Jest to część trzecia z czteroczęściowej serii na temat wychwytywania i utylizacji dwutlenku węgla (CCU), rosnącego przemysłu poświęconego wykorzystaniu dwutlenku węgla wychwyconego z atmosfery do walki ze zmianami klimatu. Część pierwsza przedstawia CCU i jego podstawowe formy, a część druga dotyczy intensyfikacji wydobycia ropy naftowej, największego obecnie zastosowania CO2. Czwarty post rozważa, jak decydenci polityczni powinni podchodzić do technologii CCU.

W tym momencie dobrze rozumiemy, że dwutlenek węgla jest śmiertelnym zanieczyszczeniem, które podgrzewa atmosferę. Co jest mniej zrozumiałe, to fakt, że CO2 jest również użytecznym surowcem, wkładem do wielu procesów przemysłowych. Od tworzyw sztucznych po beton, CO2 jest podstawowym budulcem przemysłowym – cennym towarem.

Dla wielu działaczy na rzecz klimatu sugeruje to, że być może powinniśmy wykorzystywać go więcej. Być może, jeśli branże wykorzystujące CO2 mogłyby zostać zachęcone do zwiększenia jego wykorzystania, moglibyśmy wykorzystać go wystarczająco dużo, aby znacząco zmniejszyć ilość, którą emitujemy do atmosfery.

Zużywaj więcej; emituj mniej. To jest podstawowa idea kryjąca się za wychwytywaniem i utylizacją węgla (CCU), jednym z najgorętszych tematów w czystej energii w tych dniach.

W moim pierwszym poście z tej serii, przedstawiłem koncepcję CCU i jej podstawowe formy. W drugim przyjrzałem się temu, co jest obecnie najbardziej powszechnym przemysłowym zastosowaniem CO2, a mianowicie intensyfikacja wydobycia ropy naftowej (EOR), gdzie CO2 jest wstrzykiwany do zużytych odwiertów, aby wycisnąć więcej ropy i gazu. (To skomplikowane.)

W tym poście przyjrzymy się innym przemysłowym zastosowaniom CO2, aby spróbować zorientować się, na ile są one opłacalne, jaki może być ich całkowity potencjał i czy mogą odegrać znaczącą rolę w walce ze zmianami klimatu. Fun times!

Jedna ważna uwaga: Dla celów tego postu, patrzę na procesy przemysłowe. Polegają one na wyciąganiu CO2 z powietrza – albo z gazów spalinowych zakładów przemysłowych, poprzez tradycyjne wychwytywanie węgla, albo z powietrza atmosferycznego, poprzez bezpośrednie wychwytywanie powietrza (DAC) – koncentrowaniu go i wykorzystaniu jako surowca przemysłowego.

Istnieje również szereg naturalnych sposobów gromadzenia większej ilości CO2, od sadzenia większej ilości lasów do sekwestracji większej ilości węgla w glebie. Są one interesujące i mają potencjalnie znaczącą skalę, ale zasługują na swój własny post. Ten post jest o maszynach.

Inżynieria węglowa

Trzy ważne sposoby oceny technologii CCU

Zanim zajmiemy się różnymi formami CCU, pamiętajmy o trzech ważnych pytaniach, które powinniśmy zadawać o nich wszystkich, gdy bierzemy pod uwagę ich miarę.

Pytania te pochodzą z gigantycznego przeglądu literatury na temat CCU, opublikowanego niedawno w czasopiśmie Nature, w którym oceniono ponad 11 000 prac i któremu towarzyszyło badanie opinii ekspertów. Pomaga to wyraźnie skupić się na kluczowych metrykach związanych z oceną tych technologii.

Pierwsze pytanie brzmi, czy technologia CCU przynosi korzyści dla klimatu? Czy zmniejsza ona emisję dwutlenku węgla, a jeśli tak, to o ile? Czy sekwestruje węgiel, a jeśli tak, to na jak długo?

Jest tu kilka nakładających się pojęć, które są często mylone w popularnym dialogu, więc warto je rozróżnić. Oto jak robi to gazeta Nature:

• CO2u: wykorzystanie CO2
• CO2ρ: redukcja emisji CO2 w stosunku do poziomu bazowego
• CO2r: usunięcie CO2 z atmosfery
• CO2s: magazynowanie CO2

Royal Society

Różne technologie CCU wiążą się z różnymi ich mieszankami. Określenie wpływu netto na emisję dwutlenku węgla technologii CCU wymaga analizy cyklu życia (LCA), która bierze pod uwagę skąd pochodzi CO2, ile energii jest zużywane w produkcji, skąd pochodzi energia, ile CO2 jest uwalniane podczas produkcji, czy którykolwiek z uwalnianych CO2 jest wychwytywany, jak produkt jest ostatecznie usuwany i co miałoby miejsce w przypadku braku produkcji. (LCA jest diabelnie skomplikowana i nie ma obecnie powszechnie podzielanych standardów regulujących sposób jej wykonywania.)

Niektóre zastosowania CO2 – powiedzmy, wytwarzanie paliw płynnych, które zastępują benzynę i olej napędowy – blokują tylko węgiel do momentu spalenia paliwa, w którym jest on ponownie uwalniany do atmosfery. W ten sposób CO2 nie jest usuwany z atmosfery, a jedynie raz przetworzony i ponownie wprowadzony do obiegu; w artykule Nature nazwano je procesami “cyklicznymi”. Ale poprzez zastąpienie procesu neutralnego pod względem emisji dwutlenku węgla procesem intensywnym pod względem emisji dwutlenku węgla, zmniejszają one emisje netto (CO2ρ) w stosunku do tego, co miałoby miejsce w przeciwnym wypadku.

Inne zastosowania CO2 – powiedzmy, jako część procesu produkcji cementu – blokują węgiel na znacznie dłużej. Beton nie będzie trwale utrzymywał CO2 z dala od atmosfery, ale może prawdopodobnie przechowywać go przez sto lat lub dłużej, więc dla wszystkich zamiarów i celów liczy się jako magazynowanie węgla (CO2). Artykuł w Nature nazywa te procesy “zamkniętymi”.

LCA jest skomplikowana, a szczegóły mają znaczenie, ale jeden szeroki wniosek z literatury jest taki, że “potencjał dla redukcji emisji netto jest znacznie większy niż dla usuwania netto, które wydaje się bardzo skromne.” Ogólnie rzecz biorąc, CCU prawdopodobnie nie spowoduje dużej ilości CO2, ale może wytworzyć znaczne ilości CO2ρ.

Ocena korzyści klimatycznych różnych opcji CCU jest najważniejsza. Politycy powinni zawsze pamiętać, że CCU nie jest dobrem samym w sobie. Warto do niego dążyć tylko wtedy, gdy powoduje znaczącą różnicę w klimacie.

Drugie pytanie brzmi: jaka jest potencjalna skala technologii CCU? Jeśli jest to produkt specjalistyczny lub niskonakładowy, może nie być wart wysiłków badawczo-rozwojowych, aby dowiedzieć się, jak sprawić, by działał komercyjnie z wychwyconym CO2. Rozumie się więc, że decydenci i inwestorzy powinni traktować priorytetowo swoje uwagi i zasoby w oparciu o technologie o największym całkowitym potencjale. (Za chwilę przyjrzymy się rankingowi technologii według potencjału.)

I trzecie pytanie brzmi, jak daleko technologia CCU znajduje się na krzywej uczenia się? Czy jest to technologia spekulacyjna, która istnieje głównie w laboratoriach i kilku projektach pilotażowych, jak syntetyczne paliwa płynne, czy też jest to technologia o ugruntowanej pozycji z bliskim potencjałem wzrostu rynku, jak CO2 w cemencie?

Wszystkie te pytania są ważne w ocenie potencjału technologii CCU do dostarczenia praktycznych rozwiązań klimatycznych.

Jakie więc są te technologie? Przyjrzyjmy się kilku z nich.

Nature

(Istnieje wiele różnych sposobów ich podziału; moja lista jest trochę zlepkiem artykułu Nature, o którym mowa powyżej i tej wyczerpującej mapy drogowej z 2016 r. przeprowadzonej przez Lux Research dla Global CO2 Initiative.)

Betonowe materiały budowlane

Jest tu kilka technologii, wszystkie związane z betonem, który jest mieszanką cementu, wody i kruszywa. Cement jest drobnym proszkiem, który po aktywacji przez wodę, wiąże kruszywa w sztywną mieszankę.

Po pierwsze, kruszywa – które są włączone do betonu, asfaltu i wypełnienia budowlanego – mogą być wykonane przez przekształcenie gazowego CO2 w stałe węglany mineralne, takie jak węglan wapnia (CaCO3), proces znany jako “mineralizacja CO2”. (Patrz Blue Planet.)

Po drugie, CO2 może być zastąpiony wodą w “utwardzaniu” betonu podczas jego mieszania, w wyniku czego następuje podobna mineralizacja. Okazuje się, że to faktycznie sprawia, że otrzymany beton jest mocniejszy, oprócz oszczędzania dużej ilości wody. (Zobacz, na przykład, Solidia i CarbonCure.)

Po trzecie, cement może zostać wycofany na rzecz nowych środków wiążących, które absorbują i mineralizują CO2. (Patrz Beton CO2.)

Po czwarte, i najbardziej spekulacyjne, to obiecująca technologia forsowana przez unijny projekt Low Emissions Intensity Lime & Cement (LEILAC). Proces produkcji cementu i wapna obejmuje reakcje chemiczne (nie spalanie paliw kopalnych), które nieuchronnie uwalniają CO2. LEILAC stara się udoskonalić ten proces tak, aby tworzył oczyszczony strumień odpadów CO2, który można łatwo wychwycić i albo sekwestrować, albo ponownie wykorzystać.

Przynajmniej w teorii, można sobie wyobrazić, że oczyszczone emisje CO2 z procesu produkcji cementu są wychwytywane, a następnie ponownie wtłaczane do procesu, gdy CO2-mineralizujący środek wiążący jest mieszany z kruszywami na bazie CO2. Gdyby wszystkie te elementy udało się połączyć – a żeby było jasne, nigdzie na świecie nie jest to jeszcze realizowane – powstałe w ten sposób materiały budowlane mogłyby pretendować do miana prawdziwie negatywnych pod względem emisji dwutlenku węgla w całym cyklu życia. Nie tylko zmniejszyłyby one emisje netto (CO2ρ), ale również półtrwale przechowywałyby węgiel (CO2s).

Ale krótko po tym, nawet jeśli cement osiągnie tylko CO2ρ, a nie CO2s, szansa jest duża i natychmiastowa. Te technologie (przynajmniej dwie pierwsze) są ugruntowane i stosunkowo niskoenergetyczne; mogłyby potencjalnie doprowadzić do sekwestracji węgla na skalę miliardów ton.

Paliwa płynne

Dzisiaj paliwa płynne – benzyna, olej napędowy i rzadsze warianty jak paliwo odrzutowe – są wytwarzane przez rafinację węglowodorów wydobywanych spod ziemi. Zamiast tego mogą być produkowane z węgla pochodzącego z powietrza.

“Paliwa syntetyczne” mogą być wykonane na wiele różnych sposobów, poprzez wiele różnych procesów i chemii, co skutkuje różnorodnością paliw. Istnieją paliwa syntetyczne, które mogą zastąpić każde paliwo płynne.

Najprostszym sposobem myślenia o nich jest mieszanka trzech rzeczy: cząsteczki opartej na węglu (zwykle CO2), wodoru i energii. Energia jest używana do wyrwania tlenu z węgla i przyklejenia węgla do wodoru. Stąd “węglowodory.”

Intensywnośćsza emisja węgla w powstałych paliwach zależy od źródła wszystkich trzech składników: CO2, elektryczności i wod po usuwaniu wodoru.

Jeśli CO2 pochodzi z powietrza atmosferycznego, energia elektryczna pochodzi z odnawialnych źródeł, a wodór pochodzi z elektrolizy zasilanej energią słoneczną (która wyciąga wodór bezpośrednio z wody), powstałe paliwo jest niezwykle niskoemisyjne.

Bezwęglowe paliwa płynne są prawie na pewno największym potencjalnym rynkiem dla CO2. Na świecie jest wiele paliw płynnych i istnieją rynki czystszych alternatyw, w tym w stanach takich jak Kalifornia i Oregon, które wprowadziły normę paliw niskoemisyjnych (LCFS).

HyTech Power

Obniżenie kosztów wychwytywania dwutlenku węgla pomogłoby w przypadku paliw syntetycznych, ale to pozostałe dwa składniki, wodór i energia, stanowią większą część kosztów. Potrzeba dużo energii do elektrolizy wodoru i jeszcze więcej, aby rozdzielić CO2. (CO2 jest ściśle związany; nie chce się rozdzielić). Cała ta energia kosztuje pieniądze.

Niezwykle tania energia odnawialna jest kluczem do tego, aby neutralne węglowo paliwa syntetyczne działały, ponieważ jest to klucz do taniego wodoru, a produkcja paliw syntetycznych na skalę będzie wymagała dużej ilości wodoru. W specjalnym raporcie na temat trudnych do dekarbonizacji sektorów, takich jak przemysł i podróże lotnicze, Komisja ds. Przemian Energetycznych podkreśliła potrzebę paliw syntetycznych, a tym samym potrzebę wodoru: “Osiągnięcie gospodarki o zerowej emisji CO2 netto będzie wymagało zwiększenia globalnej produkcji wodoru z 60 rocznie obecnie do około 425-650 Mt w połowie stulecia.”

Nawet jeśli wodór nie będzie odgrywał bezpośredniej roli w transporcie (prawdopodobnie nie będzie odgrywał), nadal będzie potrzebny do produkcji paliw syntetycznych, które z kolei są potrzebne do dekarbonizacji trudno dostępnych sektorów, takich jak przemysł. Aby elektroliza “zielonego wodoru” była możliwa, energia odnawialna musi stać się naprawdę tania.

Jest wielu analityków, którzy uważają, że energia słoneczna na skalę przemysłową w dobrych lokalizacjach będzie wkrótce produkować najtańszą energię elektryczną na świecie, do 20, a nawet 10 dolarów za megawatogodzinę. A będą okresy nadwyżki energii słonecznej, które trzeba będzie wykorzystać, energii, która w przeciwnym razie mogłaby zostać zmarnowana.

“Chociaż produkcja bardziej złożonych węglowodorów jest kosztowna pod względem energetycznym, a zatem i ekonomicznym,” mówi artykuł w Nature, “szybkie obniżki kosztów mogą potencjalnie nastąpić, jeśli energia odnawialna – która stanowi dużą część całkowitego kosztu – nadal będzie tanieć, i jeśli polityka będzie stymulować inne obniżki kosztów.”

Paliwa syntetyczne skutecznie nie istnieją dzisiaj na żadnej skali rynkowej (“obecne przepływy są bliskie zeru”, jak mówi artykuł Nature), ale jeśli wszystko się zbiegnie, aby je wspierać, mogą one potencjalnie uchwycić znaczną część globalnego rynku paliw, co nie jest małą rzeczą. Nie jest to CO2, ale jest to cała masa CO2ρ.

Aby było jasne: przyszłość to elektryfikacja. Jeśli chodzi o dekarbonizację, zawsze lepiej jest elektryfikować końcowe zastosowania energii – wykorzystywać energię elektryczną bezpośrednio, zamiast tracić jej dużą część na konwersję – ale nawet w optymistycznych scenariuszach będą sektory, które trudno będzie zelektryfikować.

Bezemisyjne paliwa płynne dla sektorów trudnych do dekarbonizacji to zarówno duży rynek, jak i kluczowy element układanki dekarbonizacji.

MIT

Chemia i tworzywa sztuczne

Używając różnych katalizatorów, CO2 można przekształcić w szereg półproduktów chemicznych – materiałów, które następnie służą jako surowce w innych procesach przemysłowych, takich jak metanol, syngaz i kwas mrówkowy.

CO2 może być również przekształcony przez katalizatory w polimery, prekursory dla tworzyw sztucznych, klejów i farmaceutyków. Na razie polimery pochodzące z CO2 są dość drogie, ale tworzywa sztuczne to kolejny potencjalnie znaczący rynek – stanowią one rosnący ułamek zapotrzebowania na płynne paliwa kopalne. A ich żywotność wynosi od dziesięcioleci do stuleci, więc stanowią one pewien potencjał dla CO2.

Obecnie tylko kilka chemicznych zastosowań CO2 jest komercjalizowanych na skalę, w tym produkcja mocznika i poliwęglanowych polioli.

Algi

Złapany CO2 może być wykorzystany do przyspieszenia wzrostu alg, które mają zdolność pochłaniania go znacznie więcej, znacznie szybciej, niż jakiekolwiek inne źródło biomasy. A algi są wyjątkowo użyteczne. Mogą służyć jako surowiec do produkcji żywności, biopaliw, tworzyw sztucznych, a nawet włókien węglowych (patrz nr 5). Warto zauważyć, że około pięć lat temu algi były postrzegane jako rodzaj cudownej rośliny, ale sektor ten tak naprawdę się nie przyjął, a wiele pierwszych firm zbankrutowało.

Nowe materiały

To tutaj znajdujemy bardziej spekulacyjne, nowatorskie, ale potencjalnie doniosłe rynki. CO2 może być wytwarzany w wysokowydajne materiały – kompozyty węglowe, włókna węglowe, grafen – które mogłyby zastąpić cały szereg materiałów, od metali po beton.

Na przykład, zespół w C2CNT używa “stopionej elektrolizy” do przekształcania CO2 bezpośrednio w nanorurki węglowe, które są mocniejsze niż stal i bardzo dobrze przewodzą prąd. Są one już wykorzystywane w wysokiej klasy aplikacjach, takich jak Boeing Dreamliner i niektóre samochody sportowe. Ale ponieważ stają się one tańsze, nie ma prawie żadnego pułapu na rynku.

Aby wziąć tylko jeden przykład, pomyśl o zastąpieniu nanorurek węglowych miedzią w okablowaniu elektrycznym. (Podziękowania dla Adama Siegela za wskazanie tego pomysłu.) Praktycznie każde zastosowanie elektryczności, od stacji kosmicznej przez pojazdy elektryczne po urządzenia gospodarstwa domowego, skorzystałoby z lżejszego okablowania, które lepiej przewodzi prąd.

I jeszcze stal, najczęściej używany metal na świecie, odpowiedzialny za od 7 do 9 procent globalnej emisji CO2 z paliw kopalnych. Jeśli materiały oparte na węglu mogłyby zastąpić stal na jakąkolwiek realną skalę, mogłoby to oznaczać miliardy ton zredukowanych emisji, nie wspominając o efektywnie trwałej sekwestracji węgla.

Oczywiście, ten rodzaj badań nad materiałami jest wciąż na wczesnym etapie i zajmie kilka technologicznych przełomów, aby obniżyć koszty na tyle, aby zacząć wypierać inne materiały na skalę. Na razie materiały węglowe zdobywają przyczółek na rynkach butików.

Porównanie technologii CCU pod względem kosztów i potencjału

Pismo Nature porównało 10 różnych ścieżek CCU, w tym naturalne, które tutaj wykluczyłem, oraz EOR, które omówiłem w moim ostatnim poście. Tak więc poniższy wykres zawiera pewne nieistotne dla naszych celów informacje. Niemniej jednak, warto przyjrzeć się mu bliżej, ponieważ pokazuje ścieżki według kosztów, potencjału wykorzystania CO2 oraz gotowości technologicznej (TRL). Istnieją dwa scenariusze, odzwierciedlające niski i wysoki poziom prognoz.

Przyroda

Zero na osi pionowej to dzisiejszy “koszt progu rentowności” (w dolarach z 2015 r.), punkt, w którym technologia jest konkurencyjna w stosunku do technologii obecnych na rynku. Te poniżej tej linii są już konkurencyjne. Te powyżej tej linii potrzebowałyby współmiernej dotacji jakiegoś rodzaju, aby konkurować.

Szerokość słupków wskazuje ilość CO2, którą technologia mogłaby wykorzystać rocznie do 2050 r. (na podstawie prognoz i opinii ekspertów). Kolor słupka wskazuje na jego TRL.

Based on the optimistic high scenario, a few of the chemical pathways (polyol, urea, and methanol) are already cost-competitive, though their potential for CO2 use is relatively small, close to a gigaton cumulatively.

Ścieżki betonowe (kruszywa i utwardzanie) są dość bliskie konkurencyjności kosztowej, a utwardzanie w szczególności ma dość duży potencjał, zwłaszcza jeśli weźmie się pod uwagę, że jego CO2 liczy się podwójnie, raz jako redukcja emisji, raz jako trwałe składowanie.

Niepokojące jest to, że przemysłowe ścieżki technologiczne CCU o największym całkowitym potencjale wykorzystania CO2 są najdroższe w porównaniu z dotychczasowymi.

Niemniej jednak, jak mówi papier Nature, “wiele technologii jest na bardzo wczesnym etapie rozwoju, a optymalizacja kosztów poprzez badania i rozwój może znacznie zmienić te szacunki.” Jeśli istnieje jeden cel dla wspólnych badań i rozwoju, który wydaje się oczywisty, są to paliwa syntetyczne.

Tutaj są te same informacje w formie tabeli, jeśli to jest twoja rzecz:

Nature

Jedną rzeczą w tabeli jest to, że zakresy niektórych z tych prognoz są niezwykle szerokie (od 0 do 670 dolarów?), odzwierciedlając ogromny stopień niepewności.

Jak rozwiną się te technologie CCU zależeć będzie od krzywej cen energii odnawialnej, krzywej cen zielonego wodoru, rozwoju wielu rynków, poziomu badań i rozwoju oraz wsparcia politycznego, jakie otrzymają od ustawodawców. Wszystkie te czynniki są indywidualnie trudne do przewidzenia; ustalenie, w jaki sposób mogą one oddziaływać na siebie do roku 2050, jest grą w zgadywanie.

CCU może zrobić więcej, jeśli istnieje polityka, która ją wesprze

Wnioski zawarte w artykule Nature odzwierciedlają średnią z ogromnej liczby badań i ekspertów, próbujących określić obecne koszty i to, co się wydarzy.

Warto jednak rzucić okiem na bardziej optymistyczne szacunki tego, co mogłoby się wydarzyć przy sprzyjającej polityce.

W 2016 r. organizacja Global CO2 Initiative zleciła firmie Lux Research opracowanie kompleksowej mapy drogowej dla CCU. Przewidywała ona nie tylko to, jak technologie CCU mogą się skalować w ramach zwykłej działalności, ale również to, jak mogą się skalować, jeśli zalecenia polityczne zawarte w mapie drogowej będą przestrzegane.

Tutaj, jak mapa drogowa ocenia potencjał redukcji CO różnych technologii CCU:

GCI

Jak widać, przestrzeganie “działań strategicznych” zalecanych w raporcie mogłoby radykalnie rozszerzyć potencjał absorpcji CO2 zarówno kruszyw, jak i paliw syntetycznych. Mapa drogowa szacuje, że w górnej granicy “ponad 10% rocznej emisji CO2 może być wychwycone w tych produktach.”

A oto całkowity potencjał przychodów rynków CCU:

Ponownie, paliwa i kruszywa wykazują ogromny potencjał, rosnący dziesięcio- lub dwudziestokrotnie przy dobrej polityce. Mapa drogowa szacuje, że całkowity roczny przychód połączonych rynków może wynieść od 800 miliardów do 1,1 biliona dolarów do 2030 roku.

Jak decydenci powinni podchodzić do technologii CCU? Jaki jest właściwy sposób ich wspierania i, szerzej, właściwy sposób myślenia o nich w kontekście szerszej walki o klimat? Zajmę się tymi pytaniami w moim następnym poście.