We moeten koolstofafvang, -opslag en -gebruik (Carbon Capture, Storage and Utilisation, CCUS) beter leren begrijpen. Om dat te doen, worden in dit artikel 10 methoden bekeken en wordt geschat hoeveel CO2 elk ervan tegen 2050 uit de atmosfeer zal halen, en wat de kosten per ton zijn. In hun lijst bestrijken de auteurs, Ella Adlen en Cameron Hepburn van de Universiteit van Oxford, de industriële (b.v. CO2-EOR, synfuels) tot de biologische (b.v. bosbouw, vastleggen van koolstof in de bodem). Zij zeggen dat er zes zijn die binnenkort kostenconcurrerend en winstgevend kunnen zijn, zelfs nu al: CO2-chemicaliën, betonnen bouwmaterialen, CO2- EOR, bosbouw, koolstofvastlegging in de bodem, biochar. Vier zijn dat (nog?!) niet: CO2-brandstoffen, microalgen, bio-energie met CCS (BECCS), verbeterde verwering. Dat is belangrijk, want hoe dichter ze bij een winstgevende onderneming komen, hoe sneller dat zal gebeuren. De auteurs wijzen erop dat hun kosten waarschijnlijk te hoog worden ingeschat: het voorspellen van technologische doorbraken in de komende decennia is verre van eenvoudig. Maar er zijn ook grote onzekerheden over de schaalbaarheid, de duurzaamheid van de afvang en de zuiverheid van de toekomstige energiemix die wordt gebruikt om bepaalde methoden aan te drijven. Deze onzekerheden moeten snel worden opgelost, omdat er geen succesvolle overgang mogelijk is zonder succesvolle CCUS.

Kunnen we CO2, het afvalgas dat grotendeels verantwoordelijk is voor de opwarming van de aarde, omzetten in een waardevolle grondstof? De vraag rees voor het eerst tijdens de oliecrisis van de jaren zeventig, toen werd gezocht naar alternatieven voor de schaarse olie.

Het idee is weer opgedoken op de golf van circulair economisch denken, aangezwengeld door de bezorgdheid over het klimaat en met het oog op de stimulering van koolstofafvang. Maar de meningen over het gebruik van CO2 schommelen tussen scepsis en enthousiasme.

Onvoldoende begrip betekent slechte strategie

Er ontstaan voortdurend nieuwe benaderingen. Beweringen over “vermeden CO2”, “verwijderde CO2” of “verminderde CO2-uitstoot” zijn gemakkelijk door elkaar te halen, en bedrijven en regeringen beginnen te investeren in verschillende kandidaat-technologieën zonder het totaalplaatje te kennen.

In een nieuw Nature-perspectief hebben we geprobeerd vast te stellen wat CO2-gebruik is, hoe het zich verhoudt tot CO2-verwijdering en emissiereductie, en of dergelijke technologieën winstgevend of schaalbaar zijn.

Als team vertegenwoordigen we economen, ingenieurs, scheikundigen, bodemonderzoekers en klimaatmodelleurs – het hele spectrum van opvattingen over gebruik. Onze studie is de meest uitgebreide tot nu toe over de relatieve omvang en kosten van verschillende manieren om CO2 te gebruiken.

Wat is CO2-benutting?

Voorheen wordt onder “CO2-benutting” een industrieel proces verstaan waarbij een economisch waardevol product wordt gemaakt met CO2 in concentraties boven het atmosferische niveau. CO2 wordt ofwel door middel van chemische reacties omgezet in materialen, chemicaliën en brandstoffen, of het wordt rechtstreeks gebruikt in processen zoals verbeterde oliewinning.

Deze definitie heeft haar historische redenen, maar het is niet de enige vorm van CO2-benutting. Er wordt ook al lang nagedacht over de vraag hoe natuurlijke koolstof – koolstof die door planten wordt gemaakt uit atmosferische CO2 – kan worden gebruikt als grondstof om waardevolle producten te maken. En CO2-gebruikende technieken, zoals de vastlegging van koolstof in de bodem, kunnen door hun vermogen om de opbrengst van gewassen te vergroten ook een economisch product opleveren.

In ons artikel kijken we naar 10 specifieke routes voor het gebruik van CO2, die het best kunnen worden gecategoriseerd aan de hand van overwegingen over hoe gemakkelijk de koolstof door de aardbol stroomt en waar hij terechtkomt, zoals in de onderstaande figuur is aangegeven.

CO2-opslag: Open, gesloten en kringlopen

Dit toont “open” gebruikspaden (paarse pijlen) die CO2 opslaan in lekkende natuurlijke systemen, zoals bossen, die zeer snel van put in bron kunnen veranderen. “Gesloten routes (rood), zoals bouwmaterialen, bieden vrijwel permanente opslag van CO2. Ten slotte “cyclisch” gebruik (geel), zoals op CO2 gebaseerde brandstoffen, waarbij koolstof op korte tijd wordt verplaatst.

Klimaatmitigatie + economisch gewin

Alle tien CO2-benuttingspaden in onze figuur bieden een soort economische motivatie, samen met een zekere mate van klimaatmitigatiepotentieel.

CO2-benutting kan op twee belangrijke manieren helpen: de verwijdering en langdurige opslag van atmosferisch CO2; en de vermindering van CO2-emissies naar de atmosfeer. In potentie kan het gebruik van CO2 om er waardevolle producten van te maken ook een deel van de kosten van de bestrijding van klimaatverandering compenseren.

Onze schattingen laten zien dat in het hoogste segment meer dan 10 miljard ton CO2 (GtCO2) per jaar kan worden gebruikt – vergeleken met een wereldwijde uitstoot van 40 GtCO2 – voor minder dan 100 dollar per ton.

Het grootste deel van dat gebruik is verbonden met opslag op middellange of lange termijn in open en gesloten systemen. Er zijn echter verschillende problemen en uitdagingen die moeten worden overwonnen voordat een dergelijk grootschalig gebruik kan worden bereikt.

CO2-gebruik is geen garantie voor mitigatie

En zelfs als CO2-gebruik succesvol zou zijn, betekent dat niet noodzakelijk dat het gunstig zou zijn voor het klimaat. Als CO2-gebruik ondoordacht gebeurt, zou het – net als andere methoden om CO2 te verwijderen en/of op te slaan – wel eens helemaal niet kunnen bijdragen tot mitigatie.

Mogelijke problemen zijn niet alleen directe CO2-emissies, maar ook emissies van andere broeikasgassen; directe en indirecte veranderingen in landgebruik; emissies van andere onderdelen van het proces; lekkage (wanneer emissies vervolgens in andere delen van het bredere systeem toenemen); en tijdelijke verplaatsing (wanneer emissies alleen maar worden uitgesteld in plaats van voorgoed te worden vermeden).

Omdat deze kwesties een rol spelen, hangt het van een groot aantal factoren af of de toepassing van een CO2-benuttingstechnologie gunstig zal zijn voor het klimaat. De belangrijkste daarvan zijn:

• Energiebron: CO2-benuttingstechnologieën kunnen energie-intensief zijn. Deze energie moet hernieuwbaar zijn: ofwel rechtstreeks van de zon, ofwel via hernieuwbare technologieën.
• Bredere context van koolstofarme technologie: Sommige van deze technologieën zijn alleen zinvol als mitigatiestrategieën op bepaalde punten van het wereldwijde decarbonisatieproces. Het gebruik van verbeterde oliewinning om CO2 vast te leggen kan bijvoorbeeld op korte termijn worden toegepast voordat de energie- en vervoersystemen koolstofarm zijn gemaakt.
• Schaal: Om een merkbaar verschil te kunnen maken in de mondiale CO2-stromen, moeten de routes het potentieel hebben om snel op te schalen. De tijd die nodig is om klimaatmaatregelen te nemen is beperkt en het opbouwen van een geheel nieuwe CO2-benuttingsindustrie in de benodigde tijd is een niet te onderschatten uitdaging.
• Duurzaamheid: De meest impactvolle technologieën zullen die zijn welke permanent CO2 uit de atmosfeer verwijderen of permanent CO2-emissies verplaatsen.

De 10 paden en hun vooruitzichten…

Hieronder vergelijken we de potentiële schaal en kosten van verschillende CO2-benuttingspaden. In het algemeen heeft CO2-gebruik het potentieel om op grote schaal en tegen lage kosten te werken, wat betekent dat het in de toekomst ‘big business’ zou kunnen worden.

De schaalevaluaties voor 2050 zijn het resultaat van een proces van gestructureerde ramingen, raadpleging van deskundigen en grote verkennende onderzoeken. Onze kostenramingen zijn break-even-kosten – wat betekent dat ze rekening houden met de inkomsten – en worden gepresenteerd als de interkwartielafstanden van techno-economische studies die uit verkennende onderzoeken zijn verzameld. Dit betekent dat de kosten achterwaarts gericht zijn en waarschijnlijk het vermogen van de trajecten om schaalvoordelen te realiseren onderschatten.

CO2-chemicaliën

Herleiding van CO2 tot de samenstellende componenten met behulp van katalysatoren en chemische reacties om producten te maken, zoals methanol, ureum (voor gebruik als meststof) of polymeren (voor gebruik als duurzame producten in gebouwen of auto’s), zou 0,3 tot 0,6GtCO3 tot 0,6 GtCO2 per jaar in 2050, tegen kosten van -$80 tot $300 per ton CO2.

CO2-brandstoffen

Het combineren van waterstof met CO2 om koolwaterstofbrandstoffen te produceren, waaronder methanol, synfuels en syngas, zou een enorme markt kunnen bestrijken – bijvoorbeeld in de bestaande vervoersinfrastructuur – maar de huidige kosten zijn hoog. Samen zouden CO2-brandstoffen in 2050 1 tot 4,2 GtCO2 per jaar kunnen gebruiken, maar de kosten lopen op tot $670 per ton CO2.

Microalgen

Het gebruik van microalgen om CO2 met een hoge efficiëntie vast te leggen en vervolgens de biomassa te verwerken tot producten, zoals brandstoffen en hoogwaardige chemicaliën, is al vele jaren het onderwerp van onderzoeksinspanningen. Met complexe productie-economieën liggen de kosten tussen 230 en 920 dollar per ton CO2, en de benuttingsgraad voor 2050 zou 0,2 tot 0,9 GtCO2 per jaar kunnen bedragen.

Betonnen bouwmaterialen

CO2 kan worden gebruikt voor het “harden” van cement, of bij de fabricage van aggregaten. Op die manier wordt een deel van de CO2 voor de lange termijn opgeslagen en kan het emissie-intensieve conventionele cement worden vervangen. Gezien de versnelde wereldwijde verstedelijking, maar een uitdagend regelgevingsklimaat, schatten wij het gebruik en opslagpotentieel op 0,1 tot 1,4GtCO2 in 2050, met huidige kosten tussen -$30 en $70 per ton CO2.

CO2-enhanced oil recovery (EOR)

Het injecteren van CO2 in olieputten kan de olieproductie verhogen. Normaal gesproken maximaliseren exploitanten de uit de put teruggewonnen olie en CO2, maar het is kritisch mogelijk om EOR zo toe te passen dat er meer CO2 wordt geïnjecteerd en opgeslagen dan er wordt geproduceerd bij het verbruik van het uiteindelijke olieproduct. Wij schatten dat in 2050 0,1 tot 1,8 GtCO2 per jaar op deze manier kan worden gebruikt en opgeslagen, tegen kosten die liggen tussen -$60 en -$40 per ton CO2.

Bio-energie met koolstofafvang en -opslag (BECCS)

Bij bio-energie met koolstofafvang vangt de exploitant CO2 op door bomen te laten groeien, produceert hij elektriciteit via bio-energie en legt hij de resulterende emissies vast. Met een ruwe schatting van de elektriciteitsopbrengsten schatten wij de gebruikskosten op $60 tot $160 per ton CO2. In 2050 zou op deze manier ongeveer 0,5 tot 5 GtCO2 per jaar kunnen worden benut en opgeslagen. Dit is lager dan sommige eerder gepubliceerde ramingen van BECCS en vertegenwoordigt een niveau van toepassing dat rekening houdt met andere duurzaamheidsdoelstellingen.

Verhoogde verwering

Het breken van rotsen, zoals basalt, en het verspreiden ervan op het land kan leiden tot de versnelde vorming van stabiel carbonaat uit atmosferisch CO2. Het is waarschijnlijk dat dit op landbouwgrond zal resulteren in een verhoogde opbrengst. Omdat deze route zich echter nog in een zeer vroeg stadium bevindt, hebben we er geen ramingen voor 2050 voor gemaakt.

Bosbouw

Hout uit zowel nieuwe als bestaande bossen is een economisch waardevol product dat mogelijk CO2 kan opslaan in gebouwen en zo het gebruik van cement kan vervangen. Wij schatten dat in 2050 tot 1,5 GtCO2 op deze manier kan worden gebruikt, tegen kosten tussen -$40 en $10 per ton CO2.

Bodemkoolstofvastlegging

Landbeheertechnieken voor bodemkoolstofvastlegging kunnen niet alleen CO2 in de bodem opslaan, maar ook de landbouwopbrengsten verhogen. Wij schatten dat de CO2 die in de vorm van die grotere opbrengst wordt gebruikt, in 2050 wel 0,9 tot 1,9GtCO2 per jaar kan bedragen, tegen kosten van -$90 tot -$20 per ton CO2.

Biochar

Biochar is “gepyrolyseerde” biomassa: plantaardig materiaal dat bij hoge temperaturen en met een laag zuurstofgehalte is verbrand. Toepassing van biochar op landbouwgrond kan de opbrengst van gewassen met 10% doen toenemen – maar het is erg moeilijk om een consistent product te maken of de reacties van de bodem te voorspellen. Wij schatten dat in 2050 tussen 0,2 en 1 GtCO2 door biochar kan worden benut, tegen kosten van ongeveer -$65 per ton CO2.

Capaciteit, kosten vergeleken

De samenvattende figuur hieronder toont een schatting van hoeveel CO2 door elk pad kan worden benut (de breedte van elke kolom) en de bijbehorende break-evenkosten (hoogte van de kolommen).

Het lage scenario (grafiek links) en het hoge scenario (rechts) geven de bandbreedte van de resultaten weer, afhankelijk van het niveau van de investeringen, de introductie en de technologische verbeteringen tegen 2050. De arcering heeft betrekking op de technologische gereedheid, variërend van laag of variabel (lichte tinten) tot hoog (donkerdere tinten). De sterretjes verwijzen naar de duur van de CO2-opslag, gaande van dagen of maanden (enkel sterretje) tot eeuwen of meer (driedubbel sterretje).

De bovenstaande figuur laat zien dat CO2-benutting in 2050 aanzienlijke stromen CO2 kan genereren – en dat van sommige paden kan worden verwacht dat ze op zichzelf winstgevend zijn. Wij denken dat dit een kans kan zijn om die stromen te benutten voor de beperking van de klimaatverandering.

De grafieken benadrukken echter ook de grote onzekerheid over de omvang van dat potentieel en de waarschijnlijke kosten om het aan te boren. Wil het gebruik van CO2 met succes worden ingezet in de strijd tegen klimaatverandering, dan moeten deze onzekerheden worden opgelost naast potentiële – en niet onbelangrijke – uitdagingen, waarvan de energie-intensiteit en de duurzaamheid van koolstofopslag er slechts twee zijn.

***

Dr Ella Adlen is manager onderzoek en programma’s aan de Oxford Martin School van de Universiteit van Oxford

Prof Cameron Hepburn is directeur van de Smith School of Enterprise and Environment van de Universiteit van Oxford

Dit artikel is gepubliceerd onder een CC-licentie van Carbon Brief