Koolstofvastlegging – Zijn de Oceaandiepten een Werkbare Oplossing?

Koolstofdioxide (CO2) is een belangrijk en het meest geproduceerde broeikasgas dat helpt warmte in onze atmosfeer vast te houden. Dit warmtevasthoudende gas ontstaat door zowel menselijke als natuurlijke activiteiten. 

Natuurlijke bronnen omvatten processen zoals vulkaanuitbarstingen en dieren die koolstofdioxide uitademen als afvalproduct. Ondertussen omvatten menselijke activiteiten die leiden tot CO2‑emissies bosbranden en energieproductie die de winning en verbranding van fossiele brandstoffen zoals aardgas, olie en steenkool omvat. Ongeveer 45 % van de door mensen uitgestoten CO2 blijft daadwerkelijk in de atmosfeer, wat aanzienlijk bijdraagt aan de opwarming van de aarde. 

Zonder koolstofdioxide zou planeet Aarde extreem koud zijn, waardoor hij onbewoonbaar zou worden. Dat gezegd hebbende, de verhoogde concentratie van dit gas in onze atmosfeer veroorzaakt nu een stijging van de gemiddelde wereldtemperaturen.

In 2019 heeft de VS alleen 5.130 miljoen metrische ton energie‑gerelateerde CO2 uitgestoten, terwijl de wereldwijde emissies zijn geweest 33.621,5 miljoen metrische ton, volgens de schattingen van de US Energy (BSIN ) Information Administration.

Bijgevolg groeit de belangstelling voor koolstofvastlegging, een proces dat atmosferische koolstofdioxide opvangt en opslaat. Deze benadering heeft als doel de CO2‑concentratie in de atmosfeer te verlagen en de wereldwijde klimaatverandering te mitigeren.

Inspanningen om dit doel te ondersteunen omvatten de overgang naar schone energiesystemen en het decarboniseren van sectoren met hoge emissies, zoals transport en bouw. Onder deze initiatieven springt koolstofvastlegging er met name uit als een collaboratieve methode met de natuurlijke omgeving om klimaatverandering aan te pakken.

Koolstofvastlegging is een sleutelmethodiek voor het verwijderen van koolstof uit de atmosfeer van de aarde, met de nadruk op permanente opslag van CO2. Dit proces kan op twee manieren plaatsvinden: biologisch en geologisch.

Geologische koolstofvastlegging omvat het opslaan van CO2 in ondergrondse formaties. Volgens de 2013 landelijke beoordeling van geologische koolstofvastlegging door de United States Geological Survey (USGS) is er een geschatte gemiddelde opslagcapaciteit van 3.000 metrische gigaton koolstofdioxide. Volgens de beoordeling van de organisatie heeft de regio Coastal Plains, inclusief kustbekkens van Texas tot Georgia, de grootste opslagpotentie voor CO2.

Een van de manieren waarop dit wordt gedaan is via de productie van grafeen, waarvoor CO2 als grondstof nodig is. Grafeen is een licht, flexibel materiaal met een zeer hoge weerstand, wat het nuttig maakt in de bouw, energie, elektronica en gezondheidssectoren.

Daarna zijn er engineering‑moleculen, waarvan de vorm wordt veranderd om nieuwe verbindingen te vormen door CO2 uit de lucht op te vangen. Carbon Capture and Storage (CCS) omvat ondertussen het opvangen van CO2 die door industriële activiteiten wordt geproduceerd, het comprimeren en transporteren naar diepe ondergrondse faciliteiten, en uiteindelijk het injecteren in rotsformaties voor permanente opslag. 

Het injecteren van koolstofdioxide in ondergrondse reservoirs biedt het voordeel van een verhoogde olieproductie. Deze methode kent echter ook nadelen. Problemen zoals migratie en lekken van CO2, verontreiniging van grondwater en seismische risico’s die gepaard gaan met injectie kunnen zich voordoen. Bovendien ontbreken in veel delen van de wereld geschikte geologische kenmerken voor reservoirinjectie.

Biologische koolstofvastlegging wordt een ‘indirecte’ of passieve vorm van vastlegging genoemd. In deze methode wordt CO2 opgeslagen in de natuurlijke omgeving in wat ‘koolstofputten’ worden genoemd, zoals bodem, bossen, graslanden, oceanen en andere waterlichamen. 

Bossen worden eigenlijk beschouwd als een van de beste vormen van natuurlijke koolstofvastlegging. Tenslotte slaan bossen gemiddeld twee keer zoveel koolstof op als ze uitstoten. Tijdens fotosynthese bindt CO2 zich aan planten en wordt het omgezet in zuurstof. Naar schatting wordt een kwart van de wereldwijde CO2‑emissies naast bossen vastgelegd in andere vegetatieve vormen, zoals graslanden, velden, prairie’s etc.

Wat bodem betreft: CO2 wordt vastgelegd en opgeslagen als carbonaten, die zich over duizenden jaren ophopen wanneer ze combineren met elementen zoals calcium. Hoewel CO2 uiteindelijk weer uit de aarde vrijkomt, duurt dit proces duizenden jaren.

In aquatische omgevingen, inclusief grote waterlichamen, is dit goed voor een kwart van de CO2 die uit de atmosfeer van de aarde wordt verwijderd. Het zijn voornamelijk de bovenste lagen van oceanen die koolstof opslaan, maar overmatige hoeveelheden kunnen leiden tot verzuring van het water en nadelige effecten op de biodiversiteit.

Een groeiende focus nu ligt op het ontwikkelen van technologie die koolstofvastlegging op massale schaal mogelijk maakt.

Klik hier voor een lijst van top‑biotechbedrijven die werken aan een oplossing voor de plaag van de wereldwijde opwarming.

Ultrasnelle Methode voor Koolstofvastlegging

Onderzoekers van de University of Texas at Austin hebben een nieuwe en extreem snelle manier gevonden om de koolstof die uit de atmosfeer wordt opgevangen op te slaan. Niet alleen is het sneller dan conventionele methoden, maar het gebeurt ook zonder de schadelijke chemische versnellers die bij conventionele methoden of mechanische agitatie nodig zijn.

Gepubliceerd in ACS Sustainable Chemistry & Engineering, heeft het nieuwe onderzoek een techniek ontwikkeld voor ultrasnelle vorming van koolstofdioxide‑hydrates. Deze materialen zijn uniek en ijsachtig en kunnen CO2 in de oceaan begraven en hun vrijgave in de atmosfeer voorkomen. ​

“We staan voor een enorme uitdaging — een manier vinden om veilig gigatonnen koolstof uit onze atmosfeer te verwijderen — en hydraten bieden een universele oplossing voor koolstofopslag. Om een belangrijk deel van de koolstofopslag‑taart te vormen, moeten we de technologie laten groeien die ze snel en op schaal produceert.” 

– Vaibhav Bahadur, professor in de Walker Department of Mechanical Engineering

Het onderzoek toont aan dat hydraten snel kunnen worden gekweekt zonder het gebruik van enige chemicaliën die de milieuvoordelen van koolstofopvang neutraliseren. Bovendien ziet het team dit als een zeer effectieve manier voor gigascale koolstofopslag. En als enkele knelpunten en problemen kunnen worden overwonnen, kunnen hydraten een voorkeursmethode worden om koolstof op te vangen en op te slaan.

Het team merkte op dat het creëren van deze hydraten om koolstof op te vangen niet alleen een traag proces was, maar ook energie‑intensief, wat deze tot nu toe heeft weerhouden van populariteit als grootschalige koolstofopslag, tot nu toe.

In de nieuwe studie slaagden de onderzoekers erin een zesvoudige toename te realiseren in de hydrate‑vormingssnelheid vergeleken met eerdere methoden. De hoge snelheid van het proces gecombineerd met het feit dat het geen chemicaliën vereist maakt hydraten geschikt voor grootschalige koolstofopslag.

Maar wat feitelijk de noodzaak voor chemicaliën elimineert, en daardoor verbeterde absorptie, energie‑efficiëntie en kosteneffectiviteit mogelijk maakt, is magnesium, dat de ‘geheime saus’ van het onderzoek was.

Magnesium (Mg), een glanzend grijs metaal met lage dichtheid, laag smeltpunt en hoge chemische reactiviteit, komt van nature voor in combinatie met andere elementen. Het metaal fungeert hier als een trigger die de noodzaak voor chemische agentia wegneemt. De toevoeging van magnesium wordt ondersteund door het bubbelen van koolstofdioxide met een hoge doorstroomsnelheid in een specifieke reactorconfiguratie. De reactor‑druk is hier de primaire factor voor de vastleggingssnelheid.

Dus, de verbetering in de CO2‑vastleggingssnelheid, gebaseerd op netto gasverbruik, komt voort uit de hoge doorstroomsnelheid van constante gas‑in‑ en -uitvoer in aanwezigheid van magnesium. Deze methode verhoogt de groeisnelheid door continu de gas‑water‑hydrate‑interface te vernieuwen.

Wat de technologie gemakkelijker implementeerbaar maakt, is dat ze goed werkt met zeewater, wat betekent dat er geen complexe ontziltingsprocessen nodig zijn om zoet water te creëren. De snelle vorming van schuim met zoutwater zal de economische prestaties van de technologie aanzienlijk verbeteren, aldus het team. Volgens Bahadur, die het onderzoek leidde:

“Hydrates zijn aantrekkelijke opties voor koolstofopslag omdat de zeebodem stabiele thermodynamische omstandigheden biedt, waardoor ze beschermd zijn tegen ontbinding.” 

Op deze manier is de koolstofopslag in wezen klaar voor gebruik door elk land met een kustlijn. Daarom maakt deze methode van koolstofopslag “toegankelijker en haalbaarder op wereldschaal en brengt ons dichter bij een duurzame toekomst,” voegde hij toe.

Volgens de onderzoekers zullen de schuimen nieuwe benaderingen mogelijk maken voor het transport en de opslag van CO2. Maar de implicaties van deze vooruitgang gaan verder dan alleen koolstofvastlegging. ​De ultrasnelle vorming van hydraten kan zelfs toepassingen vinden in gas­scheiding en opslag en ontzilting.

Op deze manier biedt de nieuwe technologie een veelzijdige oplossing voor diverse industrieën. Hence, de onderzoekers hebben twee patenten ingediend die verband houden met de technologie, en overwegen zelfs een startup om deze te commercialiseren.

Niet Alle Initiatieven Zijn Succesvol 

Gezien het belang van het decarboniseren van het milieu, onderzoeken wetenschappers en wereldleiders verschillende manieren en nieuwe technologieën om klimaatdoelen te halen. 

Vorig jaar ontdekten wetenschappers een microbe voor de kust van een vulkanisch eiland bij Sicilië die CO2 “verbazingwekkend snel” eet. De microben, oorspronkelijk gevonden in september 2022, zijn “hyper‑efficiënt in het consumeren van CO2 via fotosynthese”, sneller dan andere bekende cyanobacteriën. Wetenschappers stelden dat microbiële processen veel kapitaalefficiënter zijn dan technologische interventies en ook “van nature schaalbaar” zijn omdat ze “in diverse omgevingen kunnen worden ingezet, van open vijvers tot bioreactoren.”

Een paar maanden geleden meldden wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) dat ze testapparatuur hebben ontwikkeld met hoge nauwkeurigheid voor het meten van de prestaties van materialen (sorptiemiddelen) die worden gebruikt om koolstof uit de lucht te vangen en te verwijderen. Het apparaat stelt NIST in staat om onderzoeks‑grade testmateriaal (RGTM) sorptiemiddelen te creëren voor de directe luchtvangst (DAC) industrie. Het maakt bedrijven mogelijk hun sorptiemiddelen te testen en hun effectiviteit te verifiëren voordat ze opschalen.

Deze maand stelden Australische onderzoekers voor om zonne‑energie te gebruiken om koolstof op te vangen en op te slaan in mijnbouwafval. Ze voeren momenteel de eerste beoordeling en analyse uit van het gebruik van geconcentreerde zonne‑warmte voor serpentine‑activatie om geactiveerde grondstofmaterialen te produceren voor koolstofopvang‑ en opslagprocessen via minerale carbonatisering.

Wetenschappers ontdekken zelfs manieren om broeikasgassen direct om te zetten in vaste brandstoffen die kunnen worden gebruikt om huizen te verwarmen of industrieën van energie te voorzien. Bijvoorbeeld, onderzoekers van MIT en Harvard University ontwikkelden en demonstreerden het proces van het opvangen en elektrochemisch omzetten van het gas in poeder. Het vaste formiaat wordt vervolgens in een laboratorium gebruikt om elektriciteit te produceren via een brandstofcel.

Dus, er is duidelijk meer focus op het opvangen en opslaan van koolstof, met veel onderzoek en financiering die in dergelijke inspanningen wordt geïnvesteerd. Niet alle initiatieven zijn echter succesvol gebleken. Een opvallend voorbeeld hiervan is de Amerikaanse klimaat‑startup Running Tide.

Onder het koolstofverwijderingsproces van Running Tide ontwikkelt een netwerk van drijvende houten boeien “micro‑bossen” van zeewier om “koolstof uit de lucht en het water te slurpen” en kalksteen om “te fungeren als een antacidum voor de bovenste laag van de zee.” Het zeewier wordt vervolgens gekapt om te zinken in de oceaan, waar het CO2 absorbeert en diep begraven blijft gedurende duizenden jaren.

Volgens de website van het bedrijf zou het 25.000 ton koolstof hebben verwijderd via twee routes:

• Verbetering van de alkaliteit van de oceaan
• Zinkende biomassa

Running Tide verkoopt ook koolstofkredieten, die een ton koolstof vertegenwoordigen die uit de snelle cyclus is verwijderd. Ongeveer een jaar geleden leverde de startup de allereerste koolstofverwijderingskredieten van een open‑oceaanproject, met de kredieten vooraf verkocht aan e‑commerce‑gigant Shopify. Later kocht Microsoft (MSFT ) ook koolstofkredieten van de startup.

In juni kondigde de startup aan dat ze zou stoppen. Oprichter en CEO van Running Tide, Mark Odlin, schreef in een LinkedIn‑bericht:

“Helaas beginnen we vandaag met het proces van het sluiten van de wereldwijde activiteiten van Running Tide omdat we niet in staat zijn de juiste financiering te verkrijgen om ons werk met de benodigde urgentie voort te zetten.”

Volgens het bericht is de koolstofmarkt vrijwillig en er is geen “vraag die nodig is om grootschalige koolstofverwijdering” te ondersteunen, voegt hij toe, “onze integriteit zal worden beoordeeld op of we de overwinning‑conditie bereiken en niets anders.”

In het bericht beweerde hij dat de startup “het grootste succesvolle koolstofverwijderingsproject in de open oceaan” heeft uitgevoerd, en dat wel “tegen de laagste kosten, in de meest barre omgevingen, met de hoogste kwaliteitsnorm.”

Het bedrijf zou ongeveer 19 duizend ton houtspaanders in de kustwateren van IJsland hebben laten zinken. Deze enorme dump is “volledig onbewaakt”, gerapporteerd door de IJslandse weekblad, Heimildin, die ook wees op het gebrek aan toezicht op de operaties, en het ontbreken van verificatie van de beweringen van het bedrijf dat het 25.000 ton koolstof op de zeebodem had vastgelegd.

De sluiting van Running Tide en de vragen over haar operaties tonen aan dat hoewel alle inspanningen en onderzoek enthousiasme opwekken, initiatieven niet altijd tot een succesvol einde komen en er meer overheidssteun en technologische doorbraken nodig zijn om daadwerkelijk een verandering te bewerkstelligen.

Nu bekijken we een paar bedrijven die aanzienlijk kunnen profiteren van dit onderzoek.

#1. ExxonMobil (XOM)

Als een van de toonaangevende beursgenoteerde bedrijven die zwaar investeren in carbon capture and storage (CCS)‑technologieën, met verschillende projecten die gericht zijn op het verminderen van hun koolstofvoetafdruk, kan ExxonMobil (XOM ) aanzienlijk profiteren van het onderzoek van de University of Texas naar oceaan‑gebaseerde koolstofvastlegging.

De oceaan‑gebaseerde koolstofvastleggingstechnologie kan ExxonMobil helpen haar technologische leiderschap te versterken en de regelgevende kosten gerelateerd aan koolstofemissies te verlagen.

Financieel zou het aanzienlijke bedragen kunnen besparen door potentiële koolstofbelastingverplichtingen te verlagen en nieuwe inkomstenstromen te creëren via de verkoop van koolstofkredieten. Bovendien kunnen deze vooruitgangen de ESG‑ratings (environmental, social, governance) van ExxonMobil verbeteren, waardoor het aantrekkelijker wordt voor milieubewuste investeerders. Het bedrijf rapporteerde een omzet van $413,7 miljard in 2023​​.

#2. Occidental Petroleum (OXY)

Occidental Petroleum (OXY ) is een koploper in de ontwikkeling van grootschalige CCS‑projecten, met name die waarbij vastgelegde koolstof wordt geïntegreerd in enhanced oil recovery (EOR) processen. Door oceaan‑gebaseerde koolstofvastlegging te adopteren, kan Occidental haar CCS‑initiatieven verder diversifiëren en haar duurzaamheidspraktijken verbeteren. 

Financieel biedt deze technologie dubbele voordelen: het helpt koolstofbelastingverplichtingen te verminderen en genereert extra inkomsten via koolstofkredieten. Bovendien kan het benutten van vastgelegde koolstof in EOR de olie‑opbrengst verhogen, waardoor de productie‑efficiëntie en winstgevendheid toenemen. Het bedrijf rapporteerde een omzet van $28,92 miljard in 2023.

Slotgedachten

Het voorkomen van verdere opwarming van de atmosfeer van de aarde en het aanpakken van klimaatverandering zijn wereldwijde prioriteiten. Diverse maatregelen, waaronder het uitfaseren van koolstof‑emitterende brandstoffen en het vaststellen van juridisch bindende doelen voor netto‑nul emissies, zijn geïmplementeerd. Het opvangen en opslaan van CO2 is een andere belangrijke oplossing om onze planeet te decarboniseren.

Deze koolstofvastlegging kan op verschillende manieren worden gerealiseerd, waarbij de oceaandiepte een aantrekkelijke locatie biedt. De oceaan fungeert als een koolstofput, waarbij een biologisch koolstofpompsysteem—fytoplankton—CO2 van het oppervlak naar de zeebodem transporteert via de voedselketen, waar het langdurig wordt opgeslagen. Fysieke pompen, aangedreven door oceaan‑circulatie, helpen ook bij het vastleggen van opgelost koolstof.

Gezien de enorme opslagcapaciteit en het natuurlijke vermogen om CO2 op te nemen, gecombineerd met isolatie van de atmosfeer, is de diepe oceaan een populaire methode voor koolstofopslag. Technieken variëren van directe CO2‑injectie in de diepe oceaan tot het toevoegen van nutriënten om fytoplanktongroei te stimuleren en het benutten van de hoge druk en lage temperaturen om vaste hydraten te vormen.

Deze benadering kent echter uitdagingen, zoals geïllustreerd door het Running Tide‑voorbeeld, en problemen zoals verzuring, kosten, monitoring, verificatie en duurzaamheid komen naar voren.

Alleen door voortdurend onderzoek en ontwikkeling, zoals uitgevoerd door onderzoekers van de University of Texas, kunnen we oplossingen vinden die koolstof opslaan zonder het milieu te schaden. Over het geheel genomen bieden oceaandiepten een veelbelovende maar onzekere optie voor koolstofvastlegging.

Klik hier voor een lijst van de top vijf koolstofvangst‑aandelen.