Wpis gościnny: Dziesięć sposobów na wykorzystanie CO2 i ich porównanie

Czy możemy przekształcić CO2, gaz odpadowy w dużej mierze odpowiedzialny za globalne ocieplenie, w cenny surowiec? Pytanie to pojawiło się po raz pierwszy w czasie kryzysu naftowego w latach 70-tych, kiedy poszukiwano alternatyw dla deficytowej ropy naftowej.

Pomysł ten powrócił na fali myślenia o gospodarce cyrkulacyjnej, wywołanego obawami o klimat i z myślą o zachęcaniu do wychwytywania dwutlenku węgla. Ale opinie na temat wykorzystania CO2 wahają się między sceptycyzmem a entuzjazmem (pdf).

Nowe podejścia pojawiają się nieustannie. Twierdzenia o „uniknięciu CO2”, „usunięciu CO2” lub „zmniejszeniu emisji CO2” są łatwe do pomylenia, a korporacje i rządy zaczynają inwestować w różne technologie kandydujące, nie mając pod ręką całościowego obrazu.

W nowej perspektywie Nature, staramy się ustalić czym jest wykorzystanie CO2, jak może się ono odnosić do usuwania CO2 i redukcji emisji oraz czy takie technologie są opłacalne lub skalowalne.

Jako zespół reprezentujemy ekonomistów, inżynierów, chemików, gleboznawców i modelarzy klimatu – całe spektrum poglądów na temat wykorzystania. Nasze badanie jest jak dotąd najbardziej kompleksowe w zakresie względnej skali i kosztów różnych sposobów wykorzystania CO2.

Co to jest wykorzystanie CO2?

Konwencjonalnie, „wykorzystanie CO2” to proces przemysłowy, który wytwarza ekonomicznie wartościowy produkt przy użyciu CO2 w stężeniach powyżej poziomów atmosferycznych. CO2 jest albo przekształcany za pomocą reakcji chemicznych w materiały, chemikalia i paliwa, albo jest wykorzystywany bezpośrednio w procesach takich jak intensyfikacja wydobycia ropy naftowej.

Ta definicja ma swoje historyczne uzasadnienie, ale nie jest to jedyny rodzaj wykorzystania CO2. Przez długi czas myślano również o tym, jak wykorzystać naturalny węgiel – węgiel produkowany przez rośliny z atmosferycznego CO2 – jako surowiec do wytwarzania wartościowych produktów. A techniki wykorzystujące CO2, takie jak sekwestracja węgla w glebie, dzięki swojej zdolności do zwiększania plonów, mogą również tworzyć produkt ekonomiczny.

W naszej pracy przyglądamy się 10 konkretnym ścieżkom wykorzystania CO2, najlepiej skategoryzowanym przez wzgląd na to, jak łatwo węgiel przepływa w sferach Ziemi i gdzie kończy, jak pokazano na poniższym rysunku.

Przedstawia on „otwarte” ścieżki wykorzystania (fioletowe strzałki), które przechowują CO2 w nieszczelnych systemach naturalnych, takich jak lasy, które mogą bardzo szybko zmienić się z pochłaniacza w źródło. „Zamknięte” ścieżki (czerwone), takie jak materiały budowlane, oferują niemal trwałe magazynowanie CO2. Wreszcie „cykliczne” wykorzystanie (żółte), takie jak paliwa na bazie CO2, które przemieszczają węgiel w krótkich okresach czasu.

Zapasy i przepływy netto (duże jasnoniebieskie strzałki) CO2 w świecie ludzkim i naturalnym, w tym 10 ponumerowanych potencjalnych ścieżek wykorzystania i usuwania. Są one oznaczone kolorowymi strzałkami, które oznaczają, czy węgiel jest przechowywany w systemach otwartych (fioletowe strzałki), które mogą być źródłami lub pochłaniaczami CO2, systemach zamkniętych (czerwone) do prawie trwałego przechowywania lub ścieżkach cyklicznych (żółte), które tylko tymczasowo przemieszczają węgiel. Źródło: Hepburn et al. (2019).

Jak wykorzystanie CO2 może pomóc w łagodzeniu klimatu?

Wszystkie dziesięć ścieżek wykorzystania CO2 na naszej rycinie oferuje jakiś rodzaj motywacji ekonomicznej, wraz z pewnym stopniem potencjału łagodzenia klimatu.

Użytkowanie CO2 może pomóc na dwa główne sposoby: usuwanie i długoterminowe przechowywanie atmosferycznego CO2; oraz zmniejszenie emisji CO2 do atmosfery. Potencjalnie, wykorzystanie CO2 do wytwarzania cennych produktów może również zrównoważyć niektóre koszty łagodzenia zmian klimatycznych.

Nasze szacunki pokazują, że w górnej części, ponad 10 miliardów ton CO2 (GtCO2) rocznie może być wykorzystane – w porównaniu z globalną emisją 40GtCO2 – za mniej niż 100 USD za tonę.

Większość tego wykorzystania jest związana ze średnio- lub długoterminowym składowaniem w otwartych i zamkniętych ścieżkach. Istnieje jednak kilka problemów i wyzwań, które należy pokonać, zanim będzie można osiągnąć tak duże wykorzystanie.

Co więcej, nawet gdyby wykorzystanie CO2 zakończyło się sukcesem, niekoniecznie oznacza to, że byłoby to korzystne dla klimatu. Jeśli zostanie przeprowadzone bez należytej uwagi, wykorzystanie CO2 – wraz z innymi metodami usuwania i/lub składowania CO2 – może w ogóle nie przyczynić się do łagodzenia skutków zmian klimatu.

Potencjalne problemy obejmują nie tylko bezpośrednie emisje CO2, ale także emisje innych gazów cieplarnianych; bezpośrednią i pośrednią zmianę użytkowania gruntów; emisje z innych części procesu; wycieki (kiedy emisje następnie wzrastają w innych częściach szerszego systemu); oraz nietrwałe przemieszczenie (kiedy emisje są tylko opóźnione, a nie uniknięte na dobre).

Z powodu tych kwestii, to czy wdrożenie technologii wykorzystania CO2 będzie korzystne dla klimatu będzie zależało od wielu czynników. Najważniejsze z nich to:

• Źródło energii: Technologie utylizacji CO2 mogą być energochłonne. Energia ta musi być odnawialna: albo bezpośrednio ze słońca, albo za pośrednictwem technologii odnawialnych.
• Szerszy kontekst dekarbonizacji: Niektóre z tych technologii mają sens jako strategie łagodzące tylko w określonych punktach globalnego procesu dekarbonizacji. Na przykład wykorzystanie intensyfikacji wydobycia ropy naftowej do sekwestracji CO2 mogłoby być stosowane w perspektywie krótkoterminowej, zanim nastąpi dekarbonizacja systemów energetycznych i transportowych.
• Skala: Aby wprowadzić odczuwalną różnicę w globalnych przepływach CO2, ścieżki muszą mieć potencjał do szybkiego skalowania. Czas na podjęcie działań na rzecz klimatu jest niewielki, a stworzenie całkowicie nowej branży utylizacji CO2 w wymaganym czasie stanowi nietrywialne wyzwanie: Najbardziej wpływowymi technologiami będą te, które trwale usuwają atmosferyczny CO2 lub trwale wypierają emisje CO2.

10 ścieżek i ich perspektywy

Poniżej porównujemy potencjalną skalę i koszty różnych ścieżek wykorzystania CO2. Ogólnie rzecz biorąc, wykorzystanie CO2 ma potencjał do działania na dużą skalę i przy niskich kosztach, co oznacza, że może to być duży biznes w przyszłości.

Oszacowania skali dla roku 2050 pochodzą z procesu ustrukturyzowanych szacunków (pdf), konsultacji z ekspertami i dużych przeglądów zakresu. Nasze szacunki kosztów są kosztami progu rentowności – co oznacza, że uwzględniają przychody – i są przedstawione jako przedziały międzykwartylowe z badań techniczno-ekonomicznych zebranych z przeglądów zakresu. Oznacza to, że koszty są zorientowane wstecz i prawdopodobnie niedoszacowują zdolności ścieżek do osiągnięcia korzyści skali. Ujemne koszty oznaczają, że proces jest opłacalny przy obecnych założeniach.

ChemikaliaCO2
Redukcja CO2 do jego składników przy użyciu katalizatorów i wykorzystanie reakcji chemicznych do budowy produktów, takich jak metanol, mocznik (do wykorzystania jako nawóz) lub polimery (do wykorzystania jako trwałe produkty w budynkach lub samochodach), mogłaby wykorzystać 0.3-0,6GtCO2 rocznie w 2050 r., przy kosztach od -$80 do $300 za tonę CO2.

Paliwa CO2
Kombinacja wodoru z CO2 w celu wytworzenia paliw węglowodorowych, w tym metanolu, synfueli i syngazu, mogłaby objąć ogromny rynek – na przykład w ramach istniejącej infrastruktury transportowej – ale obecne koszty są wysokie. Łącznie paliwa CO2 mogłyby wykorzystywać 1-4,2 GtCO2 rocznie w 2050 r., ale koszty sięgają 670 USD za tonę CO2.

Mikroalgi
Używanie mikroalg do wiązania CO2 z wysoką wydajnością, a następnie przetwarzanie biomasy w celu wytworzenia produktów, takich jak paliwa i wysokowartościowe chemikalia, jest przedmiotem badań od wielu lat. Przy złożonej ekonomice produkcji, koszty wynoszą od 230 do 920 USD za tonę CO2, a wskaźniki wykorzystania w 2050 r. mogą wynosić 0,2-0,9 GtCO2 rocznie.

Betonowe materiały budowlane
CO2 można wykorzystać do „utwardzania” cementu lub w produkcji kruszyw. W ten sposób część CO2 jest magazynowana na długi czas i może zastąpić wysokoemisyjny cement konwencjonalny. Przy przyspieszającej globalnej urbanizacji, ale wymagającym środowisku regulacyjnym (pdf), szacujemy potencjał wykorzystania i składowania 0,1-1,4GtCO2 w 2050 roku, przy obecnych kosztach między -$30 a $70 za tonę CO2.

CO2-zwiększone wydobycie ropy (EOR)
Wstrzykiwanie CO2 do szybów naftowych może zwiększyć produkcję ropy. Zazwyczaj operatorzy maksymalizują wydobycie ropy i CO2 z odwiertu, ale, co istotne, możliwe jest prowadzenie EOR w taki sposób, że więcej CO2 jest wstrzykiwane i składowane niż jest produkowane przy zużyciu końcowego produktu naftowego. Szacujemy, że 0,1-1,8GtCO2 rocznie może być wykorzystane i przechowywane w ten sposób w 2050 roku, przy kosztach, które są między -$60 i -$40 za tonę CO2.

Bioenergia z wychwytywaniem i składowaniem dwutlenku węgla (BECCS)
W bioenergii z wychwytywaniem dwutlenku węgla, operator wychwytuje CO2 poprzez uprawę drzew, produkuje energię elektryczną za pomocą bioenergii i sekwestruje powstałe emisje. Przy przybliżonych przychodach z energii elektrycznej szacujemy, że koszty utylizacji wynoszą od 60 do 160 USD za tonę CO2. W 2050 roku w ten sposób można by wykorzystywać i składować około 0,5-5GtCO2 rocznie. Jest to niższe niż niektóre wcześniej opublikowane szacunki BECCS i stanowi poziom wdrożenia, który jest świadomy innych celów zrównoważonego rozwoju.

Wzmocnione wietrzenie
Kruszenie skał, takich jak bazalt, i rozprzestrzenianie ich na ziemi może spowodować przyspieszone tworzenie stabilnego węglanu z atmosferycznego CO2. Jest prawdopodobne, że takie działanie na terenach rolniczych spowoduje zwiększenie plonów. Jednak bardzo wczesny etap tej ścieżki oznacza, że nie dokonaliśmy dla niej szacunków na rok 2050.

Leśnictwo
Drewno zarówno z nowych, jak i istniejących lasów jest cennym ekonomicznie produktem, który mógłby potencjalnie magazynować CO2 w budynkach, a tym samym zastąpić użycie cementu. Szacujemy, że do 1,5GtCO2 mogłoby być wykorzystane w 2050 roku w ten sposób, przy kosztach od -$40 do $10 za tonę CO2.

Sekwestracja węgla w glebie
Techniki zarządzania gruntami w celu sekwestracji węgla w glebie mogą nie tylko przechowywać CO2 w glebie, ale także zwiększyć plony rolne. Szacujemy, że CO2 wykorzystany w formie tej zwiększonej produkcji może wynosić aż 0,9 do 1,9GtCO2 rocznie w 2050 roku, przy kosztach -$90 do -$20 za tonę CO2.

Biochar
Biochar jest „pirolizowaną” biomasą: materiał roślinny, który został spalony w wysokich temperaturach przy niskim poziomie tlenu. Biochar stosowany na glebach rolnych może potencjalnie zwiększyć plony o 10%, ale bardzo trudno jest wytworzyć spójny produkt lub przewidzieć reakcje gleby. Szacujemy, że od 0,2 do 1GtCO2 może być wykorzystane przez biochar w 2050 roku, przy kosztach około 65$ za tonę CO2.

Ogólny potencjał

Podsumowujący rysunek poniżej pokazuje szacunkową ilość CO2, która może być wykorzystana przez każdą ścieżkę (szerokość każdej kolumny) i związane z tym koszty progu rentowności (wysokość kolumn).

Scenariusz niski (wykres po lewej) i wysoki (po prawej) odzwierciedlają zakres wyników w zależności od poziomu inwestycji, absorpcji i ulepszeń technologicznych do roku 2050. Odcienie odnoszą się do gotowości technologicznej, od niskiej lub zmiennej (blade odcienie) do wysokiej (ciemniejsze odcienie). Gwiazdki odnoszą się do czasu składowania CO2, od dni lub miesięcy (pojedyncza gwiazdka) do stuleci lub więcej (potrójna gwiazdka).

Oszacowany potencjał wykorzystania CO2 (GtCO2 w 2050 r.) i koszt progu rentowności (2015 USD/tonę) różnych podścieżek w scenariuszu niskim (po lewej) i wysokim (po prawej). Ścieżki konwencjonalne zaznaczone na szaro to podejścia oparte na wykorzystaniu przemysłowym; ścieżki niekonwencjonalne zaznaczone na zielono to podejścia oparte na wykorzystaniu biologicznym. TRL odnosi się do poziomów gotowości technologicznej, które mieszczą się w przedziale od 1 do 9. SCS to sekwestracja węgla w glebie; EOR to intensyfikacja wydobycia ropy naftowej; BECCS to bioenergia z wychwytywaniem dwutlenku węgla; a DME to eter dimetylowy (rodzaj paliwa CO2). Te potencjały w zakresie kosztów i skali mogą ulec znacznej zmianie wraz z postępem w dziedzinie badań i rozwoju. Źródło: Hepburn et al. (2019).

Z powyższego rysunku wynika, że utylizacja CO2 może generować znaczne przepływy CO2 w 2050 roku – i że można oczekiwać, że niektóre ścieżki będą opłacalne same w sobie. Uważamy, że może to być okazja do wykorzystania tych przepływów w celu łagodzenia zmian klimatycznych.

Jednakże wykresy podkreślają również dużą niepewność co do skali tego potencjału i prawdopodobnych kosztów jego wykorzystania. Aby wykorzystanie CO2 mogło być z powodzeniem stosowane w walce ze zmianami klimatycznymi, te niepewności muszą zostać rozwiązane wraz z potencjalnymi – i nie trywialnymi – wyzwaniami, z których energochłonność i trwałość składowania dwutlenku węgla to tylko dwa.

• Guest post: Dziesięć sposobów na wykorzystanie CO2 i ich porównanie
• Dziesięć sposobów na przekształcenie CO2 w ekonomicznie wartościowy produkt

.