Post dell’ospite: Dieci modi di usare la CO2 e come si confrontano

Possiamo trasformare la CO2, il gas di scarto largamente responsabile del riscaldamento globale, in una preziosa materia prima? La domanda è emersa per la prima volta durante la crisi petrolifera degli anni ’70, quando si cercavano alternative alla scarsità di petrolio.

L’idea è riemersa sull’onda del pensiero economico circolare, innescato dalle preoccupazioni climatiche e con la prospettiva di incentivare la cattura del carbonio. Ma le opinioni sull’utilizzo della CO2 oscillano tra lo scetticismo e l’entusiasmo (pdf).

Nuovi approcci sorgono costantemente. Le affermazioni di “CO2 evitata”, “CO2 rimossa” o “emissioni di CO2 ridotte” sono facilmente confondibili, e le aziende e i governi stanno iniziando a investire in varie tecnologie candidate senza avere il quadro generale a portata di mano.

In una nuova prospettiva di Nature, abbiamo deciso di definire cosa sia l’utilizzo di CO2, come possa essere correlato alla rimozione di CO2 e alla riduzione delle emissioni, e se tali tecnologie siano redditizie o scalabili.

Come team, rappresentiamo economisti, ingegneri, chimici, scienziati del suolo e modellatori climatici – l’intero spettro di opinioni sull’utilizzo. Il nostro studio è il più completo finora sulla scala relativa e sui costi dei diversi modi di utilizzare la CO2.

Cos’è l’utilizzo della CO2?

Convenzionalmente, “l’utilizzo della CO2” è un processo industriale che produce un prodotto di valore economico utilizzando la CO2 a concentrazioni superiori ai livelli atmosferici. La CO2 viene trasformata tramite reazioni chimiche in materiali, prodotti chimici e combustibili, oppure viene utilizzata direttamente in processi come il recupero avanzato del petrolio.

Questa definizione ha le sue ragioni storiche, ma non è l’unico tipo di utilizzo della CO2. Da molto tempo si pensa anche a come usare il carbonio naturale – il carbonio prodotto dalle piante a partire dalla CO2 atmosferica – come materia prima per fare prodotti di valore. E le tecniche che utilizzano la CO2, come il sequestro del carbonio nel suolo, attraverso la loro capacità di migliorare la resa delle colture, possono anche creare un prodotto economico.

Nel nostro articolo esaminiamo 10 percorsi specifici di utilizzo della CO2, meglio classificati in base a considerazioni sulla facilità con cui il carbonio scorre nelle sfere della Terra e dove va a finire, come mostrato nella figura qui sotto.

Questa mostra percorsi di utilizzo “aperti” (frecce viola) che immagazzinano la CO2 in sistemi naturali con perdite, come le foreste, che possono trasformarsi da sink a source molto rapidamente. I percorsi “chiusi” (rosso), come i materiali da costruzione, offrono uno stoccaggio quasi permanente di CO2. Infine l’utilizzo “ciclico” (giallo), come i combustibili a base di CO2, che sposta il carbonio su brevi scale temporali.

Stocks e flussi netti (grandi frecce azzurre) di CO2 nel mondo umano e naturale, inclusi 10 potenziali percorsi numerati di utilizzo e rimozione. Questi sono contrassegnati da frecce colorate che indicano se il carbonio è immagazzinato in sistemi aperti (frecce viola) che possono essere fonti o pozzi di CO2, sistemi chiusi (rosso) per lo stoccaggio quasi permanente o percorsi ciclici (giallo) che spostano solo temporaneamente il carbonio. Fonte: Hepburn et al. (2019).

Come potrebbe l’utilizzo della CO2 aiutare la mitigazione del clima?

Tutti e dieci i percorsi di utilizzo della CO2 nella nostra figura offrono un qualche tipo di motivazione economica, insieme a un certo grado di potenziale di mitigazione del clima.

L’utilizzo della CO2 può aiutare in due modi principali: la rimozione e lo stoccaggio a lungo termine della CO2 atmosferica; e la riduzione delle emissioni di CO2 in atmosfera. Potenzialmente, usare la CO2 per fare prodotti di valore potrebbe anche compensare alcuni dei costi della mitigazione del cambiamento climatico.

Le nostre stime mostrano che al massimo, oltre 10 miliardi di tonnellate di CO2 (GtCO2) all’anno potrebbero essere utilizzate – rispetto alle emissioni globali di 40 GtCO2 – per meno di 100 dollari a tonnellata.

La maggior parte di questo utilizzo è associato allo stoccaggio a medio o lungo termine in percorsi aperti e chiusi. Tuttavia, ci sono diversi problemi e sfide da superare prima di poter raggiungere un utilizzo così ampio.

Inoltre, anche se l’utilizzo della CO2 avesse successo, ciò non significa necessariamente che sarebbe benefico per il clima. Se fatto senza la dovuta considerazione, l’utilizzo di CO2 – in comune con altri approcci che rimuovono e/o immagazzinano CO2 – potrebbe non contribuire affatto alla mitigazione.

I problemi possibili includono non solo le emissioni dirette di CO2, ma anche altre emissioni di gas serra; il cambiamento diretto e indiretto dell’uso del suolo; le emissioni da altre parti del processo; le perdite (quando le emissioni aumentano successivamente in altre parti del sistema più ampio); e lo spostamento impermanente (quando le emissioni sono solo ritardate piuttosto che evitate per sempre).

A causa di questi problemi, se l’implementazione di una tecnologia di utilizzo della CO2 sarà benefica per il clima dipenderà da una serie di fattori. I più importanti sono:

• Fonte di energia: Le tecnologie di utilizzo della CO2 possono essere ad alta intensità energetica. Questa energia deve essere rinnovabile: o direttamente dal sole, o attraverso tecnologie rinnovabili.
• Contesto più ampio di decarbonizzazione: Alcune di queste tecnologie hanno senso solo come strategie di mitigazione in alcuni punti del processo di decarbonizzazione globale. Per esempio, l’uso del recupero migliorato del petrolio per sequestrare la CO2 potrebbe essere usato a breve termine prima che i sistemi di energia e trasporto siano decarbonizzati.
• Scala: Per fare una differenza apprezzabile nei flussi globali di CO2, i percorsi devono avere il potenziale per scalare rapidamente. La finestra per l’azione sul clima è piccola e costruire un’industria di utilizzo della CO2 completamente nuova nel tempo necessario è una sfida non banale.
• Permanenza: Le tecnologie di maggior impatto saranno quelle che rimuoveranno permanentemente la CO2 atmosferica o rimpiazzeranno permanentemente le emissioni di CO2.

I 10 percorsi e le loro prospettive

Di seguito, confrontiamo la scala potenziale e il costo dei diversi percorsi di utilizzo della CO2. Nel complesso, l’utilizzo della CO2 ha il potenziale per operare su larga scala e a basso costo, il che significa che potrebbe essere un grande business in futuro.

Le valutazioni di scala per il 2050 provengono da un processo di stime strutturate (pdf), dalla consultazione di esperti e da ampie analisi di scoping. Le nostre stime dei costi sono costi di pareggio – il che significa che tengono conto delle entrate – e sono presentate come intervalli interquartili da studi tecno-economici raccolti dalle scoping review. Questo significa che i costi sono retrospettivi e probabilmente sottostimano la capacità dei percorsi di raggiungere economie di scala. Costi negativi significano che il processo è redditizio secondo le ipotesi attuali.

CO2 chemicals
Riducendo la CO2 ai suoi componenti costitutivi usando catalizzatori e utilizzando reazioni chimiche per costruire prodotti, come metanolo, urea (da usare come fertilizzante) o polimeri (da usare come prodotti durevoli in edifici o automobili), potrebbe utilizzare 0.3-0.6GtCO2 all’anno nel 2050, a costi compresi tra -$80 e $300 per tonnellata di CO2.

Combinare l’idrogeno con la CO2 per produrre carburanti idrocarburici, tra cui metanolo, synfuels, e syngas potrebbe affrontare un mercato enorme – per esempio, nelle infrastrutture di trasporto esistenti – ma i costi attuali sono alti. Insieme, i carburanti CO2 potrebbero utilizzare 1-4,2 GtCO2 all’anno nel 2050, ma i costi sono fino a 670 dollari per tonnellata di CO2.

Microalghe
Utilizzare le microalghe per fissare la CO2 ad alta efficienza e poi lavorare la biomassa per fare prodotti, come carburanti e prodotti chimici di alto valore, è stato al centro degli sforzi della ricerca per molti anni. Con un’economia di produzione complessa, i costi sono tra i 230 e i 920 dollari per tonnellata di CO2, e i tassi di utilizzo nel 2050 potrebbero essere di 0,2-0,9 GtCO2 all’anno.

Materiali da costruzione in cemento
La CO2 può essere usata per “curare” il cemento, o nella produzione di aggregati. In questo modo si conserva un po’ di CO2 a lungo termine e si potrebbe sostituire il cemento convenzionale ad alta intensità di emissioni. Con l’accelerazione dell’urbanizzazione globale, ma un ambiente normativo impegnativo (pdf), stimiamo un potenziale di utilizzo e stoccaggio di 0,1-1,4GtCO2 nel 2050, con costi attuali tra -30 e 70 dollari per tonnellata di CO2.

CO2-enhanced oil recovery (EOR)
Iniettare CO2 nei pozzi di petrolio può aumentare la produzione di petrolio. Normalmente, gli operatori massimizzano il petrolio e la CO2 recuperati dal pozzo, ma, criticamente, è possibile operare l’EOR in modo che venga iniettata e immagazzinata più CO2 di quanta ne venga prodotta al consumo del prodotto petrolifero finale. Stimiamo che 0,1-1,8 GtCO2 all’anno potrebbero essere utilizzati e immagazzinati in questo modo nel 2050, a costi compresi tra -$60 e -$40 per tonnellata di CO2.

Bioenergia con cattura e stoccaggio del carbonio (BECCS)
Nella bioenergia con cattura del carbonio, l’operatore cattura la CO2 coltivando alberi, produce elettricità attraverso la bioenergia e sequestra le emissioni risultanti. Con un’approssimazione dei ricavi dell’elettricità, stimiamo costi di utilizzo tra i 60 e i 160 dollari per tonnellata di CO2. Circa 0,5-5GtCO2 all’anno potrebbero essere utilizzati e immagazzinati in questo modo nel 2050. Questo è più basso di alcune stime precedentemente pubblicate di BECCS e rappresenta un livello di diffusione che è consapevole di altri obiettivi di sostenibilità.

Miglioramento degli agenti atmosferici
Schiacciare le rocce, come il basalto, e spargerle sulla terra può portare alla formazione accelerata di carbonato stabile dalla CO2 atmosferica. È probabile che facendo questo sui terreni agricoli si otterrà un aumento dei rendimenti. Tuttavia, la natura in fase iniziale di questo percorso significa che non abbiamo fatto stime per il 2050.

Forestale
Il legname proveniente da foreste nuove ed esistenti è un prodotto economicamente prezioso che potrebbe potenzialmente immagazzinare CO2 negli edifici e, così facendo, sostituire l’uso del cemento. Stimiamo che fino a 1,5 GtCO2 potrebbe essere utilizzato in questo modo nel 2050, a costi compresi tra -$40 e $10 per tonnellata di CO2.

Silver carbon sequestration
Le tecniche di gestione del suolo per il sequestro del carbonio possono non solo immagazzinare CO2 nel suolo, ma anche migliorare i rendimenti agricoli. Stimiamo che la CO2 utilizzata sotto forma di questa maggiore produzione potrebbe essere da 0,9 a 1,9 GtCO2 all’anno nel 2050, a costi da -90 a -20 dollari per tonnellata di CO2.

Biochar
Il biochar è biomassa “pirolizzata”: materiale vegetale che è stato bruciato ad alte temperature sotto bassi livelli di ossigeno. L’applicazione di biochar ai terreni agricoli ha il potenziale di aumentare le rese delle colture del 10% – ma è molto difficile fare un prodotto coerente o prevedere le reazioni del suolo. Stimiamo che tra 0.2 e 1GtCO2 potrebbe essere utilizzato dal biochar nel 2050, a costi di circa 65 dollari per tonnellata di CO2.

Potenziale complessivo

La figura riassuntiva sottostante mostra una stima di quanta CO2 potrebbe essere utilizzata da ogni percorso (la larghezza di ogni colonna) e i costi di pareggio associati (altezza delle colonne).

Lo scenario basso (grafico a sinistra) e quello alto (a destra) riflettono la gamma di risultati a seconda dei livelli di investimento, adozione e miglioramenti tecnologici entro il 2050. L’ombreggiatura si riferisce alla prontezza tecnologica, che va da bassa o variabile (tonalità chiare) fino ad alta (tonalità più scure). Gli asterischi si riferiscono alla durata dello stoccaggio di CO2 che va da giorni o mesi (asterisco singolo) fino a secoli o più (asterisco triplo).

Stimato il potenziale di utilizzo della CO2 (GtCO2 nel 2050) e il costo di pareggio (2015$/tonnellata) di diversi sottoprocessi negli scenari basso (a sinistra) e alto (a destra). I percorsi convenzionali in grigio sono approcci di utilizzo industriale; i percorsi non convenzionali in verde sono approcci di utilizzo biologico. TRL si riferisce ai livelli di prontezza tecnologica, che vanno da 1 a 9. SCS è il sequestro del carbonio nel suolo; EOR è il recupero migliorato del petrolio; BECCS è la bioenergia con cattura del carbonio; e DME è l’etere dimetilico (un tipo di combustibile CO2). Questi costi e potenziali di scala potrebbero cambiare sostanzialmente con i progressi nella R&D. Fonte: Hepburn et al. (2019).

La figura sopra mostra che l’utilizzo della CO2 potrebbe generare flussi significativi di CO2 nel 2050 – e che alcuni percorsi possono prevedere di essere redditizi di per sé. Pensiamo che questa potrebbe essere un’opportunità per sfruttare questi flussi allo scopo di mitigare il cambiamento climatico.

Tuttavia, i grafici sottolineano anche la grande incertezza sulla scala di questo potenziale e i probabili costi per attingervi. Affinché l’utilizzo della CO2 possa essere utilizzato con successo nella lotta contro il cambiamento climatico, queste incertezze devono essere risolte insieme alle sfide potenziali – e non banali – di cui l’intensità energetica e la permanenza dello stoccaggio del carbonio sono solo due.