De koolstof-14 methode

Om te weten of brandstof grijs is (fossiel) of groen (recent gegroeid) moeten we te weten komen hoe lang geleden de koolstof die erin zit, uit de atmosfeer werd opgenomen en in de brandstof werd vastgelegd. Dat is mogelijk omdat koolstof die in de atmosfeer voorkomt als kooldioxide, bestaat uit drie verschillende soorten koolstofatomen in een precies bekende onderlinge verhouding. Één daarvan verdwijnt na de vastlegging doordat hij langzaam verandert in stikstof. Na ongeveer 60.000 jaar is er niets meer van over. Fossiele brandstof bevat dus niets van die soort koolstof, en groene brandstof een precies bekend percentage – namelijk hetzelfde percentage als dat in de kooldioxide in de atmosfeer. Een mengsel van fossiele en groene brandstof bevat een percentage er tussenin, dat overeen komt met de mengverhouding. Bepaling van dit percentage levert dus direct het groendeel op. Daarop wordt hieronder verder ingegaan.

De koolstof-14 cyclus

De meeste chemische elementen bestaan uit verschillende soorten atomen die zich chemisch hetzelfde gedragen maar een verschillende massa hebben. Dit noemen we de isotopen van het betreffende chemische element. Stikstof bestaat bijvoorbeeld uit 2 isotopen met de atoomgewichten 14 en 15; koolstof uit 3 isotopen met de atoomgewichten 12, 13 en 14. Koolstof-14 is in tegenstelling tot de beide andere soorten koolstof niet stabiel: elke 5730 jaar verdwijnt de helft door radioactief verval.

De atmosfeer bestaat voornamelijk uit stikstof en zuurstof. De bovenste laag wordt voortdurend gebombardeerd door straling uit de ruimte. Daardoor ontstaan neutronen, die op hun beurt kunnen reageren met de atomen waaruit de atmosfeer bestaat. Zo ontstaat op een hoogte van enkele honderden kilometers voortdurend koolstof-14 door reactie van neutronen met stikstof-14. Dit wordt omgezet in kooldioxide dat de aarde bereikt en daar onder meer wordt ingebouwd in plantaardig en dierlijk materiaal. Levend of recent afgestorven materiaal bevat daardoor naast de stabiele isotopen koolstof-12 en koolstof-13, ook een beetje van de instabiele isotoop koolstof-14. De verhouding is 98,9 : 1,10 : 0,0000000000012.

Van de koolstof-14 verdwijnt aan het aardoppervlak of in de bodem, waar het stralingsbombardement immers niet plaatsvindt, iedere 5730 jaar de helft. Daarbij wordt per atoom dat vervalt een β-deeltje (hoogenergetisch elektron) uitgezonden: een natuurlijke vorm van radioactiviteit. Zo’n deeltje kan worden waargenomen. Het aantal desintegraties per minuut per gram koolstof in een brandstof kan dus worden geteld. Het aandeel van koolstof-14 in die brandstof is evenredig met het aantal desintegraties per minuut, zodat het kan worden berekend. Vergelijking van dit aandeel met het aandeel in recent vanuit de atmosfeer vastgelegde koolstof levert vervolgens het groendeel.

Terzijde: archeologen gebruiken de koolstof-14 methode om de ouderdom van objecten te bepalen. Zij beschouwen de fractie koolstof-14 daarin niet als recente koolstof, maar als de fractie koolstof-14 die resteert na het verval dat plaatsvond sinds de vastlegging van die koolstof aan het aardoppervlak.

Uitvoering bij ECN

De β-deeltjes kunnen alleen worden waargenomen door hun wisselwerking met de omgeving; de deeltjes zelf zijn niet waarneembaar. De koolstof waarvan het aandeel koolstof-14 moet worden bepaald, moet dus in een toestand worden gebracht waarin die wisselwerking kan worden waargenomen. Zo lang de koolstof nog in de brandstof zit kan dat niet. ECN gebruikt een methode waarbij de koolstof in de vorm van kooldioxide wordt opgelost in een vloeistof. In die vloeistof zijn ook moleculen opgelost die een lichtflitsje afgeven als ze worden getroffen door een β-deeltje, de zgn. scintillatormoleculen. De lichtflitsjes worden geteld door middel van zgn. fotomultiplicatorbuizen.

Het elegante van deze methode is dat de koolstof waarvan het groendeel moet worden bepaald, bijna altijd reeds beschikbaar is als kooldioxide. Dat kan nl. gewoon worden bemonsterd uit het rookgas van de stookinstallatie van de gebruiker van die brandstof. Vloeibare brandstoffen zoals diesel worden eenvoudigweg bijgemengd in de scintillatievloeistof. Van vaste brandstoffen wordt een monster in het laboratorium verbrand en de daaruit gevormde kooldioxide gebruikt voor de meting.

Voor wie van belang

Mogelijke gebruikers van de koolstof-14 methode zouden kunnen zijn:

• Producenten van brandstoffen die deels van fossiele oorsprong zijn, en deels van recente. Gedacht kan bijvoorbeeld worden aan brandstoffen uit huishoudelijk afval of kantoorafval. De resultaten zouden kunnen worden gebruikt voor productiecontrole en/of ter beschikking gesteld aan klanten, die er hun opgaven voor milieugerelateerde heffingen op zouden kunnen baseren.
• Gebruikers van mengsels van fossiele en groen brandstoffen, met name die deze zelf mengen vlak voor het stoken of vergassen. Gedacht kan bijvoorbeeld worden aan energiecentrales die mengsels inzetten van poederkool en andere brandstoffen zoals diermeel. Ook zij zouden de getallen kunnen gebruiken voor berekening van opgaven voor heffingen, en voor controle van hun bedrijfsproces.
• In het algemeen, bedrijven die installaties exploiteren waarvoor zgn. “carbon credits” zijn vereist zoals die voortkomen uit het Kyoto protocol.
• Overheden die opgaven voor heffingen willen controleren bij producenten of gebruikers van brandstoffen.
• Ontwikkelaars van stook- of vergassingsinstallaties en onderzoekers van het gedrag van brandstoffen in zulke installaties.