The role of direct air capture to meet the Paris climate agreement : a multi model assessment

The overarching goal of the Paris Climate Agreement is to keep the world global temperature well below 2°C above pre-industrial level. In order to reach this target, all the existing studies agree that Carbon Capture Sequestration (CCS) as well as globally net negative emissions will be needed. Among the most prominent candidate technologies to absorb CO2 from the atmosphere and thus attain negative emissions are Bioenergy burning coupled with Carbon Capture (BECCS) and Direct Air Capture (DAC) of CO2 from ambient air. If there are already several studies of the first, for the second very few are availble in the literature. The main advantage of DAC is being able to capture CO2 directly from the atmosphere without the need of a concentrated flux of it. Nevertheless, there are several doubts about costs, plant design, energy consumption and the capacity to build industrially large scale DAC plants. Using two different Integrated Assessment Models (IAM) with different characteristics, I evaluate the role DAC could play in the climate change mitigation framework of the Paris Agreement -for the first time in a multi model setting. To do so, the thesis contributes the following: (1) Providing a brief overview of the state of the art (2) Implementing DAC in two IAM Models (3) Analysing of the role of DAC in 2°C and 1.5°C compatible scenarios. Both models show that DAC could have a significant impact in the mitigation scenarios analyzed. Compliance costs would be heavily reduced by the installation of this technology that would allow an extended usage of fossil fuels in the electric and non electric sector. The biggest beneficiaries of DAC are energy exporting countries that in a case without DAC would be forced to reduce drastically their fossil fuels production. Given DAC flexibility to deal with non concentrated sources, the production of oil is less affected by the climate policy while gas, instead, sees an increase in the production with respect to the current values. A sensitivity analysis to check the robustness of the results has been carried out on the following parameters: capital costs, learning rate, storage capacity and penetration rate. The most critical parameters appear to be the storage capacity and the penetration rate, while the results with respect to the other two are very robust.

L’obiettivo globale dell’Accordo di Parigi sul Clima è quello di mantenere la temperatura terrestre ben al di sotto dei 2°C in più rispetto ai livelli preindustriali. Per raggiungere questo obiettivo tutti gli studi esistenti sono concordi nel dire che sia la Carbon Capture Sequestration (CCS) sia emissioni globali negative saranno necessarie. Tra tutte le possibili tecnologie che possono assorbire CO2 dall’atmosfera e quindi ottenere queste emissioni negative ci sono la Bioenergia accopiata con la cattura di anidride carbonica (BECCS) e la Direct Air Capture (DAC) di CO2 dall’ambiente. Se sulla prima parecchi studi sono già stati fatti, sulla seconda gli studi presenti in letteratura sono molto pochi. Il principale vantaggio di DAC è la capacità di catturare CO2 direttamente dall’atmosfera senza la necessità di un flusso concentrato di anidride carbonica. Tuttavia esistono diversi dubbi riguardo specialmente costi, schema d’impianto, consumo di energia e capacità tecnica di costruire industrialmente su larga scala queste centrali. Usando due diversi Integrated Assessment Models (IAM) con diverse caratteristiche intrinseche, ho valutato il ruolo che DAC può avere nella mitigazione climatica e nell’accordo di Parigi - per la prima volta in un contesto multi-modello. Per fare questo, i contributi sono stati i seguenti: (1) Breve panoramica sulla letteratura e sullo stato dell’arte (2) Implementazione di DAC nei due modelli IAM (3) Analisi del ruolo di DAC nei due scenari: 2°C e 1.5°C. Entrambi i modelli mostrano che DAC può avere un ruolo importante nella mitigazione in entrambi gli scenari. Il costo per rispettare tali obiettivi sarebbbe molto diminuito dall’installazione di questa tecnologia che permetterebbe un uso prolungato di combustibili fossi sia nel settore elettrico che in quello non elettrico. I maggiori beneficiari di DAC sono i paesi esportatori di energia che senza DAC vedrebbero ridotte drasticamente le loro produzioni fossili. Per via della flessibilità che DAC garantisce nella gestione di fonti non concentrate di CO2, la produzione di petrolio è meno influenzata dalle politiche climatiche mentre il gas, invece, vede addirittura un aumento della produzione rispetto al livello attuale. Un’analisi di sensitività è stata poi fatta per controllare la robustezza dei risultati facendo variare i seguenti parametetri: costi di investimento, tasso di apprendimento, capacità di stoccaggio e tasso di penetrazione. I parametri più critici si sono dimostrati essere la capacità di stoccaggio e il tasso di penetrazione mentre i risultati per gli altri parametri si sono dimostrati molto robusti.