Realiteitstoets van ‘directe luchtopvang’: Veel klimaatstabilisatieplannen berusten mogelijk op twijfelachtige aannames

Twee van de vier absorberunits bij Climeworks’ direct air capture en opslagplant, Orca, in Hellisheidi, IJsland. Elke absorberunit kan ongeveer 1.000 ton kooldioxide per jaar verwijderen.

In 2015 ondertekenden 195 landen en de Europese Unie de Overeenkomst van Parijs en beloofden plannen te ontwikkelen om de wereldwijde temperatuurstijging te beperken tot 1,5°C. Toch heeft de wereld in 2023 deze doelstelling gedurende het grootste deel van het jaar overschreden, wat vragen oproept over de haalbaarheid op lange termijn om dit doel te bereiken.

Om dit te doen, moet de wereld de niveaus van broeikasgassen in de atmosfeer verminderen, en er zijn zowel voorstellen als strategieën aangenomen om niveaus te bereiken die het klimaat “stabiliseren”. Veel van deze strategieën combineren drastische verminderingen van kooldioxide (CO2) emissies met het gebruik van direct air capture (DAC), een technologie die CO2 uit de omgevingslucht verwijdert.

Als een realiteitscheck heeft een team van onderzoekers van het MIT Energy Initiative (MITEI) deze strategieën onderzocht, en wat ze ontdekte was verontrustend: de strategieën zijn gebaseerd op te optimistische, zelfs onrealistische aannames over hoeveel CO2 door middel van DAC kan worden verwijderd. Als gevolg hiervan zullen de strategieën niet presteren zoals voorspeld. Desondanks raadt het MITEI-team aan om door te gaan met de ontwikkeling van DAC-technologie, zodat deze klaar is om te helpen bij de energietransitie, zelfs als het niet de wonderoplossing is die de wereldwijde decarbonisatie-uitdaging oplost.

DAC: De belofte en de realiteit

Het opnemen van DAC in plannen om het klimaat te stabiliseren is logisch. Er is momenteel veel werk gaande om DAC-systemen te ontwikkelen, en de technologie lijkt veelbelovend. Hoewel bedrijven mogelijk nooit hun eigen DAC-systemen zullen draaien, kunnen ze al “koolstofcredits” kopen op basis van DAC.

Tegenwoordig bestaat er een multibiljoen dollar markt waarop entiteiten of individuen die hoge kosten of buitensporige verstoringen ondervinden om hun eigen koolstofemissies te verminderen, anderen kunnen betalen om emissieverlagende acties namens hen te ondernemen. Deze acties kunnen het ondernemen van nieuwe hernieuwbare energieprojecten of “koolstofverwijderingsinitiatieven” omvatten, zoals DAC of herbebossing.

DAC-gebaseerde credits zijn om verschillende redenen bijzonder aantrekkelijk, legt Howard Herzog, een senior onderzoekingenieur bij MITEI, uit. Met DAC is het meten en verifiëren van de hoeveelheid verwijderde koolstof eenvoudig; de verwijdering is onmiddellijk, in tegenstelling tot het planten van bossen, wat decennia kan duren om impact te hebben; en wanneer DAC wordt gekoppeld aan CO2-opslag in geologische formaties, wordt de CO2 praktisch permanent uit de atmosfeer gehouden, in tegenstelling tot bijvoorbeeld het opslaan in bomen, die op een dag kunnen verbrand en de opgeslagen CO2 weer kunnen vrijgeven.

Zullen de huidige plannen die afhankelijk zijn van DAC effectief zijn in het stabiliseren van het klimaat in de komende jaren? Om dit te achterhalen, hebben Herzog en zijn collega’s Jennifer Morris en Angelo Gurgel, beide hoofonderzoekers bij MITEI, en Sergey Paltsev, een senior onderzoeker bij MITEI, allemaal verbonden aan het MIT Center for Sustainability Science and Strategy (CS3), de modelleringstudies onderzocht waarop die plannen zijn gebaseerd.

Hun onderzoek identificeerde drie onvermijdelijke technische uitdagingen die samen leiden tot een vierde uitdaging: hoge kosten voor het verwijderen van een enkele ton CO2 uit de atmosfeer. De details van hun bevindingen zijn gerapporteerd in een paper gepubliceerd in het tijdschrift One Earth op 20 september.

Uitdaging 1: Opschaling

Als het gaat om het verwijderen van CO2 uit de lucht, stelt de natuur een “grote, niet-onderhandelbare uitdaging” voor, merkt het MITEI-team op: de concentratie van CO2 in de lucht is extreem laag—slechts 420 deeltjes per miljoen, of ongeveer 0,04%. Daarentegen ligt de CO2-concentratie in rookgassen die door elektriciteitscentrales en industriële processen worden uitgestoten tussen de 3% en 20%.

Bedrijven gebruiken momenteel verschillende koolstofafvang- en opslagtechnologieën (CCS) om CO2 uit hun rookgassen te vangen, maar het vangen van CO2 uit de lucht is veel moeilijker. Om dit uit te leggen, bieden de onderzoekers de volgende analogie aan: “Het verschil is te vergelijken met het zoeken naar 10 rode knikkers in een pot van 25.000 knikkers, waarvan 24.990 blauw zijn [de taak die DAC vertegenwoordigt] versus het zoeken naar ongeveer 10 rode knikkers in een pot van 100 knikkers waarvan 90 blauw zijn [de taak voor CCS].”

Gegeven die lage concentratie, vereist het verwijderen van een enkele ton CO2 uit de lucht het verwerken van ongeveer 1,8 miljoen kubieke meter lucht, wat ongeveer gelijk is aan het volume van 720 Olympische zwembaden. En al die lucht moet door een CO2-vangend sorbens worden verplaatst—aangezien dit een grote hoeveelheid apparatuur vereist. Bijvoorbeeld, een recent voorgesteld ontwerp voor het vangen van 1 miljoen ton CO2 per jaar zou een “luchtcontactor” vereisen ter grootte van een structuur van ongeveer drie verdiepingen hoog en drie mijl lang.

Recente modelleringstudies projecteren dat DAC op een schaal van 5 tot 40 gigaton CO2 per jaar kan worden verwijderd. (Een gigaton is gelijk aan 1 miljard ton.) Maar in hun paper concluderen de onderzoekers dat de kans om DAC op gigaton-schaal in te zetten “zeer onzeker” is.

Uitdaging 2: Energiebehoefte

Gezien de lage concentratie van CO2 in de lucht en de noodzaak om grote hoeveelheden lucht te verplaatsen om het te vangen, is het geen verrassing dat zelfs de beste DAC-processen die vandaag zijn voorgesteld, grote hoeveelheden energie verbruiken—energie die doorgaans wordt geleverd door een combinatie van elektriciteit en warmte. Inclusief de energie die nodig is om de gevangen CO2 te comprimeren voor transport en opslag, vereisen de meeste voorgestelde processen een equivalent van minstens 1,2 megawattuur elektriciteit voor elke ton CO2 die wordt verwijderd.

De bron van die elektriciteit is cruciaal. Het gebruik van kolen-elektriciteit om een volledig elektrische DAC-proces aan te drijven, zou 1,2 ton CO2 genereren voor elke ton CO2 die wordt gevangen. Het resultaat zou een netto toename van emissies zijn, wat het hele doel van DAC tenietdoet.

Dus duidelijk moet de energiebehoefte worden voldaan met ofwel laag-koolstof elektriciteit of elektriciteit die wordt opgewekt met fossiele brandstoffen met CCS. Een volledig elektrische DAC die op grote schaal wordt ingezet—zeg, 10 gigaton CO2 die jaarlijks wordt verwijderd—zou 12.000 terawattuur elektriciteit vereisen, wat meer is dan 40% van de totale wereldwijde elektriciteitsproductie vandaag.

De elektriciteitsconsumptie zal naar verwachting toenemen door de algehele elektrificatie van de wereldeconomie, dus zal er veel vraag zijn naar laag-koolstof elektriciteit voor veel concurrerende toepassingen—bijvoorbeeld in energieopwekking, transport, industrie en gebouwoperaties. Het gebruik van schone elektriciteit voor DAC in plaats van voor het verminderen van CO2-emissies in andere kritische gebieden roept vragen op over de beste toepassingen van schone elektriciteit.

Veel studies gaan ervan uit dat een DAC-eenheid ook energie kan halen uit “afvalwarmte” die door een nabijgelegen industrieel proces of faciliteit wordt gegenereerd. In de mening van de MITEI-onderzoekers is “dat misschien meer wensdenken dan werkelijkheid.”

De warmtebron moet binnen een paar mijl van de DAC-fabriek zijn voor een economische transport van de warmte; gezien de hoge kapitaalkosten zou de DAC-fabriek continu moeten draaien, wat constante warmtelevering vereist; en warmte bij de temperatuur die door de DAC-fabriek vereist is, zou concurrerende toepassingen hebben, bijvoorbeeld voor het verwarmen van gebouwen. Ten slotte, als DAC op gigaton-niveau wordt ingezet, zal afvalwarmte waarschijnlijk slechts een klein deel van de benodigde energie kunnen leveren.

Uitdaging 3: Locatie

Sommige analisten hebben beweerd dat, omdat lucht overal is, DAC-eenheden overal kunnen worden geplaatst. Maar in werkelijkheid brengt het plaatsen van een DAC-fabriek vele complexe kwesties met zich mee. Zoals hierboven opgemerkt, vereisen DAC-fabrieken aanzienlijke hoeveelheden energie, dus toegang tot voldoende laag-koolstof energie is cruciaal. Evenzo is het hebben van nabijgelegen opties voor het opslaan van de verwijderde CO2 ook van belang.

Als opslaglocaties of pijpleidingen naar dergelijke locaties niet bestaan, moet er belangrijke nieuwe infrastructuur worden gebouwd, en het bouwen van nieuwe infrastructuur van welke aard dan ook is duur en ingewikkeld, met kwesties die verband houden met vergunningen, milieurechtvaardigheid en publieke acceptatie—kwesties die, volgens de onderzoekers, “vaak worden onderschat in de echte wereld en genegeerd in modellen.”

Twee andere locatiebehoeften moeten worden overwogen. Ten eerste moeten de meteorologische omstandigheden acceptabel zijn. Bij definitie zal elke DAC-eenheid aan de elementen worden blootgesteld, en factoren zoals temperatuur en luchtvochtigheid zullen de procesprestaties en beschikbaarheid beïnvloeden. Ten tweede heeft een DAC-fabriek enige speciale grond nodig—hoewel onduidelijk is hoeveel, aangezien de optimale afstand tussen eenheden nog niet is opgelost. Net als windturbines moeten DAC-eenheden goed worden geplaatst om maximale prestaties te garanderen, zodat de ene eenheid geen CO2-arme lucht van een andere eenheid aanzuigt.

Uitdaging 4: Kosten

Gelet op de eerste drie uitdagingen, is de laatste uitdaging duidelijk: de kosten per ton CO2 die wordt verwijderd, zijn onvermijdelijk hoog. Recente modelleringstudies gaan ervan uit dat DAC-kosten zo laag zijn als $100 tot $200 per ton CO2 die wordt verwijderd. Maar de onderzoekers vonden aanwijzingen die op veel hogere kosten wijzen.

Om te beginnen citeren ze typische kosten voor elektriciteitscentrales en industriële locaties die nu CCS gebruiken om CO2 uit hun rookgassen te verwijderen. De kosten van CCS in dergelijke toepassingen worden geschat op het bereik van $50 tot $150 per ton CO2 die wordt verwijderd. Zoals hierboven uitgelegd, zal de veel lagere concentratie van CO2 in de lucht leiden tot aanzienlijk hogere kosten.

Zoals uitgelegd onder Uitdaging 1, zijn de DAC-eenheden die nodig zijn om de vereiste hoeveelheid lucht te vangen enorm. De kapitaalkosten voor het bouwen ervan zullen hoog zijn, gezien arbeid, materialen, vergunningkosten, enzovoort. Sommige schattingen in de literatuur overschrijden $5.000 per ton gevangen per jaar.

Daar zijn de doorlopende energiekosten nog bij. Zoals opgemerkt onder Uitdaging 2, vereist het verwijderen van 1 ton CO2 het equivalent van 1,2 megawattuur elektriciteit. Als die elektriciteit $0,10 per kilowattuur kost, bedragen de kosten van alleen de elektriciteit die nodig is om 1 ton CO2 te verwijderen $120.

De onderzoekers wijzen erop dat het aanvaarden van zo’n lage prijs “twijfelachtig” is, gezien de verwachte toename van de elektriciteitsvraag, toekomstige concurrentie voor schone energie en hogere kosten in een systeem dat wordt gedomineerd door hernieuwbare—maar intermitterende—energiebronnen.

Dan zijn er de opslagkosten, die in veel DAC-kostenschattingen worden genegeerd. Duidelijk tonen veel overwegingen aan dat prijzen van $100 tot $200 per ton onrealistisch zijn, en het aannemen van zulke lage prijzen zal de evaluatie van strategieën vertekenen, waardoor ze in de toekomst onderpresteren.

De conclusie

In hun paper beschrijft het MITEI-team DAC als een “zeer verleidelijk concept.” Het gebruik van DAC om CO2 uit de lucht te verwijderen en hoogwaardige koolstofverwijderingscredits te genereren, kan de reductievereisten voor industrieën met moeilijk te reduceren emissies compenseren. Door dit te doen, zou DAC verstoringen van belangrijke delen van de wereldeconomie, waaronder luchtvervoer, bepaalde koolstofintensievere industrieën en de landbouw, minimaliseren.

Echter, de wereld zou miljarden tonnen CO2-credits moeten genereren tegen een betaalbare prijs. Dat vooruitzicht lijkt onwaarschijnlijk. De grootste DAC-fabriek die momenteel operationeel is, verwijdert slechts 4.000 ton CO2 per jaar, en de prijs om de koolstofverwijderingscredits van het bedrijf op de markt te kopen, bedraagt momenteel $1.500 per ton.

De onderzoekers erkennen dat er ruimte is voor verbeteringen in energie-efficiëntie in de toekomst, maar DAC-eenheden zullen altijd onderhevig zijn aan hogere werkvereisten dan CCS die wordt toegepast op rookgassen van elektriciteitscentrales of de industrie, en er is geen duidelijk pad naar het aanzienlijk verlagen van de werkvereisten tot onder de niveaus van de huidige DAC-technologieën.

Desondanks raden de onderzoekers aan om door te gaan met de ontwikkeling van DAC “omdat het nodig kan zijn voor het bereiken van netto-uitstootdoelen, vooral gezien het huidige tempo van emissies.” Maar hun paper eindigt met deze waarschuwing: “Gegeven de hoge inzet van klimaatverandering, is het onverstandig om te vertrouwen op DAC als de held die ons te hulp komt.”