Direct air capture and negative emission technologies in deep mitigation pathways

Large scale deployment of Negative Emission Technologies (NETs) have been shown to be key to attain stringent climate stabilization targets, as shown in the IPCC AR5 and recent analysis of 1.5 C-consistent pathways. Much criticism has been directed at the sustainability and feasibility of large-scale Bio-Energy with Carbon Capture and Storage (BECCS) deployment due to interaction with food and water security. Therefore, additional NET options, such as Direct Air Capture (DAC), should be investigated in a combined portfolio analysis. DAC can o set decentralized emissions, thus reducing the mitigation e ort in energy-intensive sectors. In this work, I explore the role of di erent technological options for DAC using TIAM, a global Integrated Assessment Model (IAM), with di erent carbon budget constraints. The contribution of this work is (1) to investigate the current state of the art for Direct Air Capture Technologies, combining technical designs found in the literature with rst pilot plants and the perspective of companies behind them. (2) Develop an Expert Elicitation questionnaire to understand the most promising technologies to be investigated further, given the fragmentary literature available. (3) Implement DAC processes in TIAM, accounting for possible interactions with other elements of the energy sector, so (4) to investigate its role as part of an integrated NET portfolio, including also BECCS and a orestation, in deep decarbonization pathways consistent with 2 C and 1.5 C temperature increase. (5) Extensive sensitivity was performed to check results robustness with respect to a number of parameters, given the high uncertainties related to them. Results suggest that DAC will allow to reduce the mitigation e ort and the related costs in 1.5 and 2 C scenarios, requiring less drastic decarbonization in the mid term. Although DAC itself would be deployed at mass scale only in the second half of the century, its large potential for capturing CO2 emissions is such that it impacts the short term decarbonization strategies, allowing fossil fuel to play a role in the electricity mix up to 2050 and containing the share of intermittent renewable generation. Moreover, DAC is shown to complement other types of NET, such as biomass with CCS, rather than compete with them. Despite its signi cant potential, actual DAC deployment is subject on a variety of factors, especially the rate at which capacity will be able to installed. Other factors, such as energy use and capital costs, appear to be less relevant. Further work to estimate technical and social constraints is thus deemed.

Ambiziosi scenari di mitigazione per mantenere l'aumento di temperatura al di sotto di 2 C o 1.5 C richiedono lo sviluppo su larga scala di tecnologie per realizzare livelli negativi di emissioni (NETs). Molte critiche vengono rivolte alla sostenibilit a e fattibilit a di uno sviluppo massivo di BECCS (i.e. impianti a biomassa con successiva cattura di CO2), visto l'estensivo utilizzo di risorse quali acqua e terreno. All'interno di una strategia diversi cata, tecnologie per catturare CO2 dall'atmosfera (DAC - Direct Air Capture) ricopriranno perci o un ruolo strategico, con il vantaggio di abbattere anche le emissioni decentralizzate, in settori di cili e costosi da decarbonizzare altrimenti, come il trasporto e l'industria intensiva. Questo lavoro di tesi vuole valutare il ruolo di diverse tecnologie per DAC utilizzando TIAM, un modello integrato per rappresentare il sistema energetico e le dinamiche economiche a livello globale. Il contributo di questa ricerca e (1) analizzare lo stato dell'arte su DAC, utilizzando le informazioni disponibili in letteratura e i dati provenienti dai primi impianti pilota, e (2) combinarle con opinioni di esperti nel settore, attraverso lo sviluppo di un Expert Elicitation, in modo da identi care le soluzioni tecnologiche pi u promettenti, vista la frammentariet a delle fonti. (3) Implementare in TIAM diverse opzioni per realizzare DAC, considerando possibili interazioni con il resto del sistema energetico e (4) analizzare il loro ruolo insieme ad altre strategie di mitigazione, in particolare BECCS e forestazione, in scenari consistenti con 2 C e 1.5 C, per poi (5) sviluppare una dettagliata analisi di sensitivit a e valutare l'impatto di una serie di variabili tecnico-economiche, vista l'incertella legata a queste. I risultati suggeriscono che DAC permetter a di ridurre gli sforzi di mitigazione e i relativi costi in scenari di 1.5 e 2 C, richiedendo una decarbonizzazione meno drastico nel medio periodo. Anche se DAC verr a sviluppata su larga scala solo nella seconda met a del secolo, la possibilit a di catturare grandi quantit a di CO2 e tale da avere notevoli impatti sulle strategie di mitigazione messe in atto nel breve periodo, permettendo di ritardare il phase-out completo dai combustibili fossili per la generazione elettrica dopo il 2050, e riducendo la quantit a di generazione rinnovabile intermittente. Inoltre, lo sviluppo di DAC appare complementare a quello di altre NET, tra cui BECCS, invece che competere con loro. Nonostante il notevole potenziale, lo sviluppo futuro di DAC e in uenzato da una serie di fattori, soprattutto il tasso di crescita della capacit a installata, mentre il fabbisogno energetico e i costi appaiono meno rilevanti , richiedendo ulteriori studi.