Dobbiamo capire meglio la cattura, lo stoccaggio e l’utilizzo del carbonio (CCUS). Per farlo, questo articolo esamina 10 metodi e stima quanta CO2 ciascuno toglierà dall’atmosfera entro il 2050, e il costo per tonnellata. Nella loro lista gli autori, Ella Adlen e Cameron Hepburn dell’Università di Oxford, coprono dall’industriale (per esempio CO2-EOR, synfuels) al biologico (per esempio la silvicoltura, il sequestro del carbonio nel suolo). Dicono che ce ne sono sei che possono essere competitivi nei costi e redditizi presto, anche ora: Prodotti chimici CO2, materiali da costruzione in cemento, CO2- EOR, silvicoltura, sequestro del carbonio nel suolo, biochar. Quattro non lo sono (ancora?!): Combustibili a base di CO2, microalghe, bioenergia con CCS (BECCS), miglioramento degli agenti atmosferici. Importa perché più ciascuno è vicino a diventare un business redditizio, prima accadrà. Gli autori sottolineano che i loro costi sono probabilmente sovrastimati: prevedere i progressi tecnologici nei decenni futuri è tutt’altro che facile. Ma, in una vena simile, ci sono anche grandi incertezze sulla scalabilità, la permanenza della cattura, e la pulizia del futuro mix energetico utilizzato per alimentare alcuni metodi. Queste incertezze devono essere risolte velocemente perché non ci sarà una transizione di successo senza una CCUS di successo.

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 al petrolio che scarseggiava.

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.

Poca comprensione significa scarsa strategia

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, ci siamo proposti di definire cosa sia l’utilizzo della CO2, come possa essere correlato alla rimozione della CO2 e alla riduzione delle emissioni, e se tali tecnologie siano redditizie o scalabili.

Come team, rappresentiamo economisti, ingegneri, chimici, scienziati del suolo e modellisti del clima – 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.

Che cos’è l’utilizzo della CO2?

Convenzionalmente, “l’utilizzo della CO2” è un processo industriale che produce un prodotto economicamente valido 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 fare 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.

Stoccaggio della CO2: Aperto, Chiuso e Ciclico

Questo mostra i percorsi di utilizzo “aperti” (frecce viola) che immagazzinano 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.

Mitigazione del clima + guadagno economico

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 che un utilizzo così ampio possa essere raggiunto.

L’utilizzo della CO2 non garantisce la mitigazione

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 della CO2 – in comune con altri approcci che rimuovono e/o immagazzinano la 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 della destinazione d’uso dei terreni; 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 di 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 sostituiranno 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, consultazioni di esperti e ampie revisioni 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 da analisi di scoping. Questo significa che i costi sono retrospettivi e probabilmente sottostimano la capacità dei percorsi di raggiungere economie di scala. I costi negativi significano che il processo è redditizio secondo le ipotesi attuali.

CO2 chemicals

Ridurre la CO2 ai suoi componenti costituenti usando catalizzatori e usando 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 da 0..3 a 0,6 GtCO2 all’anno nel 2050, a costi compresi tra -$80 e $300 per tonnellata di CO2.

Carburanti a 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 da 1 a 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 elaborare 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 da 0,2 a 0,9 GtCO2 all’anno.

Materiali da costruzione in cemento

La CO2 può essere usata per “curare” il cemento, o nella fabbricazione 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, stimiamo un potenziale di utilizzo e stoccaggio da 0,1 a 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 recuperata 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 da 0,1 a 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 0,5-5 GtCO2 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 diffonderle 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 territorio per il sequestro del carbonio nel suolo possono non solo immagazzinare CO2 nel suolo, ma anche migliorare la resa agricola. Stimiamo che la CO2 utilizzata sotto forma di tale aumento di 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

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 i rendimenti 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 per tonnellata di CO2.

Capacità, costi a confronto

La figura riassuntiva qui sotto 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).

La figura sopra mostra che l’utilizzo della CO2 potrebbe generare flussi significativi di CO2 nel 2050 – e che alcuni percorsi possono essere prevedibilmente 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 di attingere ad esso. Affinché l’utilizzo della CO2 possa essere impiegato 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.

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La dottoressa Ella Adlen è responsabile della ricerca e dei programmi della Oxford Martin School dell’Università di Oxford

Il professor Cameron Hepburn è direttore della Smith School of Enterprise and Environment dell’Università di Oxford

Questo articolo è pubblicato con licenza CC da Carbon Brief