CO2 uit de lucht halen en gebruiken kan een miljardenbusiness zijn

Maak kennis met koolstofafvang en -gebruik, die CO2 aan het werk zet om waardevolle producten te maken.

Een afbeelding met CO2 omgeven door een cirkel van pijlen. Shutterstock

Dit is deel één van een vierdelige serie over koolstofafvang en -gebruik (CCU), de groeiende industrie die zich toelegt op het gebruik van uit de atmosfeer opgevangen koolstofdioxide om klimaatverandering te bestrijden. Deel twee gaat over verbeterde olieterugwinning als een gebruik van CO2, en deel drie gaat over andere industriële toepassingen van CO2 . De vierde post beschouwt hoe beleidsmakers CCU-technologieën moeten benaderen . Dit stuk is oorspronkelijk gepubliceerd in september.


Wetenschappers schatten in het algemeen dat de mensheid de atmosferische concentratie van koolstofdioxide op ongeveer 350 delen per miljoen moet stabiliseren om de stijging van de wereldwijde gemiddelde temperatuur tot 1,5 graad Celsius boven de pre-industriële basislijn - een veilig niveau van opwarming - te houden.



Dit jaar, we bereikten ongeveer 410 ppm . Er zit al teveel CO2 in de atmosfeer. Om een ​​veilig klimaat voor toekomstige generaties echt te garanderen, hoeven we op dit moment niet alleen de uitstoot te verminderen; we moeten wat CO2 uit de atmosfeer halen.

Aangezien de wereldwijde koolstofemissies nog steeds stijgend en er zijn honderden gigaton op weg van de bestaande infrastructuur voor fossiele brandstoffen, omvat bijna elk model dat wordt gebruikt door het Intergouvernementeel Panel voor klimaatverandering (IPCC) dat ons een veilig klimaat bereikt, het begraven van gigaton CO2, de zogenaamde negatieve uitstoot.

Er zijn vele vormen van negatieve emissies, maar hoogstwaarschijnlijk de enige manier om deze te verwijderen genoeg CO2 zal zijn om het direct uit de lucht te halen en het ondergronds te begraven in zoute watervoerende lagen , een proces dat bekend staat als koolstofafvang en -vastlegging (CCS). Met CCS wordt CO2 behandeld als een afvalproduct dat op de juiste manier moet worden verwijderd, net zoals we afvalwater en zoveel andere vervuilingsgevaren behandelen.

Hoeveel CO2 moet er worden begraven? Het is duidelijk dat het onmogelijk is om het van tevoren te weten; IPCC-modellen variëren in hoe snel ze laten zien dat de uitstoot daalt. Hoe sneller en eerder de emissies dalen, hoe minder CCS nodig zal zijn. Hoe langzamer en later ze vallen, hoe meer er nodig zal zijn.

NAAR Paper 2017 in Nature Climate Change schat de totale mitigatielast - dat is de totale hoeveelheid uitstoot die tussen nu en 2050 moet worden vermeden om onder de 2 graden te blijven - op 800 gigaton. (Hoewel het IPCC zegt dat 1,5 graden het echt veilige doel is, geloven veel wetenschappers dat dit onhaalbaar is; 2 graden blijft een extreem ambitieus doel.) De paper schat dat zelfs als de emissiereducties succesvol zijn, tussen de 120 en 160 gigaton zal moeten worden afgezonderd tijdens die periode.

Een andere manier om dat te zeggen is, zelfs als we optimistische aannames over decarbonisatie geven, zullen we waarschijnlijk veel meer uitstoten dan ons koolstofbudget, dus we zullen tussen de 100 en 200 gigaton CO2 moeten begraven om er weer in terug te komen. En natuurlijk zullen we in de jaren na 2050 nog honderden gigaton moeten begraven.

Een grafiek met klimaatneutrale en CO2-negatieve scenario

1,5 en 2 graden emissiescenario's; alles nadat de emissies halverwege de eeuw onder nul zijn gedaald, zijn negatieve emissies.

OCI

Om een ​​gevoel van schaal te geven, betekent dit dat de mensheid tegen 2030 een hoeveelheid CO2 per volume moet comprimeren, transporteren en begraven, dat is twee tot vier keer de hoeveelheid vloeistoffen die de wereldwijde olie- en gasindustrie behandelt vandaag. Om tegen die datum een ​​industrie van die schaal op te bouwen, moeten we vandaag beginnen, met grootschalig onderzoek en implementatie. De prijs voor het afvangen van CO2 uit de lucht moet snel omlaag.

Maar er is een probleem: het begraven van CO2 heeft op korte termijn geen economische voordelen. Bij het ontbreken van een vrij stevige prijs voor koolstof, bedoeld om de voordelen op de lange termijn te waarderen, houdt CCS geen rekening met. Er is geen prikkel voor bedrijven om het te doen en dus ook geen prikkel om beter te worden in het afvangen van koolstof.

De gemakkelijke oplossing voor dit dilemma zou een wereldwijde prijs op koolstof zijn, maar dat lijkt niet te gebeuren. Dus hoe kan de koolstofafvangindustrie op gang komen als er geen koolstofprijs is?

Hier is een idee: voor een tijdje, in plaats van de koolstof te begraven, zouden de bedrijven die het vangen het kunnen verkopen.

Het gebruik van CO2 kan een stimulans zijn voor het afvangen van koolstof

Kooldioxide is een handelsartikel met enige waarde. Het wordt al meer dan een eeuw gebruikt, zowel rechtstreeks als als grondstof, door een reeks industrieën.

De meeste CO2 die tegenwoordig door industrieën wordt gebruikt, is een bijproduct van processen met fossiele brandstoffen, vaak van aardgas- of kolengestookte fabrieken die ammoniak maken; dat wil zeggen dat het van onder het aardoppervlak komt. Net als bij het verbranden van fossiele brandstoffen, brengt het CO2 van de geosfeer naar de atmosfeer.

chris evans kapitein amerika oneindige oorlog

Maar als CO2 die uit de lucht wordt gehaald, overvloediger en goedkoper wordt, kan het gaan concurreren met terrestrische CO2. In theorie zou elke industrie die koolstof van onder de grond gebruikt - voor brandstof, dranken, direct in industriële processen, als grondstof om andere producten te maken, of wat dan ook - kunnen overschakelen op in de lucht opgevangen CO2.

Het gebruik van CO2 uit de lucht voor producten en diensten staat bekend als carbon capture and use (CCU). Volgens sommige schattingen is het in 2030 een potentiële markt van $ 1 biljoen. En het zou twee brede voordelen kunnen hebben.

Ten eerste zou het de CO2-uitstoot kunnen verminderen, deels door een deel van de koolstof permanent vast te leggen in duurzame producten en deels door koolstofintensieve processen te vervangen, waardoor emissies worden vermeden die anders zouden zijn opgetreden.

Voor alle duidelijkheid: CCU zal nooit genoeg CO2 verminderen om de noodzaak van CCS (d.w.z. het begraven van koolstof) te vermijden. Niet eens in de buurt. De hoeveelheid CO2 die de mensheid uitstoot, is simpelweg kleiner dan de hoeveelheid op koolstof gebaseerde producten die ze verbruikt.

Maar CCU kan een nuttig hulpmiddel zijn in de gereedschapsriem voor decarbonisatie. Als een recente krant zeg het, elk atoom van C dat we kunnen recyclen, is een atoom van fossiele koolstof dat in de ondergrond achterblijft voor volgende generaties, dat vandaag de atmosfeer niet zal bereiken. Volgens een optimistische schatting zou CCU tegen 2030 tot 10 procent van de totale wereldwijde uitstoot kunnen verminderen.

Ten tweede zou de vraag naar CO2, aangedreven door CCU, kunnen zorgen voor een vroege marktaantrekkingskracht, waardoor de technologie voor het opvangen van koolstof kan worden opgeschaald en de kosten kunnen worden verlaagd, zodat het klaar is wanneer beleidsmakers er eindelijk toe komen om CCS serieus te ondersteunen. Het zou kunnen dienen als oprit naar CCS.

Een gids voor de complexe en verwarrende wereld van koolstofgebruik

Dit is een heet en zich snel ontwikkelend gebied in de klimaat- en energiewereld. Er zijn allerlei soorten onderzoek gaande naar nieuwe toepassingen van CO2, allerlei proefprojecten lopen, allerlei soorten startups opduiken, en allerlei verwarrende informatie en hype rondzweven. Dus laten we kijken of we het kunnen regelen.

Dit is hoe deze reeks berichten zal verlopen. In dit bericht zullen we een korte blik werpen op de twee belangrijkste bronnen van industriële koolstofafvang en de fundamentele manieren waarop CO2 momenteel door de industrie wordt gebruikt, gewoon om ons te oriënteren.

In de tweede post zullen we het lastige onderwerp van verbeterde oliewinning (EOR) bespreken, wat verreweg het grootste huidige industriële gebruik van CO2 is.

In de derde post gaan we dieper in op de belangrijkste niet-EOR-markten voor CO2, zoals bouwmaterialen en brandstoffen, en hun totale potentieel, zowel in economisch als in koolstoftermen.

En in de laatste post zullen we nadenken over de weg voorwaarts voor CCU, wat voor soort ondersteunend beleid het vereist, en, een stap terug doen, de juiste manier om het te zien in de algemene context van de klimaatstrijd.

Het gaat leuk worden! Je zult CO2 nooit meer op dezelfde manier zien.

Soorten koolstofafvang

Laten we eerst duidelijk maken wat ik bedoel als ik het heb over het opkomen voor een industriële koolstofafvangindustrie.

Een grote verscheidenheid aan natuurlijke processen absorberen en slaan koolstof op, op het land (bossen en bodem), aan de kusten (wetlands en mangroven) en in de oceaan. Het koolstofabsorberende vermogen van die processen kan worden verbeterd met slim menselijk management - bijv. LandCarbon-programma - en ze kunnen een spelen grote rol in de strijd tegen het klimaat .

Maar in deze berichten zullen we het hebben over industriële koolstofafvang, machines die zijn gebouwd om via chemische reacties CO2 uit de lucht te absorberen. We zullen niet ingaan op de verschillende chemische stoffen en technologieën die erbij betrokken zijn (er zijn er veel, en ze zijn ingewikkeld), maar het is de moeite waard om één onderscheid in gedachten te houden.

zorgt het verbranden van calorieën ervoor dat je afvalt?

CO2 kan ofwel uit rookgassen worden gehaald - afvalstromen die worden geproduceerd door energieopwekking of andere industriële processen - of het kan uit de omgevingslucht worden gehaald via een proces dat bekend staat als directe luchtopname (DAC). Elk heeft zijn voor- en nadelen.

directe luchtafvang (DAC) van kooldioxide

Een directe luchtvangmachine (of op zijn minst een weergave van een kunstenaar).

Koolstoftechniek

Het grote voordeel van het onttrekken van rookgassen is dat de CO2 geconcentreerd is, ongeveer één molecuul op 10, terwijl het in de omgevingslucht één molecuul op 2.500 is. Omdat de wetten van de chemie zijn wat ze zijn, zal het altijd minder energie vergen om een ​​materiaal uit een reeds geconcentreerde bron te halen. Op basis van de grondstofprijzen zal CO2 uit rookgassen waarschijnlijk altijd goedkoper zijn dan CO2 geproduceerd door DAC.

Maar DAC heeft zijn eigen voordelen. Ten eerste is het geografisch agnostisch. Het hoeft nergens aan te worden bevestigd of op een bepaalde plaats te worden gebouwd. CO2 is overal ter wereld even geconcentreerd in de lucht, dus DAC kan overal ter wereld worden gebouwd, waar de CO2 ook nodig is, waardoor transportkosten worden geëlimineerd. Het is kleiner, modulairder en beter aanpasbaar.

Ten tweede wordt DAC, in tegenstelling tot elke andere vorm van koolstofafvang, terrestrisch of industrieel, alleen beperkt door kosten. Het kan opschalen tot elke grootte, alleen afhankelijk van onze bereidheid om er geld aan uit te geven. Dat is waarom velen in het veld geloven dat DAC op de lange termijn de meest veelbelovende technologie voor negatieve emissies is.

(NB: er zijn bedrijven zoals Globale thermostaat met technologieën waarvan ze beweren dat ze koolstof uit beide bronnen kunnen opvangen.)

Zoals we zullen zien, zijn verschillende opties voor CCU mogelijk beter geschikt voor de ene of de andere vorm van vastleggen.

Het gebruik van CO2 en het potentieel ervan

Laten we met al die achtergrond eens kijken naar de manieren waarop CO2 momenteel wordt gebruikt.

Hier is een afbeelding van de Britse Royal Society waarin de basisopties worden uiteengezet:

gebruik van kooldioxide Koninklijke Maatschappij

Om onderaan te beginnen: CO2 kan direct, in kassen, worden gebruikt om dranken te carboniseren, of voor verbeterde oliewinning (het grootste huidige gebruik), of het kan via een breed scala aan chemische processen worden omgezet in materialen of grondstoffen. Een van de chemische omzettingen met het grootste potentieel, bovenaan, is het combineren van CO2 met waterstof om synthetische koolwaterstofbrandstoffen te maken.

wanneer is het tweede democratische debat 2019

deze afbeelding van het Global CO2-initiatief van de University of Michigan wordt iets gedetailleerder over de resulterende producten:

Sommige van deze processen en producten zijn verder in de marktontwikkeling dan andere; sommige hebben een groter CO2-reductiepotentieel dan andere; sommige hebben een groter totaal marktpotentieel dan andere. (We zullen dat allemaal nader bekijken in de derde post.)

Een onderscheid om voorlopig in gedachten te houden heeft te maken met hoe lang elk van deze opties CO2 vasthoudt.

Voor de meesten van hen is het een relatief korte tijd. Als afgevangen CO2 bijvoorbeeld wordt gebruikt om synthetische brandstoffen te maken, worden de brandstoffen vervolgens verbrand, waarna de CO2 weer vrijkomt in de atmosfeer. Het is koolstofrecycling (of upcycling), geen koolstofvastlegging.

Verbeterde oliewinning kan worden gedaan in combinatie met permanente geologische koolstofvastlegging, maar is tegenwoordig zelden het geval. (We zullen dat nader bekijken in de tweede post.)

Van de verschillende andere categorieën van CCU kunnen alleen constructiematerialen (en mogelijk nieuwe materialen zoals koolstofvezel) claimen CO2 semi-permanent vast te leggen. Wanneer je CO2 in beton injecteert, wordt het beton vervolgens gebruikt in een gebouw dat wel een eeuw mee kan gaan; dan, als het gebouw instort, kan het beton worden afgebroken en hergebruikt. De CO2 blijft zitten, chemisch gebonden.

Dit onderscheid is van belang bij het overwegen van het totale mitigatiepotentieel van CCU. Slechts een klein deel ervan kan ooit beweren koolstofnegatief te zijn; het sekwestratiepotentieel is beperkt. Voor het grootste deel zal het voordeel komen van het vervangen van koolstofintensieve processen door koolstofneutrale processen, waarbij koolstofemissies worden vermeden. (En zelfs dat potentieel kan beperkt zijn; daarover meer in de vierde post.)

Dit alles betekent nogmaals dat CCU CCS nooit zal vervangen. In het beste geval helpt het om de basis voor CCS te leggen.

In zijn oriëntatiepunt routekaart 2016 voor CCU-industrieën was het Global CO2-initiatief extreem optimistisch over het mitigatiepotentieel van CCU, met het argument dat het aanzienlijk zou kunnen helpen bij het behalen van de klimaatdoelstellingen van Parijs.

koolstofmitigatiepotentieel van CCU GCI

Het is vermeldenswaard dat deze optimistische projecties niet universeel worden gedeeld; de schatting van het mitigatiepotentieel in de roadmap bevindt zich aan de bovenkant van Recent onderzoek . NAAR 2005 IPCC-beoordeling kwam somber tot de conclusie dat de omvang van het gebruik van afgevangen CO2 in industriële processen te klein is, de opslagtijden te kort en de energiebalans te ongunstig om industrieel gebruik van CO2 significant te laten worden als middel om klimaatverandering tegen te gaan.

Toch is er sinds 2005 veel veranderd. Duurzame energie is goedkoper geworden en de CO2-conversie is verbeterd. CCU is op zijn minst een van de vele potentieel koolstofreducerende technologieën die veel meer aandacht en ondersteuning verdienen dan het momenteel van beleidsmakers krijgt.

De politiek stimuleert niet bepaald langetermijndenken, maar 2050 is niet zo ver weg en 2030 is nog dichterbij. De temperatuur ruim onder de 2 graden houden, het VN-doel, betekent niet alleen het bereiken van een netto-nuluitstoot tegen 2050, zoals de meeste Democratische kandidaten voor het presidentschap nu steunen. Het betekent ook het opbouwen van de capaciteit om honderden gigaton koolstof te begraven. Voor zover CCU kan helpen dat op gang te brengen - een open vraag, voor nu - is het de moeite waard om na te streven.


In deel twee gaan we dieper in op verbeterde oliewinning, het dominante huidige gebruik van CO2. Enerzijds maakt het gebruik van infrastructuur die gemakkelijk kan worden hergebruikt voor koolstofvastlegging in gebieden die doorgaans geschikt zijn voor koolstofvastlegging. Aan de andere kant geeft het de oliemaatschappijen macht. We zullen met dat dilemma worstelen.