Questa è la terza parte di una serie di quattro parti sulla cattura e l’utilizzo del carbonio (CCU), la crescente industria dedicata all’utilizzo dell’anidride carbonica catturata dall’atmosfera per combattere il cambiamento climatico. La prima parte introduce la CCU e le sue forme di base, e la seconda parte riguarda il recupero migliorato del petrolio, il più grande uso attuale della CO2. Il quarto post considera come i politici dovrebbero avvicinarsi alle tecnologie CCU.

A questo punto è ben compreso che l’anidride carbonica è un inquinante mortale che sta riscaldando l’atmosfera. Ciò che è meno ben compreso è che la CO2 è anche una materia prima utile, un input in una varietà di processi industriali. Dalla plastica al cemento, la CO2 è un mattone industriale di base – una merce preziosa.

A molti attivisti del clima, questo suggerisce che forse dovremmo usarne di più. Forse, se le industrie che usano CO2 potessero essere incentivate ad aumentare il loro uso, potremmo usarne abbastanza da diminuire sostanzialmente la quantità che emettiamo nell’atmosfera.

Utilizzare di più; emettere meno. Questa è l’idea di base dietro la cattura e l’utilizzo del carbonio (CCU), uno dei temi più caldi dell’energia pulita in questi giorni.

Nel mio primo post di questa serie, ho introdotto il concetto di CCU e le sue forme di base. Nel secondo, ho dato un’occhiata da vicino a quello che è attualmente l’uso industriale più comune della CO2, vale a dire il recupero migliorato del petrolio (EOR), in cui la CO2 viene iniettata in pozzi esauriti per spremere più petrolio e gas. (È complicato.)

In questo post, daremo un’occhiata agli altri usi industriali della CO2 per cercare di capire quanto siano fattibili, quale sia il loro potenziale totale, e se potrebbero giocare un ruolo significativo nella lotta contro il cambiamento climatico. Tempo di divertimento!

Una nota importante: ai fini di questo post, sto guardando i processi industriali. Si tratta di estrarre la CO2 dall’aria – sia dai gas di scarico degli impianti industriali, tramite la tradizionale cattura del carbonio, sia dall’aria ambiente, tramite la cattura diretta dell’aria (DAC) – concentrarla e usarla come materia prima industriale.

C’è anche una serie di modi naturali per raccogliere più CO2, dal piantare più foreste al sequestrare più carbonio nel suolo. Sono interessanti e di scala potenzialmente significativa, ma meritano un proprio post. Questo post è sulle macchine.

Carbon Engineering

Tre modi importanti per valutare le tecnologie CCU

Prima di addentrarci nelle varie forme di CCU, teniamo a mente tre importanti domande che dobbiamo porci su tutte loro mentre ne prendiamo le misure.

Le domande sono tratte da una gigantesca revisione della letteratura sulla CCU, recentemente pubblicata sulla rivista Nature, che ha valutato oltre 11.000 articoli ed è stata accompagnata da un sondaggio di opinioni di esperti. Aiuta a mettere a fuoco le metriche chiave coinvolte nella valutazione di queste tecnologie.

La prima domanda è: la tecnologia CCU produce un beneficio climatico? Riduce le emissioni di carbonio, e se sì, quanto? Sequestra il carbonio, e se sì, per quanto tempo?

Ci sono alcuni concetti che si sovrappongono qui e che sono spesso confusi nel dialogo popolare, quindi vale la pena distinguerli. Ecco come lo fa l’articolo di Nature:

• CO2u: utilizzo di CO2
• CO2ρ: riduzione delle emissioni di CO2 rispetto alla linea di base
• CO2r: rimozione di CO2 dall’atmosfera
• CO2s: stoccaggio di CO2

Royal Society

Diverse tecnologie CCU coinvolgono diversi mix di questi. Determinare l’impatto netto del carbonio di una tecnologia CCU implica un’analisi del ciclo di vita (LCA) che tiene conto di dove la CO2 viene prodotta, quanta energia viene usata nella produzione, da dove proviene l’energia, quanta CO2 viene rilasciata durante la produzione, se parte della CO2 rilasciata viene catturata, come il prodotto viene infine smaltito, e cosa sarebbe successo in assenza della produzione. (La LCA è diabolicamente complicata e attualmente non ci sono standard ampiamente condivisi che governano il modo in cui viene fatta.)

Alcuni usi della CO2 – per esempio, fare carburanti liquidi che sostituiscono la benzina e il gasolio – bloccano il carbonio solo fino a quando il carburante viene bruciato, a quel punto viene rilasciato nuovamente nell’atmosfera. Non rimuovono la CO2 dall’atmosfera, ma la riciclano una volta e poi la rimettono in circolo; l’articolo di Nature li chiama processi “ciclici”. Ma sostituendo un processo neutro al carbonio con uno ad alta intensità di carbonio, riducono le emissioni nette (CO2ρ) rispetto a quello che sarebbe successo altrimenti.

Altri usi della CO2 – per esempio, come parte del processo di produzione del cemento – bloccano il carbonio per molto più tempo. Il cemento non manterrà permanentemente la CO2 fuori dall’atmosfera, ma potrebbe plausibilmente immagazzinarla per un secolo o più, quindi a tutti gli effetti conta come stoccaggio di carbonio (CO2). L’articolo di Nature chiama questi processi “chiusi”.

La CCU è complessa, e i dettagli contano, ma una conclusione generale dalla letteratura è che “il potenziale per le riduzioni nette delle emissioni è molto più grande delle rimozioni nette, che sembrano molto modeste”. Nel complesso, la CCU probabilmente non produrrà molta CO2, ma potrebbe produrre una considerevole CO2ρ.

Valutare il beneficio climatico delle diverse opzioni di CCU è fondamentale. I responsabili politici dovrebbero sempre tenere a mente che la CCU non è un bene in sé e per sé. Vale la pena perseguirla solo nella misura in cui fa una differenza significativa per il clima.

La seconda domanda è: qual è la scala potenziale della tecnologia CCU? Se è un prodotto specializzato o a basso volume, potrebbe non valere lo sforzo di R&D per capire come farlo funzionare commercialmente con la CO2 catturata. È ragionevole che i politici e gli investitori dovrebbero dare priorità alla loro attenzione e alle loro risorse in base alle tecnologie con il più grande potenziale totale. (Guarderemo una classifica delle tecnologie per potenziale tra un momento.)

E la terza domanda è, quanto è avanzata la tecnologia CCU sulla curva di apprendimento? È una tecnologia speculativa che esiste principalmente in laboratorio e in alcuni progetti pilota, come i combustibili liquidi sintetici, o è una tecnologia consolidata con un potenziale di crescita del mercato a breve termine, come la CO2 nel cemento?

Tutte queste domande sono importanti per valutare il potenziale delle tecnologie CCU nel fornire soluzioni pratiche per il clima.

Quali sono queste tecnologie? Diamo un’occhiata ad alcune.

Nature

(Ci sono molti modi diversi di dividerli; la mia lista è un po’ un mash-up del documento Nature di cui sopra e questa esaustiva tabella di marcia del 2016 condotta da Lux Research per la Global CO2 Initiative.)

Materiali da costruzione in cemento

Ci sono diverse tecnologie qui, tutte legate al cemento, che è una miscela di cemento, acqua e aggregati. Il cemento è una polvere fine che, quando attivata dall’acqua, lega gli aggregati in una miscela rigida.

In primo luogo, gli aggregati – che sono incorporati nel calcestruzzo, nell’asfalto e nel materiale da costruzione – possono essere fatti convertendo la CO2 gassosa in carbonati minerali solidi come il carbonato di calcio (CaCO3), un processo noto come “mineralizzazione della CO2”. (Vedi Pianeta blu.)

In secondo luogo, la CO2 può essere sostituita all’acqua nella “stagionatura” del calcestruzzo durante la sua miscelazione, ottenendo una mineralizzazione simile. Si scopre che questo rende il calcestruzzo più forte, oltre a risparmiare un sacco di acqua. (Vedere, per esempio, Solidia e CarbonCure.)

In terzo luogo, il cemento può essere eliminato in favore di nuovi agenti leganti che assorbono e mineralizzano la CO2. (Vedi CO2 Concrete.)

Quarto, e più speculativo, è una tecnologia promettente promossa dal progetto dell’UE Low Emissions Intensity Lime & Cement (LEILAC). Il processo di produzione del cemento e della calce coinvolge reazioni chimiche (non la combustione di combustibili fossili) che inevitabilmente rilasciano CO2. LEILAC cerca di mettere a punto il processo in modo da creare un flusso di rifiuti di CO2 purificato che può essere facilmente catturato e sequestrato o riutilizzato.

Almeno in teoria, si possono immaginare le emissioni di CO2 purificate dal processo di produzione del cemento catturate e poi reiniettate nel processo come un agente legante mineralizzante di CO2 è mescolato con aggregati a base di CO2. Se tutti questi pezzi potessero essere allineati – e per essere chiari, questo non è ancora stato fatto da nessuna parte nel mondo – i materiali da costruzione risultanti potrebbero avere una pretesa di essere veramente negativi al carbonio, su una base di ciclo di vita. Non solo ridurrebbero le emissioni nette (CO2ρ), ma immagazzinerebbero semipermanentemente il carbonio (CO2s).

Ma a parte questo, anche se il cemento raggiunge solo la CO2ρ, non la CO2s, l’opportunità qui è grande e immediata. Queste tecnologie (almeno le prime due) sono consolidate e relativamente a bassa energia; potrebbero potenzialmente risultare in un sequestro di carbonio sulla scala di miliardi di tonnellate.

Combustibili liquidi

Oggi i combustibili liquidi – benzina, diesel, e varianti più rare come il jet fuel – sono fatti raffinando idrocarburi estratti dal sottosuolo. Possono invece essere fatti con il carbonio dell’aria.

“I “carburanti sintetici” possono essere fatti in molti modi diversi, attraverso molti processi e chimiche diverse, ottenendo una varietà di carburanti. Ci sono combustibili sintetici che possono sostituire qualsiasi combustibile liquido.

Il modo più semplice per pensare a loro è come una miscela di tre cose: una molecola a base di carbonio (di solito CO2), idrogeno ed energia. L’energia è usata per staccare l’ossigeno dal carbonio e attaccare il carbonio all’idrogeno. Quindi “idrocarburi”.

L’intensità di carbonio dei combustibili risultanti dipende dalla fonte di tutti e tre i componenti: la CO2, l’elettricità e l’idrogeno.

Se la CO2 proviene da depositi sotterranei, l’elettricità proviene da combustibili fossili, e l’idrogeno proviene dal reforming a vapore del gas naturale (come circa il 95% dell’idrogeno oggi), il combustibile risultante è estremamente ad alta intensità di carbonio.

Se la CO2 proviene dall’aria ambiente, l’elettricità proviene da fonti rinnovabili, e l’idrogeno proviene dall’elettrolisi a energia solare (che estrae l’idrogeno direttamente dall’acqua), il carburante risultante è estremamente a basso contenuto di carbonio.

I carburanti liquidi neutrali al carbonio sono quasi certamente il più grande mercato potenziale per la CO2. Ci sono molti combustibili liquidi nel mondo, e ci sono mercati esistenti per alternative più pulite, anche in stati come la California e l’Oregon con uno standard per combustibili a basso contenuto di carbonio (LCFS).

HyTech Power

Ridurre il costo della cattura del carbonio aiuterebbe con i combustibili sintetici, ma sono gli altri due ingredienti, idrogeno ed energia, che rappresentano una parte maggiore dei costi. Ci vuole molta energia per elettrolitizzare l’idrogeno e ce ne vuole ancora di più per estrarre la CO2. (Tutta quell’energia costa denaro.

L’energia rinnovabile estremamente economica è la chiave per far funzionare i carburanti sintetici a zero emissioni di carbonio perché è la chiave dell’idrogeno a basso costo, e produrre carburanti sintetici su scala richiede molto idrogeno. In un rapporto speciale su settori difficili da decarbonizzare come l’industria e il trasporto aereo, la Commissione per le transizioni energetiche ha sottolineato la necessità di carburanti sintetici, e quindi la necessità di idrogeno: “Raggiungere un’economia a zero emissioni di CO2 richiederà un aumento della produzione globale di idrogeno da 60 all’anno oggi a qualcosa come 425-650 Mt entro la metà del secolo.”

Anche se l’idrogeno non gioca un grande ruolo diretto nei trasporti (probabilmente non lo farà), sarà comunque necessario per i combustibili sintetici, che sono a loro volta necessari per decarbonizzare settori difficili da raggiungere come l’industria. Per rendere possibile l’elettrolisi dell'”idrogeno verde”, l’energia rinnovabile deve diventare molto economica.

Ci sono molti analisti che pensano che l’energia solare su scala industriale in buone posizioni produrrà presto l’elettricità più economica del mondo, fino a 20 o anche 10 dollari per megawatt-ora. E ci saranno periodi di surplus di energia solare che dovranno essere assorbiti, energia che altrimenti potrebbe essere andata sprecata.

“Anche se la produzione di idrocarburi più complessi è energeticamente e quindi economicamente costosa”, dice l’articolo di Nature, “una rapida riduzione dei costi potrebbe potenzialmente verificarsi se l’energia rinnovabile – che rappresenta una grande proporzione del costo totale – continua a diventare più economica, e se la politica stimola altre riduzioni dei costi.”

I carburanti sintetici effettivamente non esistono oggi su nessun tipo di scala di mercato (“i flussi attuali sono vicini allo zero”, come dice l’articolo di Nature), ma se tutto si unisce per sostenerli, potrebbero plausibilmente catturare una fetta sostanziale del mercato globale dei carburanti, che non è una cosa da poco. Non è CO2, ma è un sacco di CO2ρ.

Per essere chiari: il futuro è l’elettrificazione. Quando si tratta di decarbonizzazione, è sempre meglio elettrificare gli usi finali dell’energia – per usare l’elettricità direttamente, piuttosto che perderne una grande frazione per le conversioni – ma anche in scenari ottimistici, ci saranno settori difficili da elettrificare.

I combustibili liquidi neutrali al carbonio per i settori difficili da decarbonizzare sono sia un grande mercato che un pezzo chiave del puzzle della decarbonizzazione.

MIT

Chimica e plastica

Utilizzando vari catalizzatori, la CO2 può essere trasformata in una varietà di intermedi chimici – materiali che poi servono come materie prime in altri processi industriali, come metanolo, syngas e acido formico.

La CO2 può anche essere trasformata dai catalizzatori in polimeri, i precursori della plastica, degli adesivi e dei farmaci. Per ora, i polimeri derivati dalla CO2 sono abbastanza costosi, ma le plastiche sono un altro mercato potenzialmente sostanziale – rappresentano una frazione crescente della domanda di combustibili fossili liquidi. E hanno una durata di vita da decenni a secoli, quindi presentano un certo potenziale per la CO2.

Al momento, solo poche applicazioni chimiche della CO2 sono commercializzate su scala, compresa la produzione di urea e polioli di policarbonato.

Alghe

La CO2 catturata può essere usata per accelerare la crescita delle alghe, che hanno la capacità di assorbirne molta di più, molto più velocemente, di qualsiasi altra fonte di biomassa. E le alghe hanno un’utilità unica. Possono servire come materia prima per il cibo, i biocarburanti, la plastica e persino la fibra di carbonio (vedi n. 5). Vale la pena notare che circa cinque anni fa, le alghe erano viste come una sorta di pianta delle meraviglie, ma il settore non è veramente decollato e molte delle prime aziende sono fallite.

Materiali nuovi

Ecco dove troviamo mercati più speculativi, all’avanguardia, ma potenzialmente importanti. La CO2 può essere trasformata in materiali ad alte prestazioni – compositi di carbonio, fibra di carbonio, grafene – che potrebbero plausibilmente sostituire un’intera gamma di materiali, dai metalli al cemento.

Per esempio, il team di C2CNT sta usando “l’elettrolisi fusa” per trasformare la CO2 direttamente in nanotubi di carbonio, che sono più forti dell’acciaio e altamente conduttivi. Sono già utilizzati in applicazioni di fascia alta come il Boeing Dreamliner e alcune auto sportive. Ma man mano che diventano più economici, non c’è quasi limite al mercato.

Per fare solo un esempio, si pensi alla sostituzione dei nanotubi di carbonio con il rame nel cablaggio elettrico. (Praticamente ogni applicazione dell’elettricità, dalla stazione spaziale ai veicoli elettrici agli elettrodomestici, beneficerebbe di un cablaggio più leggero che conduce meglio.

E poi c’è l’acciaio, il metallo più comunemente usato nel mondo, responsabile tra il 7 e il 9 per cento delle emissioni globali di CO2 da combustibili fossili. Se i materiali a base di carbonio potessero essere sostituiti all’acciaio su qualsiasi scala reale, potrebbe significare miliardi di tonnellate di emissioni ridotte, per non parlare del sequestro permanente del carbonio.

Naturalmente, questo tipo di ricerca sui materiali è ancora nelle sue fasi iniziali e ci vorranno alcune scoperte tecnologiche per far scendere i costi abbastanza da iniziare a sostituire altri materiali su scala. Per ora, i materiali di carbonio stanno prendendo piede nei mercati delle boutique.

Confronto delle tecnologie CCU su costi e potenzialità

Il documento Nature ha confrontato 10 diversi percorsi CCU, compresi quelli naturali, che ho escluso qui, ed EOR, di cui ho parlato nel mio ultimo post. Quindi il grafico qui sotto contiene alcune informazioni estranee ai nostri scopi. Ciononostante, vale la pena esaminarlo da vicino, poiché mostra i percorsi in base ai costi, al potenziale di utilizzo della CO2 e alla prontezza tecnologica (TRL). Ci sono due scenari, che riflettono l’estremità bassa e l’estremità alta delle proiezioni.

Nature

Lo zero sull’asse verticale è l’attuale “costo di pareggio” (in dollari 2015), il punto in cui una tecnologia è competitiva con gli incumbent. Quelli sotto quella linea sono già competitivi. Quelle sopra la linea avrebbero bisogno di un sussidio commisurato di qualche tipo per competere.

La larghezza delle barre indica la quantità di CO2 che la tecnologia potrebbe utilizzare annualmente entro il 2050 (sulla base di proiezioni e opinioni di esperti). E il colore di una barra indica il suo TRL.

Sulla base dello scenario ottimistico alto, alcuni dei percorsi chimici (poliolo, urea e metanolo) sono già competitivi in termini di costi, anche se il loro potenziale per l’uso di CO2 è relativamente piccolo, vicino a un gigaton cumulativo.

I percorsi del calcestruzzo (aggregati e indurimento) sono abbastanza vicini al costo-competitivo e l’indurimento in particolare ha un potenziale abbastanza grande, soprattutto se si considera che la sua CO2 conta due volte, una volta come riduzione delle emissioni, una volta come stoccaggio permanente.

Troblematicamente, i percorsi tecnologici industriali CCU con il maggior potenziale totale di utilizzo della CO2 sono i più costosi rispetto agli operatori storici.

Insieme, i combustibili liquidi sintetici (metanolo, metano, etere dimetilico, e combustibili Fischer-Tropsch) potrebbero usare oltre 4 gigatoni di CO2 all’anno entro il 2050. (A titolo di confronto, le emissioni globali di CO2 nel 2018 sono state di circa 37 gigatoni.) Ma attualmente hanno bisogno di qualcosa come 500 dollari per tonnellata di CO2 per competere.

Tuttavia, come dice l’articolo di Nature, “molte tecnologie sono nelle primissime fasi di sviluppo, e l’ottimizzazione dei costi attraverso la ricerca e lo sviluppo potrebbe cambiare sostanzialmente queste stime”. Se c’è un obiettivo per la R&D concertata che sembra ovvio, sono i combustibili sintetici.

Ecco le stesse informazioni in forma di tabella, se è la tua passione:

Nature

Una cosa che la tabella rende chiara è che le gamme su alcune di queste proiezioni sono estremamente ampie (da $0 a $670?), riflettendo l’enorme grado di incertezza coinvolto.

Come si svilupperanno queste tecnologie CCU dipenderà dalla curva dei prezzi delle energie rinnovabili, dalla curva dei prezzi dell’idrogeno verde, dagli sviluppi in una serie di mercati e dal livello di R&D e dal supporto politico che riceveranno dai legislatori. Tutti questi sono individualmente difficili da prevedere; capire come potrebbero interagire fino al 2050 è un gioco di congetture educate.

La CCU può fare di più se c’è una politica che la sostenga

Le conclusioni del documento Nature riflettono la media di un enorme numero di studi ed esperti, cercando di determinare i costi attuali e ciò che accadrà.

Ma vale la pena dare almeno una rapida occhiata ad alcune stime più ottimistiche di ciò che potrebbe accadere con una politica di sostegno.

Nel 2016, la Global CO2 Initiative ha commissionato a Lux Research una tabella di marcia completa per la CCU. Non solo ha proiettato come le tecnologie CCU potrebbero scalare in condizioni di business as usual, ma anche come potrebbero scalare se venissero seguite le raccomandazioni politiche della roadmap.

Ecco come la roadmap valuta il potenziale di riduzione di CO di varie tecnologie CCU:

GCI

Come potete vedere, seguire le “azioni strategiche” raccomandate dal rapporto potrebbe espandere radicalmente il potenziale di assorbimento di CO2 sia degli aggregati che dei combustibili sintetici. La tabella di marcia stima che, al limite superiore, “oltre il 10% delle emissioni annuali di CO2 può essere catturato in questi prodotti.”

Ecco il potenziale di guadagno totale dei mercati CCU:

Ancora una volta, i combustibili e gli aggregati mostrano un enorme potenziale, crescendo di dieci o venti volte sotto una buona politica. La tabella di marcia stima che, complessivamente, le entrate annuali dei mercati combinati potrebbero raggiungere tra gli 800 miliardi e i 1,1 trilioni di dollari entro il 2030.

Come ho detto, tutte queste sono stime tenui, ma ancora, se le tecnologie CCU potrebbero potenzialmente svilupparsi in un business da più di mille miliardi di dollari che taglia le emissioni globali del 10%, sembrano valere un serio investimento di attenzione e risorse. Più possiamo usare, meno emetteremo.

Come dovrebbero avvicinarsi i politici alle tecnologie CCU? Qual è il modo giusto per sostenerle e, più in generale, il modo giusto per pensare ad esse nel contesto della più ampia lotta per il clima? Affronterò queste domande nel mio prossimo post.