Integrated Environmental and Economic Sustainability Assessment of Steel Slags Mineral Carbonation in Agriculture as an Emergent Carbon Capture, Utilization and Storage Technology

Promovendus/a: Ponnapat Watjanatepin

Promotor(en): Prof. dr. Karel Van Acker

De groeiende vraag naar grondstoffen, aangewakkerd door industriële ontwikkeling en bevolkingsgroei, heeft geleid tot een aanzienlijke toename in de staalproductie, waardoor deze sector een belangrijke bron is geworden van broeikasgasemissies (BKG) en afvalslakken. Hoewel sommige staalslakken worden gebruikt in de bouwsector, staat hun grootschalig hergebruik onder druk door milieuzorgen, zoals de mogelijke uitloging van zware metalen. Dit onderstreept de noodzaak van duurzame strategieën voor de valorisatie van zowel CO₂-emissies als afvalslakken. Minerale carbonatatie biedt hierin een veelbelovende oplossing waarbij afvalslakken en afgevangen CO₂ worden omgezet in stabiele carbonaten. Dit proces maakt langdurige CO₂-opslag mogelijk en faciliteert tegelijkertijd het hergebruik van afvalslakken, met name binnen sectoren zoals de bouw en landbouw. Minerale carbonatatie wordt beschouwd als een technologie voor koolstofafvang, -gebruik en -opslag (CCUS). De toepasbaarheid wordt mede bepaald door door de mogelijkheid om CO₂-stromen van lage zuiverheid, zoals industriële rookgassen, te benutten. Echter, vanwege de hoge energie- en hulpbronnenvereisten moeten CCUS-technologieën netto negatieve BKG-emissies aantoonbaar realiseren om als duurzaam en economisch haalbaar te worden aangemerkt. Levenscyclusanalyse (LCA) en Levenscycluskostanalyse (LCC) zijn waardevolle instrumenten om respectievelijk de milieuprestaties en economische haalbaarheid van deze technologieën te kwantificeren. De evaluatie van CCUS vereist het afwegen van milieu- en economische belangen, die vaak met elkaar conflicteren. Bovendien zijn veel CCUS-technologieën nog in een vroeg ontwikkelingsstadium, waardoor gegevens op industriële schaal beperkt zijn, wat de formulering van vroege LCA's en scenarioanalyses kan bemoeilijken. Daarnaast is temporele modellering essentieel om de langetermijnprestaties van koolstofopslag adequaat te kunnen beoordelen.

Deze dissertatie stelt een geïntegreerde methodologische beoordelingsaanpak voor, die LCA, LCC, dynamische LCA (D-LCA), prospectieve LCA (pLCA) en multi-criteria beslissingsanalyse (Multi-Criteria Decision Analysis, MCDA) combineert om het potentieel van minerale carbonatatie van afvalslakken als CCUS-technologie voor landbouwtoepassingen te evalueren. Deze geïntegreerde aanpak richt zich op de onderzoeksvraag of het proces zowel ecologisch als economisch haalbaar is, en biedt een flexibel beslissingsondersteunend instrument voor het optimaliseren van afwegingen. De bevindingen wijzen erop dat minerale carbonatatie van afvalslakken potentieel zowel ecologisch als economisch potentieel is, met netto negatieve ‘global warming potential’ (GWP) onder specifieke condities. Dit potentieel hangt echter af van diverse variabelen, zoals de samenstelling van de slak, de duur van de carbonatatie, de gebruikte energiebron en de geografisch-specifieke landbouwomstandigheden. De economische haalbaarheid wordt beïnvloed door factoren zoals investerings- en operationele kosten, het type project en de locatie. Met behulp vanMCDA/MCOA zijn optimale afwegingsscenario’s geïdentificeerd, wat waardevolle inzichten biedt voor belanghebbenden, afhankelijk van hun milieugerichte of economische prioriteiten.

De pLCA-analyse schetste toekomstgerichte ontwikkelingsroutes om de milieuprestaties te verbeteren. Deze proactieve benadering van technologie-evaluatie is cruciaal voor het begeleiden van CCUS-innovaties in een vroeg stadium, vooral wanneer empirische gegevens schaars zijn. D-LCA bevestigde bovendien het belang van actieve carbonatatie vóór de toepassing in de landbouw, om zo de passieve koolstofopname in het veld te versterken. Deze in de studie geïntroduceerde methode biedt technologieontwikkelaars een waardevol hulpmiddel om CCUS-technologieën gestructureerd te evalueren en optimaliseren zonder vooraf bepaalde waardeoordelen.

Hoewel de aanpak veelbelovend is, erkent de studie ook beperkingen, zoals de afhankelijkheid van project-specifieke (AgriCarb) gegevens en modelonzekerheden. De dissertatie wijst echter ook op mogelijke verbeteringen, waaronder de uitbreiding van indicatoren, verfijning van scenario-generatie en automatisering met behulp van kunstmatige intelligentie. Daarnaast benadrukt het onderzoek het belang van industriële symbiose en ondersteunend beleid voor het opschalen van minerale carbonatatie. Industriële clusters kunnen gedeelde infrastructuren creëren voor CO₂-afvang en slakverwerking, waardoor de kostenefficiëntie toeneemt en circulaire waardecreatie mogelijk wordt via de distributie van gecarbonateerde slakken naar verschillende sectoren zoals landbouw, bouw en chemie.

Beleidsinstrumenten zoals koolstofbeprijzing en subsidies binnen kaders als het Europees Emissiehandelssysteem (EU-ETS) kunnen verdere stimulansen bieden voor adoptie. Uiteindelijk toont deze dissertatie aan dat minerale carbonatatie aanzienlijke technologische potentie heeft, maar dat succesvolle implementatie afhangt van gecoördineerde vooruitgang op technologisch, economisch en beleidsmatig vlak.