Aceasta este partea a treia dintr-o serie de patru părți despre captarea și utilizarea carbonului (CCU), industria în creștere dedicată utilizării dioxidului de carbon captat din atmosferă pentru a combate schimbările climatice. Prima parte prezintă CCU și formele sale de bază, iar partea a doua se referă la recuperarea îmbunătățită a petrolului, cea mai mare utilizare actuală a CO2. Al patrulea articol analizează modul în care factorii de decizie politică ar trebui să abordeze tehnologiile CCU.

Este bine înțeles în acest moment că dioxidul de carbon este un poluant mortal care încălzește atmosfera. Ceea ce este mai puțin bine înțeles este că CO2 este, de asemenea, o materie primă utilă, un input într-o varietate de procese industriale. De la materiale plastice la beton, CO2 este o componentă industrială de bază – o marfă valoroasă.

Pentru mulți militanți pentru climă, acest lucru sugerează că poate ar trebui să folosim mai mult. Poate că, dacă industriile care utilizează CO2 ar putea fi stimulate să crească utilizarea lor, am putea utiliza suficient pentru a reduce substanțial cantitatea pe care o emitem în atmosferă.

Utilizați mai mult; emiteți mai puțin. Aceasta este ideea de bază din spatele captării și utilizării carbonului (CCU), unul dintre cele mai fierbinți subiecte din domeniul energiei curate în aceste zile.

În prima mea postare din această serie, am prezentat conceptul de CCU și formele sale de bază. În cel de-al doilea, am analizat îndeaproape ceea ce este în prezent cea mai comună utilizare industrială a CO2, și anume recuperarea îmbunătățită a petrolului (EOR), prin care CO2 este injectat în puțuri uzate pentru a stoarce mai mult petrol și gaze. (Este complicat.)

În această postare, ne vom uita la celelalte utilizări industriale ale CO2 pentru a încerca să ne facem o idee despre cât de viabile sunt, care ar putea fi potențialul lor total și dacă ar putea juca un rol semnificativ în lupta împotriva schimbărilor climatice. Distracție plăcută!

O singură observație importantă: în scopul acestei postări, am în vedere procesele industriale. Acestea implică extragerea CO2 din aer – fie din gazele de ardere ale instalațiilor industriale, prin captarea tradițională a carbonului, fie din aerul înconjurător, prin captarea directă a aerului (DAC) – concentrarea acestuia și utilizarea lui ca materie primă industrială.

Există, de asemenea, o serie de modalități naturale de a capta mai mult CO2, de la plantarea mai multor păduri până la sechestrarea mai mult carbon în sol. Acestea sunt interesante și de o amploare potențial semnificativă, dar merită propriul lor post. Această postare se referă la mașini.

Carbon Engineering

Trei moduri importante de a evalua tehnologiile CCU

Înainte de a intra în diversele forme de CCU, să reținem trei întrebări importante pe care trebuie să le punem despre toate acestea atunci când le luăm măsura.

Întrebările sunt extrase dintr-o analiză uriașă a literaturii privind CCU, publicată recent în revista Nature, care a evaluat peste 11.000 de lucrări și a fost însoțită de un sondaj de opinie al experților. Aceasta ajută la evidențierea clară a parametrilor cheie implicați în evaluarea acestor tehnologii.

Prima întrebare este dacă tehnologia CCU produce un beneficiu climatic? Reduce ea emisiile de carbon și, dacă da, în ce măsură? Sechestrează carbonul și, dacă da, pentru cât timp?

Există câteva concepte care se suprapun aici și care sunt adesea confundate în dialogul popular, așa că merită să le distingem. Iată cum o face articolul din Nature:

• CO2u: utilizarea CO2
• CO2ρ: reducerea emisiilor de CO2 în raport cu linia de bază
• CO2r: eliminarea CO2 din atmosferă
• CO2s: stocarea CO2

Royal Society

Diferitele tehnologii CCU implică diferite amestecuri ale acestora. Determinarea impactului net al dioxidului de carbon al unei tehnologii CCU implică o analiză a ciclului de viață (LCA) care ia în considerare de unde provine CO2, câtă energie este utilizată în producție, de unde provine energia, cât CO2 este eliberat în timpul producției, dacă o parte din CO2 eliberat este captat, cum este eliminat în cele din urmă produsul și ce s-ar fi întâmplat în absența producției. (LCA este diabolic de complicată și, în prezent, nu există standarde larg împărtășite care să reglementeze modul în care se realizează.)

Câteva utilizări ale CO2 – de exemplu, producerea de combustibili lichizi care înlocuiesc benzina și motorina – blochează carbonul doar până când combustibilul este ars, moment în care acesta este eliberat din nou în atmosferă. Acestea nu elimină CO2 din atmosferă atât de mult cât îl reciclează o dată și apoi îl pun înapoi; articolul din Nature le numește procese “ciclice”. Dar prin înlocuirea unui proces neutru din punct de vedere al emisiilor de carbon cu unul intensiv în carbon, acestea reduc emisiile nete (CO2ρ) în raport cu ceea ce s-ar fi întâmplat altfel.

Alte utilizări ale CO2 – de exemplu, ca parte a procesului de producere a cimentului – blochează carbonul pentru mult mai mult timp. Betonul nu va ține permanent CO2 în afara atmosferei, dar ar putea, în mod plauzibil, să îl stocheze pentru un secol sau mai mult, așa că, în toate scopurile, contează ca stocare de carbon (CO2s). Articolul din Nature numește aceste procese “închise”.

LCA este complexă, iar detaliile contează, dar o concluzie generală din literatura de specialitate este că “potențialul de reducere netă a emisiilor este mult mai mare decât cel de eliminare netă, care pare foarte modest”. În general, CCU probabil că nu va avea ca rezultat o cantitate mare de CO2, dar ar putea produce o cantitate considerabilă de CO2ρ.

Evaluarea beneficiilor climatice ale diferitelor opțiuni CCU este primordială. Factorii de decizie politică ar trebui să aibă întotdeauna în vedere faptul că CCU nu este un bine în sine. Merită să fie urmărită doar în măsura în care face o diferență semnificativă în ceea ce privește clima.

A doua întrebare este: care este scara potențială a tehnologiei CCU? Dacă este un produs specializat sau de volum redus, s-ar putea să nu merite efortul de R&D pentru a afla cum să o facă să funcționeze comercial cu CO2 captat. Este de la sine înțeles că factorii de decizie politică și investitorii ar trebui să își prioritizeze atenția și resursele în funcție de tehnologiile cu cel mai mare potențial total. (Vom analiza imediat un clasament al tehnologiilor în funcție de potențial.)

Și a treia întrebare este: cât de departe se află tehnologia CCU pe curba de învățare? Este o tehnologie speculativă care există mai ales în laborator și în câteva proiecte pilot, cum ar fi combustibilii lichizi sintetici, sau este o tehnologie stabilită cu potențial de creștere a pieței pe termen scurt, cum ar fi CO2 în ciment?

Toate aceste întrebări sunt importante pentru a evalua potențialul tehnologiilor CCU de a oferi soluții practice pentru climă.

Deci, care sunt aceste tehnologii? Să aruncăm o privire asupra câtorva.

Nature

(Există o mulțime de moduri diferite de a le împărți; lista mea este un pic o îmbinare a articolului din Nature la care se face referire mai sus și a acestei foi de parcurs exhaustive din 2016 realizată de Lux Research pentru Global CO2 Initiative.)

Materiale de construcție din beton

Există mai multe tehnologii aici, toate legate de beton, care este un amestec de ciment, apă și agregate. Cimentul este o pulbere fină care, atunci când este activată de apă, leagă agregatele într-un amestec rigid.

În primul rând, agregatele – care sunt încorporate în beton, asfalt și materiale de umplutură pentru construcții – pot fi fabricate prin transformarea CO2 gazos în carbonați minerali solizi, cum ar fi carbonatul de calciu (CaCO3), un proces cunoscut sub numele de “mineralizarea CO2”. (A se vedea Planeta Albastră.)

În al doilea rând, CO2 poate fi înlocuit cu apă în “întărirea” betonului în timpul amestecării acestuia, ceea ce duce la o mineralizare similară. Se pare că acest lucru face, de fapt, ca betonul rezultat să fie mai rezistent, pe lângă faptul că economisește multă apă. (A se vedea, de exemplu, Solidia și CarbonCure.)

În al treilea rând, cimentul poate fi eliminat treptat în favoarea unor noi lianți care absorb și mineralizează CO2. (A se vedea Beton CO2.)

În al patrulea rând, și cel mai speculativ, este o tehnologie promițătoare promovată de proiectul UE “Low Emissions Intensity Lime & Ciment (LEILAC)”. Procesul de producție a cimentului și a varului implică reacții chimice (nu arderea combustibililor fosili) care eliberează în mod inevitabil CO2. LEILAC urmărește să ajusteze procesul astfel încât să creeze un flux de deșeuri de CO2 purificat care poate fi ușor capturat și fie sechestrat, fie reutilizat.

Pe puțin în teorie, ne putem imagina emisiile de CO2 purificate din procesul de fabricare a cimentului capturate și apoi reinjectate în proces, deoarece un agent de legare care mineralizează CO2 este amestecat cu agregate pe bază de CO2. Dacă toate aceste piese ar putea fi aliniate – și, pentru a fi clar, acest lucru nu se face încă nicăieri în lume – materialele de construcție rezultate ar putea avea pretenția de a fi cu adevărat negative din punct de vedere al emisiilor de carbon, pe baza ciclului de viață. Acestea nu numai că ar reduce emisiile nete (CO2ρ), dar ar stoca semi-permanent carbonul (CO2s).

Dar, în lipsa acestui lucru, chiar dacă cimentul realizează doar CO2ρ, nu și CO2s, oportunitatea aici este mare și imediată. Aceste tehnologii (cel puțin primele două) sunt consacrate și au un consum relativ scăzut de energie; ele ar putea avea ca rezultat potențial sechestrarea carbonului la scară de miliarde de tone.

Combustibili lichizi

În prezent, combustibilii lichizi – benzină, motorină și variante mai rare, cum ar fi combustibilul pentru avioane – sunt obținuți prin rafinarea hidrocarburilor forate din subteran. În schimb, ei pot fi fabricați cu carbon din aer.

“Combustibilii sintetici” pot fi produși în multe moduri diferite, prin multe procese și chimii diferite, rezultând o varietate de combustibili. Există combustibili sintetici care pot înlocui orice combustibil lichid.

Cel mai simplu mod de a ne gândi la ei este ca la un amestec de trei lucruri: o moleculă pe bază de carbon (de obicei CO2), hidrogen și energie. Energia este folosită pentru a smulge oxigenul de pe carbon și pentru a lipi carbonul de hidrogen. Astfel, “hidrocarburi.”

Intensitatea de carbon a combustibililor rezultați depinde de sursa tuturor celor trei componente: CO2, electricitate și hidrogen.

Dacă CO2 provine din depozite subterane, electricitatea provine din combustibili fosili, iar hidrogenul provine din reformarea cu abur a gazului natural (așa cum se întâmplă în prezent cu aproximativ 95% din hidrogen), combustibilul rezultat este extrem de intensiv în carbon.

Dacă CO2 provine din aerul înconjurător, energia electrică provine din surse regenerabile, iar hidrogenul provine din electroliza alimentată cu energie solară (care extrage hidrogenul direct din apă), combustibilul rezultat este extrem de puțin carbonat.

Combustibilii lichizi neutri din punct de vedere al carbonului sunt aproape sigur cea mai mare piață potențială pentru CO2. Există o mulțime de combustibili lichizi în lume și există piețe existente pentru alternative mai puțin poluante, inclusiv în state precum California și Oregon cu un standard de combustibil cu emisii reduse de dioxid de carbon (LCFS).

HyTech Power

Reducerea costului de captare a carbonului ar ajuta în cazul combustibililor sintetici, dar celelalte două ingrediente, hidrogenul și energia, sunt cele care reprezintă o parte mai mare din costuri. Este nevoie de multă energie pentru a electroliza hidrogenul și este nevoie de și mai multă pentru a desprinde CO2. (CO2 este strâns legat; nu vrea să se desprindă.) Toată această energie costă bani.

Energia regenerabilă extrem de ieftină este cheia pentru a face să funcționeze combustibilii sintetici neutri din punct de vedere al emisiilor de dioxid de carbon, deoarece este cheia hidrogenului ieftin, iar producerea de combustibili sintetici la scară largă va necesita mult hidrogen. Într-un raport special privind sectoarele greu de decarbonizat, cum ar fi industria și transportul aerian, Comisia pentru tranziția energetică a subliniat nevoia de combustibili sintetici și, prin urmare, nevoia de hidrogen: “Realizarea unei economii cu emisii nete de CO2 zero va necesita o creștere a producției globale de hidrogen de la 60 pe an în prezent la ceva de genul 425-650 Mt până la mijlocul secolului.”

Chiar dacă hidrogenul nu va juca un rol direct important în transporturi (probabil că nu va juca), va fi totuși necesar pentru combustibilii sintetici, care la rândul lor sunt necesari pentru decarbonizarea sectoarelor greu accesibile, cum ar fi industria. Pentru a face posibilă electroliza “hidrogenului verde”, energia regenerabilă trebuie să devină foarte ieftină.

Există o mulțime de analiști care cred că energia solară la scară utilitară în locații bune va produce în curând cea mai ieftină electricitate din lume, până la 20 sau chiar 10 dolari pe megawatt-oră. Și vor exista perioade de surplus de energie solară care vor trebui absorbite, energie care altfel ar fi putut fi irosită.

“Deși producția de hidrocarburi mai complexe este costisitoare din punct de vedere energetic și, prin urmare, din punct de vedere economic”, se spune în articolul din Nature, “ar putea avea loc reduceri rapide ale costurilor dacă energia regenerabilă – care reprezintă o mare parte din costul total – continuă să devină mai ieftină și dacă politica stimulează alte reduceri de costuri.”

Combustibilii sintetici efectiv nu există astăzi la nici un fel de scară de piață (“fluxurile actuale sunt aproape de zero”, după cum se spune în lucrarea Nature), dar dacă totul se adună pentru a-i sprijini, aceștia ar putea, în mod conceptibil, să acapareze o parte substanțială din piața globală a combustibililor, ceea ce nu este puțin lucru. Nu este vorba de CO2, dar este vorba de o mulțime de CO2ρ.

Pentru a fi clar: viitorul este electrificarea. Când vine vorba de decarbonizare, este întotdeauna mai bine să electrificăm utilizările finale ale energiei – să folosim direct electricitatea, mai degrabă decât să pierdem o fracțiune mare din ea prin conversii – dar chiar și în scenariile optimiste, vor exista sectoare care vor fi dificil de electrificat.

Combustibilii lichizi neutri din punct de vedere al emisiilor de dioxid de carbon pentru sectoarele care sunt dificil de decarbonizat reprezintă atât o piață mare, cât și o piesă cheie a puzzle-ului de decarbonizare.

MIT

Chimie și mase plastice

Utilizând diverși catalizatori, CO2 poate fi transformat într-o varietate de intermediari chimici – materiale care servesc apoi ca materii prime în alte procese industriale, cum ar fi metanolul, gazul de sinteză și acidul formic.

CO2 poate fi, de asemenea, transformat de catalizatori în polimeri, precursori pentru materiale plastice, adezivi și produse farmaceutice. Deocamdată, polimerii derivați din CO2 sunt destul de scumpi, dar materialele plastice reprezintă o altă piață potențial substanțială – ele reprezintă o fracțiune din ce în ce mai mare din cererea de combustibili fosili lichizi. Și au o durată de viață de zeci de ani până la secole, așa că prezintă un anumit potențial pentru CO2.

În prezent, doar câteva aplicații chimice ale CO2 sunt comercializate la scară largă, inclusiv producția de uree și de policarbonați polioli.

Alge

Contractul de CO2 capturat poate fi folosit pentru a accelera creșterea algelor, care au capacitatea de a absorbi mult mai mult, mult mai repede, decât orice altă sursă de biomasă. Iar algele sunt deosebit de utile. Ele pot servi ca materie primă pentru alimente, biocombustibili, materiale plastice și chiar fibre de carbon (a se vedea nr. 5). Este demn de remarcat faptul că, în urmă cu aproximativ cinci ani, algele erau văzute ca un fel de plante-minune, dar sectorul nu a decolat cu adevărat și multe dintre primele companii au dat faliment.

Materiale noi

Aici găsim piețe mai speculative, de ultimă oră, dar cu potențial important. CO2 poate fi transformat în materiale de înaltă performanță – compozite de carbon, fibră de carbon, grafenă – care ar putea, în mod imaginabil, să înlocuiască o întreagă gamă de materiale, de la metale la beton.

De exemplu, echipa de la C2CNT folosește “electroliza topită” pentru a transforma CO2 direct în nanotuburi de carbon, care sunt mai rezistente decât oțelul și foarte conductive. Aceștia sunt deja utilizați în aplicații high-end, cum ar fi Boeing Dreamliner și unele mașini sport. Dar, pe măsură ce devin mai ieftine, piața aproape că nu mai are niciun plafon.

Pentru a lua doar un exemplu, gândiți-vă la înlocuirea nanotuburilor de carbon cu cupru în cablurile electrice. (Mulțumiri lui Adam Siegel pentru că a evidențiat această idee.) Practic, fiecare aplicație a electricității, de la stația spațială la vehiculele electrice și până la aparatele electrocasnice, ar beneficia de cabluri mai ușoare care conduc mai bine.

Și mai este și oțelul, cel mai utilizat metal din lume, responsabil pentru între 7 și 9 la sută din emisiile globale de CO2 provenite de la combustibilii fosili. Dacă materialele pe bază de carbon ar putea înlocui oțelul la o scară reală, ar putea însemna miliarde de tone de emisii reduse, ca să nu mai vorbim de sechestrarea efectiv permanentă a carbonului.

Desigur, acest tip de cercetare în domeniul materialelor se află încă în stadii incipiente și va fi nevoie de unele descoperiri tehnologice pentru a reduce costurile suficient de mult pentru a începe să înlocuiască alte materiale la scară largă. Deocamdată, materialele pe bază de carbon își fac loc pe piețele de tip boutique.

Compararea tehnologiilor CCU din punct de vedere al costurilor și al potențialului

Articolul Nature a comparat 10 căi diferite de CCU, inclusiv cele naturale, pe care le-am exclus aici, și EOR, pe care le-am abordat în ultima mea postare. Așadar, graficul de mai jos conține unele informații străine pentru scopurile noastre. Cu toate acestea, merită analizat îndeaproape, deoarece prezintă căile în funcție de costuri, de potențialul de utilizare a CO2 și de gradul de pregătire tehnologică (TRL). Există două scenarii, care reflectă capătul de jos și capătul de sus al proiecțiilor.

Natură

Zero pe axa verticală este “costul de rentabilitate” actual (în dolari din 2015), punctul în care o tehnologie este competitivă față de cele existente. Cele aflate sub această linie sunt deja competitive. Cele care se află deasupra liniei ar avea nevoie de un fel de subvenție proporțională pentru a fi competitive.

Lățimea barelor indică cantitatea de CO2 pe care tehnologia ar putea să o utilizeze anual până în 2050 (pe baza proiecțiilor și a opiniilor experților). Iar culoarea unei bare indică TRL-ul acesteia.

Pe baza scenariului optimist de vârf, câteva dintre căile chimice (poliol, uree și metanol) sunt deja competitive din punct de vedere al costurilor, deși potențialul lor de utilizare a CO2 este relativ mic, aproape de o gigacalorie cumulată.

Posturile de utilizare a betonului (agregate și vulcanizare) sunt destul de aproape de a fi competitive din punct de vedere al costurilor, iar vulcanizarea, în special, are un potențial destul de mare, mai ales dacă luăm în considerare faptul că CO2 contează de două ori, o dată ca reducere a emisiilor, o dată ca stocare permanentă.

În mod îngrijorător, posturile tehnologice industriale CCU cu cel mai mare potențial total de utilizare a CO2 sunt cele mai scumpe în raport cu operatorii tradiționali.

Împreună, combustibilii lichizi sintetici (metanol, metan, eter dimetilic și combustibili Fischer-Tropsch) ar putea utiliza peste 4 gigatone de CO2 pe an până în 2050. (Cu titlu de comparație, emisiile globale de CO2 în 2018 au fost de aproximativ 37 de gigatone.) Dar, în prezent, au nevoie de ceva de genul unei subvenții de 500 de dolari pe tonă de CO2 pentru a fi competitivi.

Cu toate acestea, după cum se spune în lucrarea Nature, “multe tehnologii se află în stadii foarte incipiente de dezvoltare, iar optimizarea costurilor prin cercetare și dezvoltare ar putea schimba substanțial aceste estimări”. Dacă există o țintă pentru cercetare-dezvoltare concertată care pare evidentă, aceasta este combustibilii sintetici.

Iată aceleași informații sub formă de tabel, dacă asta vă place:

Nature

Un lucru pe care tabelul îl arată clar este că intervalele de variație ale unora dintre aceste proiecții sunt extrem de largi (de la $0 la $670?), reflectând gradul enorm de incertitudine implicat.

Cum se vor dezvolta aceste tehnologii CCU va depinde de curba de preț a energiei regenerabile, de curba de preț a hidrogenului verde, de evoluțiile de pe o serie de piețe și de nivelul de R&D și de sprijinul politic pe care îl vor primi din partea legislatorilor. Toate acestea sunt dificil de prezis în mod individual; a afla cum ar putea interacționa până în 2050 este un joc de presupuneri educate.

CCU poate face mai mult dacă există o politică care să o susțină

Concluziile lucrării Nature reflectă media unui număr mare de studii și experți, care încearcă să determine costurile actuale și ce se va întâmpla.

Dar merită să aruncăm cel puțin o privire rapidă asupra unor estimări mai optimiste a ceea ce s-ar putea întâmpla cu o politică de susținere.

În 2016, Global CO2 Initiative a comandat o foaie de parcurs cuprinzătoare pentru CCU de la Lux Research. Aceasta nu numai că a proiectat modul în care tehnologiile CCU ar putea să se extindă în condițiile actuale, dar și cum s-ar putea extinde în cazul în care recomandările de politică din foaia de parcurs sunt urmate.

Iată cum evaluează foaia de parcurs potențialul de reducere a emisiilor de CO al diferitelor tehnologii CCU:

GCI

Cum se poate vedea, urmând “acțiunile strategice” recomandate de raport s-ar putea extinde radical potențialul de absorbție a CO2 atât al agregatelor, cât și al combustibililor sintetici. Foaia de parcurs estimează că, la limita superioară, “peste 10% din emisiile anuale de CO2 pot fi captate în aceste produse”.

Iată potențialul total de venituri al piețelor CCU:

Încă o dată, combustibilii și agregatele prezintă un potențial enorm, crescând de zece sau douăzeci de ori mai mult în condițiile unei politici bune. Foaia de parcurs estimează că, în general, veniturile anuale ale piețelor combinate ar putea atinge între 800 de miliarde și 1,1 trilioane de dolari până în 2030.

Cum am spus, toate acestea sunt estimări nesigure, dar, cu toate acestea, dacă tehnologiile CCU s-ar putea dezvolta potențial într-o afacere de peste 1.000 de miliarde de dolari, care să reducă emisiile globale cu 10 %, acestea par să merite o investiție serioasă de atenție și resurse. Cu cât putem folosi mai mult, cu atât vom emite mai puțin.

Cum ar trebui să abordeze factorii de decizie politică tehnologiile CCU? Care este modalitatea corectă de a le sprijini și, în sens mai larg, modalitatea corectă de a se gândi la ele în contextul luptei mai largi pentru climă? Voi aborda aceste întrebări în următoarea mea postare.

.