Musimy lepiej zrozumieć wychwytywanie, składowanie i utylizację dwutlenku węgla (CCUS). Aby to zrobić, w tym artykule przyjrzano się 10 metodom i oszacowano, ile CO2 każda z nich usunie z atmosfery do 2050 r., oraz koszt za tonę. W swoim zestawieniu autorzy, Ella Adlen i Cameron Hepburn z Uniwersytetu w Oxfordzie, uwzględniają zarówno metody przemysłowe (np. CO2-EOR, synfuels), jak i biologiczne (np. leśnictwo, sekwestracja węgla w glebie). Twierdzą, że istnieje sześć, które mogą być konkurencyjne cenowo i opłacalne wkrótce, a nawet teraz: Chemikalia CO2, betonowe materiały budowlane, CO2- EOR, leśnictwo, sekwestracja węgla w glebie, biochar. Cztery nie są (jeszcze?!): paliwa CO2, mikroalgi, bioenergia z CCS (BECCS), wzmocnione wietrzenie. Ma to znaczenie, ponieważ im bliżej każda z nich jest stania się rentownym biznesem, tym szybciej to nastąpi. Autorzy zaznaczają, że ich koszty mogą być przeszacowane: przewidywanie przełomów technologicznych w przyszłych dekadach nie jest łatwe. Ale, podobnie, istnieje duża niepewność co do skalowalności, trwałości wychwytywania i czystości przyszłej mieszanki energetycznej wykorzystywanej do zasilania niektórych metod. Te niepewności muszą być szybko rozwiązane, ponieważ nie będzie udanego przejścia bez udanego CCUS.

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 alternatywy dla deficytowej ropy naftowej.

Pomysł ten powrócił na fali myślenia o gospodarce cyrkulacyjnej, wywołanego obawami o klimat i w celu zachęcenia do wychwytywania dwutlenku węgla. Jednak opinie na temat wykorzystania CO2 wahają się między sceptycyzmem a entuzjazmem.

Biedne zrozumienie oznacza słabą strategię

Ciągle pojawiają się nowe podejścia. Twierdzenia o „unikniętym CO2”, „usuniętym CO2” czy „zmniejszonych emisjach CO2” łatwo pomylić, a korporacje i rządy zaczynają inwestować w różne technologie kandydujące, nie mając pod ręką całościowego obrazu sytuacji.

W nowej perspektywie Nature postanowiliśmy ustalić, czym jest wykorzystanie CO2, jak może się ono wiązać z usuwaniem CO2 i redukcją emisji oraz czy takie technologie są opłacalne i skalowalne.

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

Co to jest wykorzystanie CO2?

Konwencjonalnie, „wykorzystanie CO2” to proces przemysłowy, który wytwarza wartościowy ekonomicznie produkt przy użyciu CO2 o stężeniu powyżej poziomu atmosferycznego. CO2 jest albo przekształcany w reakcjach 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. Od dawna myśli się 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 naszym artykule przyglądamy się 10 konkretnym ścieżkom wykorzystania CO2, najlepiej skategoryzowanym przez wzgląd na to, jak łatwo węgiel przepływa wokół sfer Ziemi i gdzie się kończy, jak pokazano na poniższym rysunku.

Magazynowanie CO2: Otwarte, Zamknięte i Cykling

Wykazuje to „otwarte” ścieżki utylizacji (fioletowe strzałki), które przechowują CO2 w nieszczelnych systemach naturalnych, takich jak lasy, które mogą bardzo szybko przekształcić 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.

Łagodzenie klimatu + zysk ekonomiczny

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 wartościowych produktów może również zrównoważyć niektóre koszty łagodzenia zmian klimatycznych.

Nasze szacunki pokazują, że w górnym zakresie, ponad 10 miliardów ton CO2 (GtCO2) rocznie może być wykorzystane – w porównaniu z globalną emisją 40GtCO2 – za mniej niż 100 dolarów 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 przezwyciężyć, zanim uda się osiągnąć tak duże wykorzystanie.

Użytkowanie CO2 nie gwarantuje łagodzenia skutków zmian klimatycznych

Co więcej, nawet gdyby utylizacja CO2 zakończyła się sukcesem, nie oznacza to, że byłaby korzystna dla klimatu. Jeśli zostanie przeprowadzone bez należytej uwagi, wykorzystanie CO2 – podobnie jak inne metody 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 w celu 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 nowego przemysłu utylizacji CO2 w wymaganym czasie jest nietrywialnym wyzwaniem.
• Trwałość: Najbardziej wpływowe będą te technologie, które trwale usuną atmosferyczne CO2 lub trwale zastąpią 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 w przyszłości może to być duży biznes.

Oszacowania skali dla roku 2050 pochodzą z procesu ustrukturyzowanych szacunków, 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. Koszty ujemne oznaczają, że proces jest opłacalny przy obecnych założeniach.

Chemikalia CO2

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 do 0,6 GtCO2 rocznie w 2050 r., przy kosztach od -$80 do $300 za tonę CO2.

Paliwa CO2

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

Mikroalgi

Użycie 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 od 0,2 do 0,9 GtCO2 rocznie.

Betonowe materiały budowlane

CO2 może być użyty 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 urbanizacji na świecie, ale w trudnym otoczeniu regulacyjnym, szacujemy potencjał wykorzystania i składowania od 0,1 do 1,4 GtCO2 w 2050 roku, przy obecnych kosztach od -$30 do $70 za tonę CO2.

Odzysk ropy naftowej wspomagany CO2 (EOR)

Wstrzykiwanie CO2 do szybów naftowych może zwiększyć produkcję ropy. Zazwyczaj operatorzy maksymalizują ilość ropy i CO2 wydobytego 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 do 1,8 GtCO2 rocznie mogłoby być wykorzystane i składowane w ten sposób w 2050 roku, przy kosztach pomiędzy -$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 poprzez bioenergię i sekwestruje powstałe emisje. Przy przybliżonych przychodach z energii elektrycznej szacujemy, że koszty utylizacji wynoszą od 60 do 160 dolarów za tonę CO2. W 2050 roku w ten sposób można by wykorzystywać i składować około 0,5 do 5 GtCO2 rocznie. Jest to niższy poziom niż niektóre wcześniej opublikowane szacunki BECCS i reprezentuje poziom wdrożenia, który jest świadomy innych celów zrównoważonego rozwoju.

Wzmocnione wietrzenie

Kruszenie skał, takich jak bazalt, i rozprzestrzenianie ich na ziemi może skutkować przyspieszonym tworzeniem stabilnego węglanu z atmosferycznego CO2. Jest prawdopodobne, że takie działanie na terenach rolniczych spowoduje zwiększenie plonów. Jednakże, bardzo wczesna natura tej ścieżki oznacza, że nie dokonaliśmy dla niej szacunków na rok 2050.

Leśnictwo

Drewno z nowych i istniejących lasów jest ekonomicznie cennym produktem, który potencjalnie może magazynować CO2 w budynkach, a przez to zastąpić użycie cementu. Szacujemy, że w 2050 r. można by w ten sposób wykorzystać do 1,5 GtCO2, 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 utylizowany w formie zwiększonej produkcji może wynosić od 0,9 do 1,9 GtCO2 rocznie w 2050 roku, przy kosztach od -$90 do -$20 za tonę CO2.

Biochar

Biochar to „pirolizowana” biomasa: materiał roślinny, który został spalony w wysokiej temperaturze przy niskim poziomie tlenu. Zastosowanie biocharu w glebie rolniczej 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.

Możliwości, koszty porównane

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, wykorzystania 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).

Powyższy rysunek pokazuje, 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 stanowić okazję do wykorzystania tych przepływów do celów łagodzenia zmian klimatycznych.

Jednakże wykresy podkreślają również dużą niepewność co do skali tego potencjału i prawdopodobnych kosztów jego wykorzystania. Aby z powodzeniem wykorzystać CO2 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.

***

Dr Ella Adlen jest menedżerem ds. badań i programów w Oxford Martin School na Uniwersytecie Oksfordzkim

Prof Cameron Hepburn jest dyrektorem Smith School of Enterprise and Environment na Uniwersytecie Oksfordzkim

Ten artykuł został opublikowany na licencji CC przez Carbon Brief

Więcej informacji można znaleźć na stronie internetowej Carbon Brief.