Verbranding.
Verbranding is snelle oxidatie van koolstofhoudend materiaal met zuurstof. De eindproducten zijn dezelfde als bij cellulaire ademhaling: CO2 en water — alleen veel sneller, en met vlammen. Natuurlijke verbranding (bosbranden) en menselijke verbranding (fossiele brandstoffen, biomassa) brengen koolstof terug in de atmosfeer.
- Algemeen
- Brandstof + O2 → CO2 + H2O + warmte. Vereist ontstekingsenergie.
- Volledig vs. onvolledig
- Volledig: alleen CO2 en water. Onvolledig: ook CO, roet en koolwaterstoffen.
- Bronnen natuurlijk
- Bosbranden, vulkanen (in mindere mate).
- Bronnen menselijk
- Fossiele brandstoffen (kolen, olie, gas), biomassa, afvalverbranding.
De reactie
Voor methaan (CH4) als brandstof: CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O. Voor glucose: C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O. Het patroon is gelijk: koolstof en waterstof in de brandstof reageren met zuurstof tot kooldioxide en water, met afgifte van warmte.
Bij volledige verbranding ontstaan alleen CO2 en water. Bij onvolledige verbranding — niet genoeg zuurstof, of te lage temperatuur — komt ook koolmonoxide (CO), roet en niet-verbrande koolwaterstoffen vrij. Die laatste vormen smog, en CO is voor mens en dier giftig.
Verbranding versus ademhaling
Wat in een vlam binnen seconden gebeurt, doet de cel in een reeks gecontroleerde stappen — over uren, met enzymen en katalysatoren. Het verschil zit in de uitvoering, niet in de netto-reactie. Dezelfde glucose en zuurstof leveren dezelfde CO2 en water. Bij ademhaling wordt de energie gevangen in ATP; bij verbranding gaat ze als warmte (en licht) verloren.
Daarom geldt op kringloopniveau: verbranding en ademhaling spelen dezelfde rol — ze brengen biologisch vastgelegde koolstof terug in de atmosfeer. Het verschil is de schaal en het tempo.
Natuurlijke verbranding
Bosbranden komen voor in vrijwel elk ecosysteem dat regelmatig droog wordt. In sommige bossen — zoals in delen van Australië en Noord-Amerika — is brand een normaal onderdeel van de cyclus. Sommige boomsoorten kunnen zelfs alleen met hulp van vuur ontkiemen. Op planeetschaal komt door bosbranden elk jaar een aanzienlijke hoeveelheid CO2 in de atmosfeer; in evenwicht wordt dat in de jaren na de brand weer opgenomen door hergroei.
Klimaatverandering schuift dat evenwicht. Drogere zomers en hogere temperaturen leiden in sommige regio's tot frequenter en heftiger branden. Daardoor verandert het patroon van vrijgekomen versus opnieuw vastgelegde koolstof.
Verbranding van fossiele brandstoffen
Fossiele brandstoffen — kolen, olie, aardgas — zijn het overschot van miljoenen jaren fotosynthese dat onder bijzondere geologische omstandigheden niet werd afgebroken. Verbranden ervan brengt die "oude" koolstof in een paar eeuwen terug in de actieve koolstofkringloop. De natuur kan dat tempo niet bijhouden — vandaar de stijging van CO2 in de atmosfeer.
Bij verbranding van zwavelhoudende fossiele brandstoffen (vooral kolen en zware stookolie) komt SO2 vrij. Bij hoge verbrandingstemperaturen ontstaat NOx uit de stikstof in de lucht. Beide leiden tot verzuring. Moderne rookgasreiniging in Europa beperkt dit aanzienlijk; tot in de twintigste eeuw was de uitstoot fors hoger.
Biomassa en koolstofneutraal
Bij verbranding van hout of andere biomassa komt evenveel CO2 vrij als de plant tijdens groei opnam. Daarom wordt biomassa soms "koolstofneutraal" genoemd. In de praktijk hangt dat af van wat erna gebeurt: groeit er nieuw bos terug, hoeveel energie kostte de teelt, hoe lang duurt het tot dezelfde hoeveelheid koolstof opnieuw is vastgelegd? Dit is een onderwerp van actief debat.
Verbinding met andere kringlopen
Verbranding is een directe link tussen koolstof, zuurstof en (bij fossiele brandstoffen) zwavel- en stikstofkringlopen. De CO2-emissie hangt samen met klimaatverandering — zie CO2 en klimaat. NOx-emissies dragen bij aan stikstofdepositie, een knelpunt voor de natuur in Nederland — zie stikstofcrisis. SO2- en NOx-emissies samen veroorzaken verzuring.