The challenge of re-using the CO2

par Samuel Furfari,  Professeur de l’Université libre de Bruxelles.

Version française ici.

In its Special Report n° 15 “Global warming of 1.5°C” (SR15) [1], IPCC proposes four scenarios  to limit Earth temperature increase to 1.5°C. In all  scenarios COemissions are kept at virtually zero by 2050. These scenarios are based on the technology called Carbon Dioxide Removal (CDR) that will remove COto compensate COanthropic emissions.

All pathways that limit global warming to 1.5°C with limited or no overshoot project the use of carbon dioxide removal (CDR) on the order of 100–1000 Gt CO2  over the 21st century. CDR would be used to compensate for residual emissions and, in most cases, achieve net negative emissions to return global warming to 1.5°C following a peak (high confidence). CDR deployment of several hundreds of Gt COis subject to multiple feasibility and sustainability constraints (high confidence). Significant near-term emissions reductions and measures to lower energy and land demand can limit CDR deployment to a few hundred Gt COwithout reliance on bioenergy with carbon capture and storage (BECCS) (high confidence)” (page 19).

   IPCC defines   Carbon dioxide removal (CDR)” as follows : Anthropogenic activities removing CO2  from the atmosphere and durably storing it in geological, terrestrial, or ocean reservoirs, or in products. It includes existing and potential anthropogenic enhancement of biological or geochemical sinks and direct air capture and storage but excludes natural COuptake not directly caused by human activities” (page 26).

The fourth scenario recognizes the logical and inevitable increase of COemissions if the world  continues its growth to remove poverty and allow Asia and Africa countries to develop. Therefore, this scenario is based on a massive use of the CDR techniques as the report says: “Emissions reductions are mainly achieved through technological means, making strong use of CDR“.

   Indeed, CDR is just rebranding of the CCS concept that is a cul-de-sac technology for a lack of economy, a lack of available adapted geological sinks on the production sites and also a lack of population acceptance.

   It remains therefore, only one way…to transform the COinto other products. Is it possible to reuse the CO? Yes, provided energy is injected into the system and indeed as much energy that has been produced to generate the CO2. This is the new mantra to justify the development of renewable energy. The intermittence of wind and solar energy are real drawback penalizing the electricity cost very much. To cope with this intermittency widely put in evidence by the German development of renewable energy, German research institutes are proposing the power to gas technology. In a nutshell the idea is to use the electricity generated when there is no electricity demand to transform the COinto valuable products.

With a few chemical  equations, we see that this is only possible introducing massive energy in the system.

The oxidation (combustion) of methane

CH4    +   2 O  → 2 H2O + CO2

liberates

∆H°   =  –  802.88  kJ  à 25° C

The reduction of CO2  in methane with the two following  and successive reactions :

2  x  (2 H2O (gas)  →  2 H2 +  O2)
4 H2 + CO2   → CH4  +  2H2O (gas)
___________________________
2 H2O  +  CO2   →   CH4    +   2 O2

requires for the first reaction

∆H°   =   2  x  483.88  =  967.76   kJ   à 25°C

and for the second reaction

∆H°   =   – 164.88  kJ à 25°C

thus a total of

∆H°   =    802.88  kJ  à 25° C

   As a conclusion, producing methane from CO2 with hydrogen generated by the excess intermittent electricity will require the same quantity of energy that has been generated by the combustion of methane. Furthermore, as the chemical process are never totally efficient, it will indeed need more energy.

For  a partial reduction of CO2  into , for example, methanol (that can also be considered as a fuel) a similar calculation gives the following :

Reduction of COin methanol (with water as a source of hydrogen) also in a two steps reaction

3 x [2 H2O (gas) → 2 H2+ O2]
2 x [3 H2+ CO2→ CH3OH + H2O (gas)]
_____________________________
4 H2O + 2 CO2→ 2 CH3OH + 3 O2.              

will require

∆H° = 3 x 483.88 = 1451.64 kJ à 25°C

∆H° = 2 x (- 87.02) = – 174.04 kJ à 25°C

thus, a total of

∆H° = 1277.6 kJ à 25° C

   Overall, it is necessary to provide 638.8 KJ per mol of CH3OH formed or per mol of COtransformed. This is less than for CHproduction  because carbon is less strongly reduced (as methanol still contains one atom of oxygen). Again, with the inefficiency of chemical process the energy required will be higher (Figure 1).

 

 

Figure 1 : A useless process, producing nothing

 

In fact, these are  considerations of basic chemical thermodynamics . A chemical reaction usually occurs  only if it is exothermic (it liberates energy). Once products are formed by that reaction, energy has to be injected into the system to regenerate the  reactants from the products (see  figures below):

Reactants  =>  products + energy liberated (∆H° negative)

Inversely

Products + energy  =>  reactants (∆H° positive)

 

 

 

Conclusion

Despite all political declarations and particularly the Paris Agreement, world COemissions are set to increase. This is a simple not new and ongoing conclusion that only those refusing to consider facts and numbers might ignore. The IEA Executive Director repeats that regularly, even if he uses diplomatic language. This explains the revival of the interest to remove COof fossil fuel origin from the atmosphere. Among these technologies, the transformation of COinto valuable products is presented as a new idea.  It is not ! It has been eliminated right at the beginning of the COpolicy because it is a chemical non-sense. We have shown with basic chemistry that any transformation of COinto products requires energy. Removing CO  from the atmosphere will only be possible if the whole word will be operating at near zero COemission with renewable  and nuclear energy exclusively. Never before. But then it will not be necessary anymore to remove CO2.

 

 

Notes

1. IPCC Special Report 15, 2019,

 

 

4 réflexions au sujet de « The challenge of re-using the CO2 »

  1. Merci de cet exposé et l’illustration de bilans énergivores auxquels tant d’esprits semblent ne pas vouloir tenir compte ! Bien que l’impossibilité physique de théories du « mouvement perpétuel » ait été combattue depuis le 16e siècle, il subsistera toujours des marchands de savoirs ésotériques aptes à se faire entendre par les foules ignorantes et par ceux qui prétendent les gouverner vers un monde meilleur !

    Si la capture du CO2 doit s’effectuer en un milieu fermé (au sein d’un processus chimique dans un réacteur, etc.) votre démonstration doit nous convaincre de l’invraisemblance d’un bilan « durable » de bout en bout.

    L’effroi nous saisira encore plus lorsque certains de nos semblables génétiques, gens férus d’utopie environnementaliste ou inventeurs obsédés, suggèrent de capter le CO2 anthropique en milieu ouvert ! Car, en cette hypothèse , imaginent-ils de discerner les molécules d’origine anthropique de celles appartenant à d’incontrôlables processus naturels ? Peut-être ceux-là imaginent-ils d’opérer un tri moléculaire selon un biomarqueur génétique ou celui d’odeur humaine (brin d’humour…) ?

    A défaut donc de pouvoir le réaliser, l’IPCC préfère se cantonner dans une extraction massive, à bilan quantitatif négatif, sans discernement. Suffira t’il ainsi de lancer un processus CDR-CCS, sous étiquette de « produit innovant » ? Nombre d’entreprises privées sont entraînées à gaspiller leur budgets R&D à cette fin douteuse. Une liste que chacun peut établir d’après les amplificateurs médiatisés. Nous assistons là à une fuite en avant d’éminents (sic) propagandistes.

    La curiosité me prend d’estimer l’importance quantitative de néfastes « rejets CO2 anthropiques ». En premier lieu ceux on-ne-peut-plus-naturels issus de la respiration humaine. Tenons-nous bien ! Le verdoyant site de « consoGlobe » y a déjà songé pour nous ! Mesuré en temps réel. « Chaque seconde la respiration des quelque 65 millions de Français rejette dans l’atmosphère 667 kilos de CO2 par le simple fait de leur respiration. Cela représente des émissions de CO2 de 20 millions de tonnes par an. ». Etonnant qu’ils (français) n’aient pas projeté celle mondiale : soit 115 fois davantage donneraient = 2.300 millions de tonnes d’inéluctable CO2 « anthropique ». Ouch !
    https://www.planetoscope.com/co2/1574-co2-degage-par-la-respiration-des-francais.html

    Le même site va jusqu’à « instruire » ses lecteurs préformatés sur les chiffres comparés du trafic maritime mondial brûlant du fioul lourd. Tandis que, plus récemment, des (conseillers) d’inspirés politiciens U.E. 2020-24 veillent à minimiser dorénavant le trafic aérien d’Europe (car 10.000 zingues en vol à tout moment ça brûle du kérosène à tire larigot) !
    Moment de grâce : les sponsors à peine occultes de la petite Greta Th. ont décrété vouloir remplacer ses longs déplacements aériens par une solution alternative (que cherchent ardemment les élites de Davos et naturellement les G.O. de récurrentes COPxx à 20.000+ participants).
    Il est à parier que la réunionnite aiguë de nos dirigeants va bientôt se tarir…

    Que l’avenir voit descendre l’Esprit saint sur tant d’élites, les amenant vers l’esprit sain !

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