ESG & Economie - Potentie van CO2 afvang technologieën
Onlangs publiceerden we een ESG & Economie over de koolstofcyclus. Er zijn verschillende plaatsen om koolstof op te slaan, zoals in de lithosfeer, dat is de korst en de bovenste vaste mantel (inclusief fossiele brandstofvoorraden), in de bodem, in planten, in de oceaan en in de atmosfeer. Maar om de klimaatverandering te beperken, zouden we de koolstof die is opgeslagen in de atmosfeer moeten beperken. Volgens het Wereldwijde koolstofbudget is er slechts 65 Gt, 160 Gt en 305 Gt koolstof over voor de 1,5°C, 1,7°C en 2,0°C paden. Dit vertaalt zich in een CO2-budget van 238 Gt CO2, 586 Gt CO2 en 1.117 Gt CO2 voor respectievelijk de 1,5°C-, 1,7°C- en 2,0°C-paden. In het huidig tempo van mondiale uitstoot van 41,6 Gt CO2 per jaar is het budget over ongeveer 6 jaar al op voor het 1,5°C-scenario. Dus er is behoefte aan technologieën die koolstof uit de atmosfeer halen en opslaan. Sinds afgelopen jaar hebben we verschillende rapporten gepubliceerd over het gebruik van koolstofafvang en -opslag en geo-engineering voor koolstofvastlegging. In deze publicatie richten we ons op twee technologieën, namelijk het halen van CO2 uit de atmosfeer (DAC) of het halen van CO2 uit de oceaan (DOC en eDOC). DOC is een relatief nieuwe technologie. In de volgende paragrafen vergelijken we deze technologieën en bekijken we hun voor- en nadelen. We eindigen met een conclusie.
Er zijn verschillende technologieën om CO2 af te vangen om het pad naar netto nul uitstoot in 2050 te ondersteunen
Twee methoden om CO2 af te vangen zijn Direct Air Capture (DAC) en Direct Ocean Capture (DOC)
DAC is duur omdat de concentratie CO2 in de atmosfeer relatief laag is, waardoor het proces minder efficiënt is
Bovendien is DAC beperkt in schaal en vangt het minder CO2 op dan het volume van de jaarlijkse uitstoot
Elektrochemische Direct Ocean Capture (eDOC) is een innovatieve maar dure technologie
Ondanks de hoge kosten heeft eDOC een groter potentieel om meer CO2 af te vangen dan DAC
Het halen van CO2 uit de lucht
Directe luchtafvang is een technologie die CO2 uit de atmosfeer haalt om daarna op te slaan (zie voor meer informatie) of om te gebruiken (zie voor meer informatie). De grafieken hieronder tonen de CO2-emissies van het Internationaal Energieagentschap (IEA) en directe luchtafvang onder drie verschillende scenario's.
De groene lijn vertegenwoordigt het Net Zero-scenario (NZE) tegen 2050, de gele lijn het Announced Pledges Scenario (APS) en de donkere lijn het Stated Policies Scenario (STEPS). In al deze scenario's is de capaciteit voor directe luchtafvang tot 2030 nog steeds onbeduidend in vergelijking met de totale CO2-uitstoot wereldwijd. Na 2030 neemt de rol van directe luchtafvang in absolute en relatieve zin toe, omdat de wereldwijde uitstoot in het NZE-scenario afneemt. In de andere twee scenario's is de rol van directe luchtafvang beperkt omdat de afgevangen CO2 uit de atmosfeer minder dan 1% van de totale jaarlijkse CO2-uitstoot blijft. Volgens het Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) zal er tegen het einde van de eeuw tussen de 100-1.000 Gt CO2 uit de atmosfeer moeten worden verwijderd om de opwarming te beperken tot minder dan 1,5°C door directe luchtafvang en andere verwijderingstechnologieën.
Naast het feit dat de capaciteit beperkt is, is er nog een nadeel bij directe luchtafvang. Het is duurder dan koolstofafvang en -opslag (CCS) omdat het zeer energie-intensief is. Dit komt vooral door de lage CO2-concentratie in de atmosfeer in vergelijking met de CO2-concentratie in een rookgas voor CCS. Een groot voordeel is echter dat installaties voor directe luchtafvang overal geplaatst kunnen worden, bijvoorbeeld in de buurt van installaties voor hernieuwbare energie. Volgens Bloomberg NEF zullen de kosten van deze technologie in de loop van de tijd dalen van meer dan USD 664 per ton in 2024 tot USD 113 per ton in 2050. Dit is aanzienlijk meer dan de huidige EU ETS-prijzen van EUR 65 per ton (USD 71 per ton). Deze technologie wordt dus pas betaalbaar als de koolstofprijzen boven de kosten uitstijgen.
Het halen van CO2 uit de oceaan
Naast directe afvang in de lucht is er een nieuwe technologie die CO2 uit de oceaan haalt. Voordat we dieper op deze technologie ingaan, is het de moeite waard om het gedrag van CO2 in de oceaan beter te begrijpen. In onze "ESG Economist: Het begrijpen van de koolstofkringloop" (zie voor meer informatie) hebben we uitgelegd hoe koolstof wordt opgeslagen in de oceaan. Dit is een complexe dynamiek. Oceanen slaan 40-50 keer meer koolstof op dan de atmosfeer. Dit komt doordat CO2 wordt opgelost in water en onderdeel wordt van opgeloste anorganische koolstof. Dit proces gaat door totdat er een evenwicht is. Opgeloste anorganische koolstof bestaat uit CO2 in waterige vorm, bicarbonaat en carbonaat met een evenwichtsverhouding van 1:88:11. Dit komt overeen met een pH-waarde van 8. Een groot deel van de CO2 die door de oceaan wordt opgenomen, verandert dus in bicarbonaat en er is slechts een relatief klein deel CO2 in waterige vorm. Hierdoor absorberen oceanen aanzienlijk meer CO2 dan de atmosfeer. De pH van het water bepaalt deze verhouding. Een lage pH (zuurder) resulteert in meer CO2 in waterige vorm, terwijl er bij een hogere pH meer carbonaationen zijn. Het andere evenwicht is de concentratie van CO2 in de oceaan vergeleken met CO2 in de atmosfeer. Als de concentratie CO2 in zeewater lager wordt dan de concentratie in de atmosfeer, dan nemen oceanen CO2 op uit de atmosfeer.
Er zijn verschillende technologieën die erop gericht zijn om oceanen meer CO2 uit de atmosfeer te laten opnemen. De technologie waar we ons in deze publicatie op richten is de elektrochemische directe oceaan afvang of eDOC. eDOC maakt gebruik van en verandert de bovengenoemde evenwichten. Er zijn verschillende manieren om dit te doen, maar de voorkeur gaat uit naar methoden die vervuiling van het mariene systeem voorkomen (zie voor meer informatie). Deze technologie neemt het oppervlaktezeewater, voert het door een installatie en wijzigt de pH ervan. Het kan de pH substantieel verlagen tot 4 (zuurder) of verhogen tot 10 (minder zuur). Wat gebeurt er wanneer de pH van het zeewater wordt gewijzigd? Bij een pH van 4 verandert het evenwicht tussen CO2 waterig, bicarbonaat en carbonaat in het voordeel van CO2 waterig. Dan wordt een grote concentratie CO2 uit het water gefilterd, waardoor de CO2-concentratie in de oceaan lager is dan in de atmosfeer. Als gevolg hiervan neemt de oceaan weer CO2 op uit de atmosfeer. De afgevangen CO2 kan worden opgeslagen.
Bij een pH van 10 verandert het evenwicht tussen CO2 in water, bicarbonaat en carbonaat ten gunste van carbonaat. Bij aanwezigheid van calcium en andere mineralen worden bicarbonaat en carbonaat gemineraliseerd tot calciumcarbonaat. Schelpen en koraalriffen zijn gemaakt van calciumcarbonaat. Koolstof wordt dus opgeslagen in deze schelpen en riffen, maar om deze schelpen en riffen te produceren is er CO2-ademhaling. Wanneer ze sterven, zinken de schelpen naar de bodem van de oceaan en worden ze opgelost. In dit proces wordt CO2 aan het water onttrokken.
Deze technologie ziet er veelbelovend uit, maar heeft ook nadelen. Het is een relatief nieuwe technologie en ze is nog niet opgeschaald. De technische gereedheid (TRL) van directe oceaan afvang is nu nog een pilot tot demonstratie of TRL 4-6. Bovendien is (hernieuwbare) elektriciteit nodig om deze technologie te laten werken. Tot slot heeft deze technologie ook iridium en platina nodig, afhankelijk van het prototype. De kosten liggen dicht bij die van directe luchtafvang in het geval van een colocatie met een ontziltingsinstallatie, maar de kosten zijn aanzienlijk hoger voor een zelfstandige installatie.
Conclusie
Er zijn verschillende technologieën voor het afvangen van CO2 die ons kunnen helpen om tegen 2050 een netto nul uitstoot te bereiken. In deze notitie hebben we ons gericht op twee technologieën voor het afvangen van CO2, namelijk Directe Luchtafvang (DAC) en Directe Oceaan afvang (DOC). Directe luchtafvang is al bekend, maar de kosten zijn nog steeds hoog door de lage concentratie CO2 in de atmosfeer en de schaal is beperkt in vergelijking met de jaarlijkse CO2-uitstoot. Dan is er de elektrochemische technologie voor directe oceaan afvang, die nog nieuw is en waarvan de kosten momenteel erg hoog zijn. De CO2 prijs moet aanzienlijk stijgen om deze technologie en DAC rendabel te maken. Directe Ocean afvang zou echter succesvoller kunnen zijn omdat het gebruik maakt van de grote koolstofopslagcapaciteit van de oceaan (40-50 meer dan de atmosfeer). Ter vergelijking: de CO2 die wordt afgevangen met de laatstgenoemde technologie is veel hoger dan de CO2 die wordt afgevangen met de eerstgenoemde.