Dit is deel drie van een vierdelige serie over koolstofafvang en -gebruik (CCU), de groeiende industrie die zich toelegt op het gebruik van uit de atmosfeer afgevangen kooldioxide om klimaatverandering tegen te gaan. Deel één introduceert CCU en de basisvormen ervan, en deel twee gaat over verbeterde oliewinning, het grootste huidige gebruik van CO2. In het vierde bericht wordt nagegaan hoe beleidsmakers CCU-technologieën moeten benaderen.

Het is inmiddels algemeen bekend dat kooldioxide een dodelijke vervuilende stof is die de atmosfeer opwarmt. Wat minder bekend is, is dat CO2 ook een nuttige grondstof is, die in tal van industriële processen wordt gebruikt. Van plastic tot beton, CO2 is een industriële basisbouwsteen – een waardevolle grondstof.

Voor veel klimaatcampagnevoerders suggereert dit dat we er misschien meer van moeten gebruiken. Misschien, als de industrieën die CO2 gebruiken kunnen worden gestimuleerd om hun gebruik te verhogen, kunnen we genoeg gebruiken om de hoeveelheid die we in de atmosfeer uitstoten aanzienlijk te verminderen.

Meer gebruiken; minder uitstoten. Dat is het basisidee achter koolstofafvang en -benutting (CCU), een van de heetste hangijzers in schone energie dezer dagen.

In mijn eerste bericht in deze serie heb ik het concept van CCU en de basisvormen ervan geïntroduceerd. In de tweede nam ik wat momenteel de meest voorkomende industriële toepassing van CO2 is onder de loep, namelijk enhanced oil recovery (EOR), waarbij CO2 in gebruikte putten wordt geïnjecteerd om er meer olie en gas uit te persen. (Het is ingewikkeld.)

In dit bericht gaan we kijken naar de andere industriële toepassingen van CO2 om te proberen een idee te krijgen van hoe levensvatbaar ze zijn, wat hun totale potentieel zou kunnen zijn, en of ze een belangrijke rol zouden kunnen spelen in de strijd tegen klimaatverandering. Leuke tijden!

Een belangrijke opmerking: in dit bericht kijk ik naar industriële processen. Daarbij wordt CO2 uit de lucht gehaald – hetzij uit de rookgassen van industriële installaties, via traditionele koolstofafvang, hetzij uit de omgevingslucht, via directe luchtafvang (DAC) – het wordt geconcentreerd en als industriële grondstof gebruikt.

Er zijn ook een aantal natuurlijke manieren om meer CO2 te vergaren, van het planten van meer bossen tot het vastleggen van meer koolstof in de bodem. Ze zijn interessant en potentieel van aanzienlijke omvang, maar ze verdienen hun eigen post. Deze post gaat over machines.

Carbon Engineering

Drie belangrijke manieren om CCU-technologieën te beoordelen

Voordat we ingaan op de verschillende vormen van CCU, moeten we drie belangrijke vragen in gedachten houden die we ons bij al deze technologieën moeten stellen als we ze de maat nemen.

De vragen zijn afkomstig uit een gigantisch literatuuroverzicht over CCU, dat onlangs is gepubliceerd in het tijdschrift Nature, waarin meer dan 11.000 papers zijn beoordeeld en dat vergezeld ging van een opinieonderzoek onder deskundigen. Het helpt om de belangrijkste criteria voor de beoordeling van deze technologieën duidelijk te maken.

De eerste vraag is: levert de CCU-technologie een klimaatvoordeel op? Vermindert zij de koolstofuitstoot, en zo ja, in welke mate? Legt zij koolstof vast, en zo ja, voor hoe lang?

Er zijn hier een paar overlappende begrippen die in de populaire dialoog vaak door elkaar worden gehaald, dus het is de moeite waard ze van elkaar te onderscheiden. Hier is hoe de Nature paper het doet:

• CO2u: gebruik van CO2
• CO2ρ: vermindering van CO2-uitstoot ten opzichte van basislijn
• CO2r: verwijdering van CO2 uit de atmosfeer
• CO2s: opslag van CO2

Royal Society

Verschillende CCU-technologieën omvatten verschillende mengsels hiervan. Om het netto koolstofeffect van een CCU-technologie te bepalen, moet een levenscyclusanalyse (LCA) worden uitgevoerd, waarbij rekening wordt gehouden met waar de CO2 vandaan komt, hoeveel energie bij de productie wordt gebruikt, waar de energie vandaan komt, hoeveel CO2 tijdens de productie vrijkomt, of een deel van de vrijgekomen CO2 wordt afgevangen, hoe het product uiteindelijk wordt verwijderd, en wat er zou zijn gebeurd als er geen productie had plaatsgevonden. (LCA is duivels ingewikkeld en er zijn momenteel geen algemeen aanvaarde normen die bepalen hoe het wordt gedaan.)

Sommige toepassingen van CO2 – bijvoorbeeld het maken van vloeibare brandstoffen ter vervanging van benzine en dieselbrandstof – houden alleen koolstof vast totdat de brandstof wordt verbrand, op welk punt het weer in de atmosfeer wordt vrijgelaten. Zij verwijderen geen CO2 uit de atmosfeer, maar recycleren het eenmaal en zetten het dan terug; in het Nature-artikel worden ze “cyclische” processen genoemd. Maar door een koolstofneutraal proces te vervangen door een koolstofintensief proces, verminderen zij de netto-emissies (CO2ρ) ten opzichte van wat er anders zou zijn gebeurd.

Overig gebruik van CO2 – bijvoorbeeld als onderdeel van het cementproductieproces – sluit koolstof veel langer in. Beton zal CO2 niet permanent uit de atmosfeer houden, maar kan het waarschijnlijk wel een eeuw of langer opslaan, dus telt het in alle opzichten als koolstofopslag (CO2’s). De Nature paper noemt dit “gesloten” processen.

LCA is complex, en de details doen er toe, maar een algemene conclusie uit de literatuur is dat “het potentieel voor netto emissiereducties veel groter is dan voor netto verwijderingen, die zeer bescheiden lijken.” Over het geheel genomen zal CCU waarschijnlijk niet resulteren in veel CO2, maar het zou wel een aanzienlijke CO2ρ kunnen opleveren.

Het beoordelen van het klimaatvoordeel van verschillende CCU-opties is van het grootste belang. Beleidsmakers moeten altijd in gedachten houden dat CCU geen goed op zich is. Het is alleen de moeite waard om het na te streven voor zover het een betekenisvol klimaatverschil oplevert.

De tweede vraag is, wat is de potentiële schaal van de CCU-technologie? Als het een gespecialiseerd product is of een product met een laag volume, is het misschien niet de moeite waard om uit te zoeken hoe het commercieel kan worden gemaakt met afgevangen CO2. Het ligt voor de hand dat beleidsmakers en investeerders hun aandacht en middelen moeten concentreren op de technologieën met het grootste totale potentieel. (We zullen zo dadelijk een rangschikking van technologieën naar potentieel bekijken.)

En de derde vraag is, hoe ver staat de CCU-technologie op de leercurve? Is het een speculatieve technologie die vooral bestaat in het laboratorium en een paar proefprojecten, zoals synthetische vloeibare brandstoffen, of is het een gevestigde technologie met een marktgroeipotentieel op korte termijn, zoals CO2 in cement?

Al deze vragen zijn belangrijk bij het beoordelen van het potentieel van CCU-technologieën om praktische klimaatoplossingen te bieden.

Wat zijn die technologieën dan? Laten we er eens een paar bekijken.

Nature

(Er zijn veel verschillende manieren om ze op te delen; mijn lijst is een beetje een mash-up van het Nature-paper waarnaar hierboven wordt verwezen en deze uitputtende 2016-roadmap uitgevoerd door Lux Research voor het Global CO2 Initiative.)

Betonbouwmaterialen

Er zijn verschillende technologieën hier, allemaal gerelateerd aan beton, dat een mix is van cement, water, en toeslagstoffen. Het cement is een fijn poeder dat, wanneer het door het water wordt geactiveerd, de aggregaten bindt tot een stevig mengsel.

Ten eerste kunnen aggregaten – die in beton, asfalt en bouwmateriaal worden verwerkt – worden gemaakt door gasvormig CO2 om te zetten in vaste minerale carbonaten zoals calciumcarbonaat (CaCO3), een proces dat bekend staat als “CO2-mineralisatie.” (Zie Blauwe Planeet.)

Ten tweede kan CO2 worden vervangen door water bij het “harden” van beton tijdens het mengen, wat resulteert in een soortgelijke mineralisatie. Het blijkt dat dit het beton sterker maakt en bovendien veel water bespaart. (Zie bijvoorbeeld Solidia en CarbonCure.)

Ten derde kan cement geleidelijk worden vervangen door nieuwe bindmiddelen die CO2 opnemen en mineraliseren. (Zie CO2-beton.)

In de vierde plaats, en het meest speculatief, is er een veelbelovende technologie die wordt gepromoot door het EU-project Lime & Cement met lage emissie-intensiteit (LEILAC). Het productieproces voor cement en kalk omvat chemische reacties (geen verbranding van fossiele brandstoffen) waarbij onvermijdelijk CO2 vrijkomt. LEILAC wil het proces zo aanpassen dat er een gezuiverde CO2-afvalstroom ontstaat die gemakkelijk kan worden opgevangen en ofwel kan worden vastgelegd ofwel kan worden hergebruikt.

In theorie althans kan men zich voorstellen dat gezuiverde CO2-emissies uit het cementproductieproces worden opgevangen en vervolgens opnieuw in het proces worden geïnjecteerd als een CO2-mineraliserend bindmiddel wordt gemengd met CO2-gebaseerde aggregaten. Als al deze elementen op elkaar kunnen worden afgestemd – en om duidelijk te zijn, dat wordt nog nergens ter wereld gedaan – zouden de resulterende bouwmaterialen aanspraak kunnen maken op het feit dat ze werkelijk koolstofnegatief zijn, op basis van de levenscyclus. Ze zouden niet alleen de netto-emissies (CO2ρ) verminderen, ze zouden ook semi-permanent koolstof (CO2s) opslaan.

Maar afgezien daarvan, zelfs als met cement alleen CO2ρ en geen CO2s wordt bereikt, is de kans hier groot en onmiddellijk. Deze technologieën (althans de eerste twee) zijn ingeburgerd en hebben een betrekkelijk laag energieverbruik; zij kunnen potentieel resulteren in koolstofvastlegging op een schaal van miljarden tonnen.

Liquid fuels

Tegenwoordige vloeibare brandstoffen – benzine, diesel, en meer zeldzame varianten zoals jet fuel – worden gemaakt door raffinage van koolwaterstoffen die uit de grond worden opgeboord. In plaats daarvan kunnen ze worden gemaakt met koolstof uit de lucht.

“Synthetische brandstoffen” kunnen op veel verschillende manieren worden gemaakt, via veel verschillende processen en chemie, wat resulteert in een grote verscheidenheid aan brandstoffen. Er zijn synthetische brandstoffen die elke vloeibare brandstof kunnen vervangen.

De eenvoudigste manier om er over na te denken is als een mengsel van drie dingen: een op koolstof gebaseerde molecule (gewoonlijk CO2), waterstof, en energie. De energie wordt gebruikt om de zuurstof van de koolstof los te wrikken en de koolstof aan de waterstof te hechten. Vandaar “koolwaterstoffen.”

De koolstofintensiteit van de resulterende brandstoffen hangt af van de bron van alle drie de componenten: de CO2, de elektriciteit, en de waterstof.

Als de CO2 afkomstig is van ondergrondse afzettingen, de elektriciteit van fossiele brandstoffen, en de waterstof van stoomreforming van aardgas (zoals ruwweg 95% van de waterstof vandaag doet), is de resulterende brandstof uiterst koolstofintensief.

Als de CO2 uit de omgevingslucht komt, de elektriciteit uit hernieuwbare energiebronnen, en de waterstof uit door zonne-energie aangedreven elektrolyse (waarbij waterstof rechtstreeks uit water wordt gehaald), dan is de resulterende brandstof extreem koolstofarm.

Koolstofneutrale vloeibare brandstoffen zijn vrijwel zeker de grootste potentiële markt voor CO2. Er zijn veel vloeibare brandstoffen in de wereld, en er zijn bestaande markten voor schonere alternatieven, onder meer in staten als Californië en Oregon met een low-carbon fuel standard (LCFS).

HyTech Power

Vermindering van de kosten van koolstofafvang zou helpen bij synthetische brandstoffen, maar het zijn de andere twee ingrediënten, waterstof en energie, die een groter deel van de kosten vertegenwoordigen. Er is veel energie nodig om waterstof te elektrolyseren en er is nog meer nodig om CO2 uit elkaar te halen. (Al die energie kost geld.

Extreem goedkope hernieuwbare energie is de sleutel om koolstofneutrale synthetische brandstoffen te laten werken, omdat het de sleutel is tot goedkope waterstof, en voor de productie van synthetische brandstoffen op schaal is veel waterstof nodig. In een speciaal rapport over sectoren die moeilijk koolstofvrij te maken zijn, zoals de industrie en de luchtvaart, benadrukt de Energy Transitions Commission de behoefte aan synthetische brandstoffen, en dus de behoefte aan waterstof: “Het bereiken van een economie met een netto-nul-CO2-uitstoot vereist een toename van de wereldwijde waterstofproductie van 60 per jaar nu tot iets van 425-650 Mt tegen het midden van de eeuw.”

Zelfs als waterstof geen grote directe rol speelt in transport (dat zal het waarschijnlijk niet), zal het nog steeds nodig zijn voor synthetische brandstoffen, die op hun beurt nodig zijn om moeilijk te bereiken sectoren zoals de industrie koolstofvrij te maken. Om elektrolyse van “groene waterstof” mogelijk te maken, moet hernieuwbare energie echt goedkoop worden.

Er zijn genoeg analisten die denken dat zonne-energie op goede locaties binnenkort de goedkoopste elektriciteit ter wereld zal produceren, tot $20 of zelfs $10 per megawattuur. En er zullen perioden zijn met een overschot aan zonne-energie dat moet worden opgebruikt, energie die anders misschien verloren zou zijn gegaan.

“Hoewel de productie van complexere koolwaterstoffen energetisch en dus economisch duur is,” zegt de Nature paper, “zouden snelle kostenreducties kunnen optreden als hernieuwbare energie – die een groot deel van de totale kosten vertegenwoordigt – goedkoper blijft worden, en als het beleid andere kostenreducties stimuleert.”

Synthetische brandstoffen bestaan vandaag de dag nog niet op enige marktschaal (“current flows are near-zero,” zoals in het Nature-artikel staat), maar als alles op alles wordt gezet om ze te ondersteunen, is het denkbaar dat ze een substantieel deel van de mondiale brandstoffenmarkt veroveren, en dat is niet niks. Het is geen CO2, maar het is een hele hoop CO2ρ.

Om duidelijk te zijn: de toekomst is elektrificatie. Als het gaat om decarbonisatie, is het altijd beter om het eindgebruik van energie te elektrificeren – om de elektriciteit direct te gebruiken, in plaats van een grote fractie ervan te verliezen aan conversies – maar zelfs in optimistische scenario’s zullen er sectoren zijn die moeilijk te elektrificeren zijn.

Koolstofneutrale vloeibare brandstoffen voor sectoren die moeilijk te decarboniseren zijn, vormen zowel een grote markt als een belangrijk stuk van de decarbonisatiepuzzel.

MIT

chemie en kunststoffen

Met behulp van diverse katalysatoren kan van CO2 een verscheidenheid aan chemische tussenproducten worden gemaakt – materialen die vervolgens als grondstof dienen in andere industriële processen, zoals methanol, syngas, en mierenzuur.

CO2 kan ook door katalysatoren worden omgezet in polymeren, de voorlopers voor kunststoffen, kleefstoffen en farmaceutische producten. Voorlopig zijn van CO2 afgeleide polymeren vrij duur, maar kunststoffen vormen een andere potentieel belangrijke markt – zij vertegenwoordigen een groeiende fractie van de vraag naar vloeibare fossiele brandstoffen. En ze hebben een levensduur van tientallen jaren tot eeuwen, dus ze bieden een zeker potentieel voor CO2.

Momenteel zijn slechts enkele chemische toepassingen van CO2 op schaal gecommercialiseerd, waaronder de productie van ureum en polycarbonaatpolyolen.

Algen

Opgevangen CO2 kan worden gebruikt om de groei van algen te versnellen, die de capaciteit hebben om veel meer CO2 op te nemen, veel sneller, dan welke andere bron van biomassa dan ook. En algen zijn uniek nuttig. Ze kunnen dienen als grondstof voor voedsel, biobrandstoffen, kunststoffen, en zelfs koolstofvezel (zie nr. 5). Het is vermeldenswaard dat algen zo’n vijf jaar geleden werden gezien als een soort wonderplant, maar de sector is niet echt van de grond gekomen en veel van de eerste bedrijven zijn ten onder gegaan.

Nieuwe materialen

Hier vinden we meer speculatieve, baanbrekende, maar potentieel belangrijke markten. CO2 kan worden verwerkt tot hoogwaardige materialen – koolstofcomposieten, koolstofvezels, grafeen – die een hele reeks materialen kunnen vervangen, van metalen tot beton.

Het team van C2CNT gebruikt bijvoorbeeld “gesmolten elektrolyse” om CO2 direct om te zetten in koolstofnanobuisjes, die sterker zijn dan staal en sterk geleiden. Ze worden al gebruikt in hoogwaardige toepassingen zoals de Boeing Dreamliner en sommige sportauto’s. Maar naarmate ze goedkoper worden, is er bijna geen plafond meer voor de markt.

Om maar een voorbeeld te noemen: denk aan het vervangen van koper door koolstofnanobuisjes in elektriciteitsbedrading. (Met dank aan Adam Siegel voor het wijzen op dit idee.) Vrijwel elke toepassing van elektriciteit, van het ruimtestation tot elektrische voertuigen tot huishoudelijke apparaten, zou baat hebben bij lichtere bedrading die beter geleidt.

En dan is er nog staal, het meest gebruikte metaal ter wereld, verantwoordelijk voor tussen de 7 en 9 procent van de wereldwijde CO2-uitstoot uit fossiele brandstoffen. Als koolstofhoudende materialen staal op enige schaal zouden kunnen vervangen, zou dat miljarden tonnen minder uitstoot kunnen betekenen, om nog maar te zwijgen van de feitelijk permanente koolstofvastlegging.

Of course, this kind of materials research is still in its early stages and will take some technological doorbraken to bring down costs enough to begin displacing other materials at scale. Voorlopig krijgen koolstofmaterialen voet aan de grond in boetemarkten.

Vergelijking van CCU-technologieën op kosten en potentieel

In het Nature-artikel worden 10 verschillende CCU-paden vergeleken, waaronder de natuurlijke, die ik hier buiten beschouwing heb gelaten, en EOR, dat ik in mijn vorige bericht heb behandeld. De grafiek hieronder bevat dus wat irrelevante informatie voor onze doeleinden. Desalniettemin is het de moeite waard om het nauwkeurig te bestuderen, omdat het de paden laat zien naar kosten, potentieel voor CO2-gebruik, en technologische gereedheid (TRL). Er zijn twee scenario’s, die de lage en hoge kant van de prognoses weergeven.

Nature

Zero op de verticale as is de huidige “breakeven cost” (in dollars van 2015), het punt waarop een technologie concurrerend is met de gevestigde bedrijven. Technologieën onder die lijn zijn al concurrerend. Degenen boven de lijn zouden een evenredige subsidie nodig hebben om te kunnen concurreren.

De breedte van de staven geeft de hoeveelheid CO2 aan die de technologie tegen 2050 jaarlijks zou kunnen gebruiken (gebaseerd op projecties en de mening van deskundigen). En de kleur van een staaf geeft de TRL aan.

Gebaseerd op het optimistische hoge scenario, zijn enkele van de chemische routes (polyol, ureum, en methanol) al kostenconcurrerend, hoewel hun potentieel voor CO2-gebruik relatief klein is, dicht bij een gigaton cumulatief.

De betontrajecten (aggregaten en uitharding) zijn vrij dicht bij kostenconcurrentie en met name uitharding heeft een vrij groot potentieel, vooral als je bedenkt dat de CO2 twee keer meetelt, eenmaal als emissiereductie, eenmaal als permanente opslag.

Troublely, the industrial CCU technology pathways with the most total potential to use CO2 are the most expensive relative to incumbents.

Totaal zouden synthetische vloeibare brandstoffen (methanol, methaan, dimethylether en Fischer-Tropsch-brandstoffen) tegen 2050 meer dan 4 gigaton CO2 per jaar kunnen gebruiken. (Ter vergelijking: de wereldwijde CO2-uitstoot in 2018 bedroeg ongeveer 37 gigaton.) Maar ze hebben momenteel iets van $ 500 per ton CO2-subsidie nodig om te kunnen concurreren.

Niettemin, zoals de Nature paper zegt, “veel technologieën zijn in de zeer vroege stadia van ontwikkeling, en kostenoptimalisatie via onderzoek en ontwikkeling zou deze schattingen aanzienlijk kunnen veranderen.” Als er één doel is voor gecoördineerd O&O dat voor de hand lijkt te liggen, dan zijn het synthetische brandstoffen.

Hier is dezelfde informatie in tabelvorm, als dat uw ding is:

Nature

Eén ding dat de tabel duidelijk maakt is dat de bandbreedtes van sommige van deze projecties extreem groot zijn ($0 tot $670?), wat de enorme mate van onzekerheid weerspiegelt die hiermee gemoeid is.

Hoe deze CCU-technologieën zich ontwikkelen zal afhangen van de prijscurve van duurzame energie, de prijscurve van groene waterstof, ontwikkelingen op een reeks markten, en het niveau van O&O en beleidssteun die zij van wetgevers krijgen. Al deze zijn afzonderlijk moeilijk te voorspellen; uitzoeken hoe ze tot 2050 op elkaar kunnen inwerken is een spel van educated guessing.

CCU kan meer doen als er beleid is om het te ondersteunen

De conclusies van het Nature-document weerspiegelen het gemiddelde van een enorm aantal studies en deskundigen, die proberen de huidige kosten te bepalen en wat er zal gebeuren.

Maar het is de moeite waard om op zijn minst een snelle blik te werpen op enkele meer optimistische schattingen van wat er zou kunnen gebeuren met ondersteunend beleid.

In 2016 heeft het Global CO2 Initiative een uitgebreide routekaart voor CCU besteld bij Lux Research. Het projecteerde niet alleen hoe CCU-technologieën zouden kunnen schalen onder business as usual, maar ook hoe ze zouden kunnen schalen als de beleidsaanbevelingen in de routekaart worden gevolgd.

Hier is hoe de routekaart het CO-reductiepotentieel van verschillende CCU-technologieën beoordeelt:

GCI

Zoals u kunt zien, zou het volgen van de “strategische acties” die in het rapport worden aanbevolen, het CO2-absorptiepotentieel van zowel aggregaten als synthetische brandstoffen radicaal kunnen uitbreiden. In de routekaart wordt geschat dat, aan de bovengrens, “meer dan 10% van de jaarlijkse CO2-uitstoot in deze producten kan worden opgevangen”.

Hier is het totale inkomstenpotentieel van de CCU-markten:

Ook hier laten brandstoffen en aggregaten een enorm potentieel zien, dat bij goed beleid tien- of twintigvoudig kan groeien. In de routekaart wordt geschat dat de totale jaarlijkse inkomsten van de gecombineerde markten tegen 2030 tussen 800 miljard en 1,1 biljoen dollar kunnen bedragen.

Zoals ik al zei, het gaat hier om voorzichtige schattingen, maar toch, als CCU-technologieën kunnen uitgroeien tot een bedrijf van meer dan 1 biljoen dollar dat de mondiale uitstoot met 10 procent terugdringt, lijken ze een serieuze investering van aandacht en middelen waard. Hoe meer we kunnen gebruiken, hoe minder we zullen uitstoten.

Hoe moeten beleidsmakers CCU-technologieën benaderen? Wat is de juiste manier om ze te ondersteunen en, meer in het algemeen, wat is de juiste manier om erover na te denken in de context van de grotere klimaatstrijd? Ik zal deze vragen in mijn volgende bericht behandelen.