële schaal te worden ingezet en geïntegreerd met bestaande infrastructuur, zoals kustindustriële faciliteiten.
Verdere vooruitgang in het reactorontwerp zou de algehele economische en energie‑efficiëntie moeten verbeteren, bijvoorbeeld door de elektrode‑geometrie, materialen en stromingsdynamiek te optimaliseren.
Uiteindelijk zou het water waaruit het calciumcarbonaat is geëxtraheerd ook een interessant materiaal kunnen zijn voor een tweede stap van waterstofproductie uit zeewater, aangezien de lagere ionenconcentratie zou moeten helpen de problemen met minerale afzettingen op de elektrode te verminderen.
Investeren in Duurzaam Cement
CRH Plc
(CRH )
Als een van ‘s werelds leiders in cementproductie zal CRH een cruciale rol spelen bij het verduurzamen van de cementbouw. Het is nummer één in het totale volume van geleverde bouwmaterialen in zowel de VS‑ als de Europese markten.
Het bedrijf is actief in 28 landen en 3.390 vestigingen, met 78.500 werknemers, waarbij CRH Americas 65 % van de wereldwijde omzet genereert.
Bron: CRH
Het bedrijf verwacht dat de stevige uitgaven van westerse overheden aan infrastructuur zijn bedrijfsvoering zullen stimuleren. De trends van re‑industrialisatie en het terughalen van high‑tech productie naar eigen land zouden eveneens moeten bijdragen.
Duurzaamheid
CRH heeft aanzienlijke vooruitgang geboekt op het gebied van duurzaamheid met een reeks initiatieven:
- Het is de grootste recycler in Noord‑America, met 43,9 miljoen ton afval en bijproducten uit andere industrieën die in 2023 zijn gerecycled.
- Het heeft zijn CO₂‑emissies in 2023 met 8 % verminderd, dankzij het gebruik van 36 % alternatieve brandstoffen in zijn cementfabrieken.
- Het streeft naar een emissiereductie van 30 % tegen 2030 (vergeleken met de emissies van 2021).
Dit is op zich lovenswaardig, maar kan worden gezien als te weinig, te laat.
Gelukkig is CRH ook een drijvende kracht achter meer fundamentele veranderingen in de sector. Met name heeft het $75 miljoen geïnvesteerd in het low‑carbon cementbedrijf Sublime, samen met de Europese betonreus Holcim.
Sublime Systems werd in 2020 afgetakt van MIT om een elektrolyser te gebruiken voor de productie van cement bij kamertemperatuur, waardoor energie‑ en fossiele‑brandstofintensieve ovens worden vervangen. Het maakt ook het gebruik van calciumbronnen als grondstof mogelijk, waardoor de CO₂‑uitstoot bij het gebruik van kalksteen wordt vermeden.
De eerste commerciële faciliteit van Sublime in Holyoke, Massachusetts, zou al in 2026 kunnen openen. Als het succesvol blijkt, zou het een echte game‑changer voor de cementindustrie kunnen zijn en de weg kunnen vrijmaken voor schaalbare, lage‑emissie beton.
“Sublime is een disruptieve kracht in cementproductie. De unieke technologie doorkruist het volledige productieproces, van het gebruik van schone elektriciteit tot koolstofvrije grondstoffen. We zijn enthousiast over het potentieel en verheugd om samen te werken om het op schaal op de markt te brengen. Deze investering sluit volledig aan bij de strategie van Holcim om de decarbonisatie van de bouw te versnellen door de meest innovatieve technologieën op te schalen.”
Officer Nollaig Forrest – Hoofd Duurzaamheid van Holcim
CRH heeft ook geïnvesteerd in andere decarbonisatie‑ en duurzaamheids‑startups:
- €23,7 miljoen in Cool Planet Technologies, die koolstofafvangoplossingen ontwikkelen voor industrieën die traditioneel moeilijk te decarboniseren zijn.
- $34,7 miljoen van CRH en andere investeerders in Carbon Upcycling Technologies, die een volledig elektrische mineralisatie‑oplossing gebruiken om CO₂ permanent op te slaan in industriële bijproducten en mineralen, zoals cement, kunststoffen, consumentenproducten, meststoffen en farmaceutica.
- AICrete, een ‘recept‑als‑een‑service’-platform dat samenwerkt met lokale betonproducenten, lokale materialen optimaliseert en de hoeveelheid cement die wordt gebruikt vermindert met behulp van AI‑analyses, waardoor zowel de CO₂‑voetafdruk als de kosten van betonproductie worden verlaagd.
- FIDO AI’s Series‑B‑financiering is een startup die AI gebruikt om het waterverbruik te verminderen en waterbesparing te vergroten.
Al met al is CRH een winstgevende leider in de betonindustrie en bereidt zich zeer actief voor op de decarbonisatie van de sector, zowel direct in bestaande faciliteiten als door een belangrijke kapitaalverstrekker te zijn voor innovatieve startups die de volgende generatie cement‑ en betonproductietechnologieën creëren.
Laatste over CHR
Gerefereerde Studies:
1. Devi, N., Gong, X., Shoji, D., Wagner, A., Guerini, A., Zampini, D., Lopez, J., & Rotta Loria, A. F. (2025). Elektrodepositie van koolstof‑vangende mineralen in zeewater voor variabele elektrochemische potentialen en koolstofdioxide‑injecties. Advanced Sustainable Systems, 9(3), 2400943. https://doi.org/10.1002/adsu.202400943
