DemoUpCARMA – Demonstration und Upscaling von Kohlenstoffdioxid-Management-Lösungen für Netto-Null-Schweiz

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502303

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Kern von DemoUpCARMA sind Demonstration und Hochskalierung von Technologien zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung als Beitrag zum Erreichen der Schweizer CO₂-Emissionsziele. Das Projekt wird die technische Machbarkeit der Verwendung und permanenten Speicherung von CO₂ – abgeschieden an einer Schweizer Biogasaufbereitungsanlage – auf zwei Wegen demonstrieren: (1) CO₂-Nutzung und -Speicherung in Beton in der Schweiz mittels einer neuen Karbonisierungstechnologie; (2) CO₂-Transport und dauerhafte geologische Speicherung im Ausland unter Verwendung einer neuen Injektionstechnik. DemoUpCARMA wird auch untersuchen, wie die beiden oben beschriebenen Wege zu einem CO₂-Netzwerk, das Schweizer CO₂-Quellen mit potenziellen CO₂-Speicherorten verbindet, ausgebaut werden können – unter Berücksichtigung von ökonomischen und ökologischen Aspekten. Ferner werden politische, rechtliche, und Akzeptanzaspekte untersucht, um die Machbarkeit der CO₂-Abscheidung und -speicherung sicherzustellen.

Kurzbeschreibung (Englisch)

DemoUpCARMA focuses on the demonstration and upscaling of carbon capture, utilisation and storage technologies as one of the solutions needed to achieve the Swiss climate goals by 2050. The project will demonstrate the technical feasibility of using and storing CO₂ captured at a Swiss industrial site via two pathways: (1) CO₂ utilization and storage in concrete in Switzerland via a novel mineral carbonation technology; (2) CO₂ transport and permanent storage in a geological reservoir abroad using a novel injection technique. DemoUpCARMA will assess the potential of upscaling these two pathways and of creating a CO₂ network connecting Swiss CO₂ industrial sources to CO₂  storage sites, and its optimal design considering techno-economic, environmental, and reliability aspects on the midand long-term time horizons. Finally, the project will address policy, regulatory and acceptance challenges to ensure the overall feasibility of carbon capture and storage solutions.

Kurzbeschreibung (Französisch)

Le cœur de DemoUpCARMA est la démonstration et la mise à l'échelle des technologies de capture et de stockage du carbone afin de contribuer à la réalisation des objectifs suisses en matière d'émissions de CO₂. Le projet démontrera la faisabilité technique de l'utilisation et du stockage permanent du CO₂ - capté dans une usine suisse de traitement du biogaz - par deux moyens : (1) l'utilisation et le stockage du CO₂ dans le béton en Suisse au moyen d'une nouvelle technologie de carbonisation ; (2) le transport du CO₂ et le stockage géologique permanent à l'étranger en utilisant une nouvelle technique d'injection. DemoUpCARMA examinera également comment les deux voies décrites ci-dessus peuvent être développées en un réseau de CO₂ reliant les sources de CO₂ suisses aux sites de stockage de CO₂ potentiels - en tenant compte des aspects économiques et écologiques. En outre, les aspects politiques, juridiques et d'acceptation seront étudiés afin d'assurer la faisabilité du captage et du stockage du CO₂.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

>>> Berichte zu den Arbeitspaketen siehe Abschnitt "Schlussbericht" <<<

Arbeitspaket 1 – Projekt-Dissemination:
DemoUpCARMA (Demonstration and Upscaling of CARbon dioxide MAnagement solutions for a net-zero Switzerland) ist ein von der ETH Zürich geleitetes Pilotprojekt. Es hatte zum Ziel, zwei Pfade umzusetzen, die zur dauerhaften Entnahme von CO2 aus der Atmosphäre oder zur Vermeidung von CO2-Emissionen führen:

•Nutzung und permanente Speicherung von CO2 in Abbruchbeton in der Schweiz mittels eines neuen Verfahrens. Dieser Pfad wird als CCUS (Carbon dioxide Capture, Utilisation and Storage) bezeichnet. CCUS steht für die Abscheidung, den Gebrauch und die Speicherung von CO2.

•Transport und permanente Speicherung von CO2 in einem geologischen Reservoir im Ausland.

Dieser Pfad wird als CCTS (Carbon dioxide Capture, Transport and Storage) bezeichnet. Damit ist die Abscheidung, der Transport und die Speicherung von CO2 gemeint. DemoUpCARMA untersuchte unter Berücksichtigung technologischer, wirtschaftlicher, regulatorischer, politischer und gesellschaftlicher Aspekte, wie diese Pfade mittel- bis langfristig optimal gestaltet und skaliert werden können. In diesem Bericht geben wir einen Überblick über alle Kommunikationsaktivitäten, die während der Projektlaufzeit durchgeführt wurden.

Arbeitspaket 2 - CO₂-Speicherung in Beton:
Dieses Arbeitspaket zielt darauf ab, ein Ökosystem für die Mineralkarbonisierung zu demonstrieren, das es ermöglicht, (1) CO₂ sowohl in Primär- als auch in Recyclingbeton dauerhaft zu speichern und (2) den Energiebedarf und die Treibhausgasemissionen von Beton unter Berücksichtigung der gesamten Wertschöpfungskette zu reduzieren.

Im Folgenden werden einige finale Ergebnisse aufgeführt:

• Im Betonproduktions- und -recyclingwerk Kästli wurden zwei großtechnische, voll integrierte Technologien zur Mineralkarbonisierung in Betrieb genommen.
• Der Betrieb ergab, dass 13 kg CO₂ pro Tonne RCA im industriellen Maßstab gebunden wurden, was mit den Laborversuchen übereinstimmt und einer Steigerung von 60 % gegenüber den RECARB-Ergebnissen entspricht.
• Betonabwässer zeigten eine CO₂-Aufnahme von etwa 25 kg CO₂ pro Kubikmeter Schlamm.
• Materialtests zeigen, dass sich die Karbonatisierung positiv auf die Betonqualität auswirken kann, indem sie die Druckfestigkeit verbessert:
  • Während der Karbonatisierung bildet sich entkalktes Calcium-Silikat-Hydrat (C-S-H ) auf der Oberfläche der RCA-Partikel, was zur Zementhydratation im neuen Beton beiträgt. Dies führt zu einer verbesserten Druckfestigkeit.
  • Die Verarbeitbarkeit von Primärbeton, welcher mit Betonabwässer produziert wird, kann durch deren vorgängige Karbonatisierung verbessert werden.
• Insgesamt wurden während des Projekts 91 t CO₂ in RCA und 4.4 t CO₂ in Betonmischwasser gespeichert. Beide Wertschöpfungsketten (CO₂-Bereitstellung und -Speicherung) verbrauchen im industriellen Betrieb weniger als 320 kWh Exergie (äquivalente Elektrische Energie) pro entnommener Tonne CO₂. Die Anlage wurde für eine jährliche Speicherkapazität von 500 t CO₂ ausgelegt (und kann auch diese Menge CO₂ speichern). Die angemessene Menge im Rahmen dieses Projekts war jedoch viel geringer, da es sich 1) um eine Erstanlage handelte. Daher war die Betriebszeit in der ersten Hälfte des Projekts gering (heute festgelegt), und 2) brach die Nachfrage nach Beton auf dem Markt in den Jahren 2022 und 2023 ein, was zu einem viel geringeren Durchsatz von Betonzuschlagstoffen in der Anlage führte als erwartet. Es wurde ein Excel-basierter Rahmen entwickelt, der die Entwicklung und den Vergleich verschiedener CCUS-Wertschöpfungsketten zur Speicherung von CO₂ in Abbruchbeton ermöglicht.
• In allen Szenarien wirken sich die CCUS-Wertschöpfungsketten positiv auf das Klima aus, d. h. sie reduzieren und entfernen mehr Emissionen als sie erzeugen. Die Szenarien, die derzeit industrielle Relevanz haben, weisen THG-Entfernungseffizienzen von über 90 % auf, d. h. die indirekten THG-Emissionen, die mit einem Lebenszyklusbewertungsansatz quantifiziert werden, betragen weniger als 10 % der aus der Atmosphäre entfernten CO₂-Menge.
• Um CO₂ dauerhaft in RCA und Gülle zu binden, muss eine Infrastruktur (CO₂ Versorgung und CO₂ Speicheranlagen) gebaut werden. Dies ist mit festen Investitionskosten verbunden, die der Hauptkostentreiber der Wertschöpfungskette sind, d. h. bei hohen CO₂ Speicherquoten sind niedrige Kosten zu erwarten. Die Kosten der CO₂-Entfernung hängen also hauptsächlich von der jährlichen CO₂ Menge ab, die im Abbruchbeton gebunden wird. Die Kosten für die CO₂ Entfernung im Rahmen des Projekts (unter Berücksichtigung aller Kosten für das Projekt) betrugen 3600 CHF/t entferntes CO₂. Die Anlagen werden jedoch nach dem Projekt in den kommerziellen Betrieb übergehen und das CO₂ zu erwarteten Kosten von 261 CHF pro Tonne entfernten CO₂ entfernen - unter der Annahme einer jährlichen Entfernungsrate von 500 t CO₂.

Arbeitspaket 3 - CO₂-Transport und -Speicherung in Island:
In diesem Arbeitspaket haben wir erstmals die technische Machbarkeit der gesamten Lieferkette demonstriert: (i) die CO2-Verflüssigung bei einem Schweizer Industrieemittenten, (ii) den internationalen grenzüberschreitenden CO2-Transport und (iii) die CO2-Injektion im Ausland in einem Onshore-Reservoir umfasst. Der industrielle Emittent ist die ara region bern ag, welche hochreines biogenes CO2 aus der Aufbereitung des vor Ort erzeugten Biogases liefert. Neustark und die ara region bern ag sind für das Management und den Betrieb der Verflüssigungsanlage sowie für die Verladung des CO2 in spezielle Iso-Container für den Transport verantwortlich. Salzmann AG Transporte, SBB Cargo und ChemOil übernehmen den Transport der CO2-Iso-Container vom Standort des Emittenten nach Rotterdam und zurück. Die Container werden per Lastwagen zum Bahnhof Weil-am-Rhein und anschliessend per Bahn zum Hafen Rotterdam transportiert. Die Seefracht vom Hafen Rotterdam nach Reykjavik wird vom Dienstleister Samskip abgewickelt und von ChemOil und Carbfix überwacht. In Island löst der Carbfix-Prozess CO2 in Wasser und injiziert es dann in basaltisches Grundgestein. Carbfix hat in früheren Projekten bereits gezeigt, dass CO2 in Süsswasser gelöst und in den Untergrund injiziert werden kann, wo es anschliessend mineralisiert. Die Projekte DemoUpCARMA und DemoUpStorage haben demgegenüber erstmals die Injektion von CO2 demonstriert, das vor Ort in Meerwasser gelöst wurde. Die erste Injektionskampagne fand zwischen Herbst 2022 und Frühjahr 2023 statt und umfasste die Injektion von rund 50 Tonnen CO2 am Standort Hellisheiði mit Süsswasser. Eine zweite Kampagne zwischen Herbst 2023 und Herbst 2024 injizierte etwa 140 Tonnen CO2, gelöst in Meerwasser, am Standort Helguvík, der im Rahmen der Projekte DemoUpCARMA, DemoUpStorage und CO2SeaStone durchgeführt wurde. Die Überwachung der Injektion wurde im Rahmen des Projekts DemoUpStorage durchgeführt. Die Ergebnisse und die Leistungsfähigkeit der Injektion von in Meerwasser gelöstem CO2, insbesondere in Bezug auf die Mineralisierung, sind im DemoUpStorage-Projektbericht dokumentiert. Während der Betriebsphase traten mehrere Herausforderungen auf, darunter die Komplexität regulatorischer Anforderungen, Wissenslücken beim Personal aufgrund der Neuartigkeit der Technologie, die Entwicklung eines wirksamen Protokolls zur CO2-Verfolgung und -Überwachung auf Systemebene, unerwartete Probleme in der Lieferkette und beim Anlagenbau sowie logistische Herausforderungen, etwa Gleisbauarbeiten in Deutschland im Sommer 2024, die zu Verzögerungen beim Containertransport führten. Trotz dieser Hürden demonstrierte das Projekt erfolgreich das Potenzial des grenzüberschreitenden CO2-Transports und der unterirdischen Mineralisierung als wirksame Instrumente zur Emissionsreduktion und Carbon Dioxide Removal. Diese Pionierarbeit zeigt die realen Herausforderungen bei der Umsetzung innovativer Konzepte und betont die Bedeutung, regulatorische, fachliche und logistische Hindernisse direkt im Feld, beispielsweise durch Pilotprojekte, anzugehen. Für die demonstrierte CO2-Lieferkette betragen die Kosten für die Beschaffung und den Transport von verflüssigtem CO2 von der Ara Bern Biogasaufbereitungsanlage in der Schweiz nach Island etwa 1'600 CHF pro Tonne. Kostensenkungen werden erwartet, wenn künftig von Containertransport (wie in diesem Projekt) auf Pipeline-Transport umgestellt wird, wie in WP4 adressiert. Die Lebenszyklusanalyse zeigt eine Effizienz von über 70 %, wobei das gesamte erfasste CO2 als biogen zertifiziert ist und somit Netto-Negativemissionen ermöglicht. Über 75 % der Umweltwirkungen stammen aus dem heute noch fossil geprägten internationalen Transport, was die Bedeutung des Aufbaus einer CO2-Transportinfrastruktur mit niedrigen Emissionen parallel zur Dekarbonisierung von Energie und Schifffahrt unterstreicht.

Arbeitspaket 4 - Technoökonomische Analyse und Scale-up:
Das Ziel dieses Arbeitspakets ist es, zum einen das kurzfristige Skalierungspotenzial von CO₂ Capture-, Utilization- und Storage-Ketten (CCUS) und von CO₂ Capture-, Transport- und Storage-Ketten (CCTS) zu bewerten, und zum anderen das langfristige Potenzial eines CO₂-Netzwerks zu untersuchen, um Schweizer CO₂-Punktquellen mit nationalen und internationalen Speicherstandorten zu verbinden. Im Folgenden werden CO₂-Versorgungsketten, die CO₂-Capture und den Transport ins Ausland zur geologischen Speicherung beinhalten, als CCTS bezeichnet. CO₂-Versorgungsketten, die CO₂-Capture und -Utilization sowie die dauerhafte Speicherung in Beton durch Mineralisierung verfolgen, werden als CCUS bezeichnet. Zunächst konzentrierten wir uns auf die Analyse einiger Schweizer Punktquellen-Emittenten, darunter die KVA-Hagenholz – eine Kehrichtverbrennungsanlage (KVA) in Zürich, Jura Zement – eine Zementproduktionsanlage in Wildegg, und die ARA Region Bern – eine Biogasaufbereitungsanlage, welche CCUS und CCTS in naher Zukunft, d.h. ab ca. 2030, zur Emissionsvermeidung einsetzen könnten. In dieser Arbeit wurde die gesamte CO₂-Versorgungskette betrachtet, von CO₂ Capture und Verflüssigung am Standort des Emittenten, über Transport bis hin zu Speicherung in Beton (inländische Lösung) oder in einem geologischen Reservoir in der Northern Lights Speicherstätte in Norwegen oder in isländischem Basalt durch die Carbfix-Technologie. Aufgrund des kurzfristigen Zeithorizonts wurde davon ausgegangen, dass diese Transportketten das CO₂ hauptsächlich auf dem Landweg per Lastkraftwagen und Zug transportieren werden. Als Folge davon machen die Transportkosten den größten Anteil von bis zu 60% für die Early-mover-Ketten aus, da solche multimodalen Transportlösungen für weite Entfernungen nicht von Skaleneffekten profitieren. Es wird jedoch erwartet, dass diese Kosten langfristig erheblich sinken werden, dank effizienterer Lösungen wie einem Pipeline-Netzwerk, was die Kosten der gesamten CCTS-Kette per vermiedenem CO₂ halbieren dürfte. Die Kosten sind unabhängig von der CO₂-Quelle und berücksichtigen CO₂-Reduktion und -Entfernung. Eine Ökobilanz (LCA) wurde ebenfalls durchgeführt und zeigt, dass alle Ketten das Treibhauspotenzial (GWI) des entsprechenden Emitters um mindestens 70% bis zu 85% reduzieren, da die Treibhausgasemissionen entlang der CCTS-Kette deutlich niedriger sind als die Menge an gespeichertem CO₂. Verglichen mit dem Betrieb ohne CO₂-Vermeidung, werden 70% bis 85% der Treibhausgase vermieden. Bei Emittenten mit biogenem Treibstoff entsteht ein Potential für netto CO₂-Entfernung falls die CO₂-Reduktion grösser ist als die biogenen Emissionen des Emittenten. Die größten Beiträge zum GWI stammen vom CO₂ Capture und Transport, deren Treibhausgasemissionen in Zukunft voraussichtlich abnehmen werden, insbesondere durch die Dekarbonisierung technischer Systeme im Transportbereich. Im nächsten Schritt wurde ein Netzwerkmodell verwendet, um eine optimale CO₂-Netzwerkstruktur und Ausroll-Szenarien für den Übergang von Early-Mover-Ketten zu einem integrierten schweizerischen CCTS- und CCUS-Versorgungsnetzwerkes zu untersuchen, das mit einer europaweit gemeinsam genutzten Infrastruktur verbunden ist. Die Auswertung hat die hohe Unsicherheit hinsichtlich der Entwicklung und Zugänglichkeit einer solchen Infrastruktur hervorgehoben, sowie den Vorteil für schweizerische Akteure, frühzeitig mit der Entwicklung nationaler Infrastruktur zu beginnen, d.h., CO₂-Capture, Transport (unter Verwendung von Pipelines) und möglicherweise Speicherung. Die Analyse wurde auf andere Sektoren ausgeweitet, z.B. auf die Chemie-, Pharma- und Life-Sciences-Industrie. Ein solches Netzwerk wird Schweizer CO₂-Punktquellen bedienen und Direct Air Capture (DAC)-Einheiten umfassen, deren optimale Lage in Bezug auf verfügbare CO₂-Speicherzentren im Ausland untersucht wird. Im Hinblick auf CCTS- und CCUS-Geschäftsmodelle wurde festgestellt, dass ihre Realisierbarkeit von folgenden Faktoren abhängt: (i) das regulatorische Umfeld, d. h. welche Industrien und welches CO₂ im schweizerischen Emissionshandelssystem (ETS) einbezogen sind, wann und wie das überarbeitete CO₂-Gesetz verabschiedet wird, welche Dynamik im freiwilligen Kohlenstoffmarkt (VCM) auftritt; (ii) die Gestaltung des Dekarbonisierungspfads, den Emittenten wählen, was unterschiedliche Risikoprofile und Kostenschätzungen beinhaltet; (iii) die Organisation und Verwaltung der Versorgungsketten, wobei entweder eine integrierte Capture-Anlage, die vom einzelnen Emittenten verwaltet wird, oder ein Capture-Cluster, das von einer Gruppe von Emittenten verwaltet wird, an einen oder mehrere Dritte gekoppelt werden, die mit dem Transport und der Speicherung beauftragt werden; (iv) die Unsicherheit hinsichtlich der Stabilität und Langlebigkeit von Einnahmen und Finanzierungsinstrumenten. Bei der Untersuchung der Widerstandsfähigkeit, d. h. der Möglichkeiten, den reduzierten Service oder dessen Fehlen zu minimieren, unterscheidet man zwischen kostengünstigen Lösungen (billiger) und umweltfreundlichen Lösungen (kostspieliger). Solche Lösungen existieren, obwohl die Widerstandsfähigkeit möglicherweise in einem so frühen Stadium der Entwicklung von CCTS-Ketten eine geringere Priorität hat als die Indikatoren, die sich aus TEA und LCA ergeben. Schliesslich wurde die Integration von Punktquellen-CO₂-Capture in Kehrichtverbrennungsanlagen und Zementanlagen am Beispiel der KVA von ERZ in Hagenholz (Zürich) und des Zementwerks Jura in Wildegg (Aargau) evaluiert. Dies beinhaltet die Konzeption und Dimensionierung der CO₂-Capture-Anlagen, die für beide Standorte erforderlich sind, sowie die Durchführung einer techno-ökonomischen Analyse der Prozessintegration. Hierbei wurden diverse Restriktionen wie die Betriebsbedingungen der Anlagen, die Verfügbarkeit von Wärme, saisonale Energiebedarfe und räumliche Limitationen berücksichtigt. Für das Jura Zementwerk wurde der CO₂ Capsol EoPTM Prozess mit heißem Kaliumcarbonat als Lösungsmittel gewählt, der darauf ausgelegt ist, ausschließlich Elektrizität als Energiequelle zu verwenden. Im Gegensatz dazu, verfügt die KVA-Hagenholz über ausreichend Prozessdampf, um einen Amin-basierten CO₂-Capture-Prozess zu betreiben, nämlich den von der BASF lizenzierten OASE® Blue-Prozess. Der CO₂-Capture-Prozess kann dort installiert werden, während die abgegebene Fernwärmemenge durch den fortschrittlichen Wärmeintegrationsansatz beibehalten werden kann. Auf Basis dieser Ergebnisse werden Leitlinien zur Verallgemeinerung entwickelt, welche auf andere schweizerische Emittenten aus diesen Branchen angewendet werden können.

Arbeitspaket 5 - Politik, Regulierung und öffentliche Akzeptanz:
Work Package (WP) 5 von DemoUpCARMA untersucht politische, regulatorische, finanzielle und Akzeptanz-Aspekte von CCTS/CCUS-Wertschöpfungsketten und identifiziert potenzielle Lücken für ihre Umsetzung und Skalierung. Zu diesem Zweck umfasst dieses WP eine Analyse der Klimafinanzierungsinstrumente auf nationaler und internationaler Ebene, eine Untersuchung effektiver politischer Konzepte zur Überwindung von Finanzierungs- und potenziellen Akzeptanzproblemen, eine Analyse der Interessengruppen und Vorschläge für eine angemessene Kommunikation sowie eine Bewertung technischer und organisatorischer Fragestellungen im Zusammenhang mit dem Ausbau der erforderlichen Infrastruktur. Aufgrund der Neuartigkeit der DemoUpCARMA-Pilotdemonstrationen sowie der CCTS/CCUS-Wertschöpfungsketten und ihrer politischen, regulatorischen, finanziellen und Akzeptanz-Aspekte insgesamt wurde eine Reihe qualitativer und explorativer Methoden angewandt, um sich den anstehenden Themen zu nähern; dazu gehörten beispielsweise eine Bestandsaufnahme und Kartierung bestehender nationaler und internationaler Best Practices sowie Workshops und Interviews mit relevanten Schlüsselakteuren (wie nationalen Behörden, Industriepartnern, Fachexperten, der Öffentlichkeit, Verbänden und Unternehmen aus vergleichbaren Branchen usw.). Während die Schweiz CCTS/CCUS in ihrer langfristigen Strategie zur Erreichung von Netto-Null-Emissionen bis Mitte des Jahrhunderts eine bedeutende Rolle zugewiesen hat, haben die CCTS/CCUS-Wertschöpfungsketten aufgrund der damit verbundenen hohen Kosten und unzureichenden Investitionsrenditen derzeit keinen tragfähigen Business Case. Um wirtschaftlich tragfähig zu werden, werden diese Technologien voraussichtlich weitere wirtschaftliche Anreize benötigen. Zu diesem Zweck wurde eine Analyse aktueller und potenzieller künftiger Klimafinanzierungsinstrumente auf nationaler und internationaler Ebene in der Schweiz und in anderen Ländern sowie ihres Potenzials für die Mobilisierung und Verbreitung von CCTS/CCUS-basierten Klimaschutzmethoden durchgeführt. In der Schweiz und weltweit wurden mehrere Initiativen zur Unterstützung von CCTS/CCUS-Aktivitäten auf den freiwilligen Märkten und auf den Märkten für die Einhaltung von Emissionsgrenzwerten identifiziert, darunter Kohlenstoff-Differenzverträge, steuerliche Anreize oder Kaufverträge verschiedener Art. Als Ergebnis dieser Zusammenstellung wurden mehrere Möglichkeiten für Interessengruppen identifiziert, Massnahmen zu ergreifen und dazu beizutragen, bestehende Herausforderungen zu bewältigen und die Verbreitung von CCTS/CCUS-Lösungen weiter voranzutreiben. Bei der Kartierung der Stakeholder entlang der CCTS/CCUS-Wertschöpfungsketten wurden Stakeholder aus Wissenschaft, Wirtschaft, Politik und Zivilgesellschaft sowie der Öffentlichkeit identifiziert. Faktoren mit potenziell positiven, negativen oder ambivalenten Auswirkungen auf die Wahrnehmung von CCTS/CCUS durch die Stakeholder wurden untersucht. Darüber hinaus wurden in Interviews mit relevanten Akteuren in Island aus Verwaltung, Politik, Industrie, Wissenschaft und Gesellschaft deren Ansichten zu grenzüberschreitenden CCTS mit geologischer Speicherung in Island erfragt. Was die organisatorischen und finanziellen Modelle betrifft, die für eine CO₂-Pipeline-Netzinfrastruktur in der Schweiz in Frage kommen, wurde ein umfassender Überblick über mögliche Modelle erstellt. Insgesamt scheinen regulierte Geschäftsmodelle mit einem zentralen Operator den am besten geeigneten Finanzierungsansatz für ein Schweizer CO₂-Pipelinenetz zu bieten, da sie niedrige Finanzierungskosten, Anreize für einen effizienten Betrieb und die Flexibilität bieten, sich mit der Entstehung des Netzes und mit Änderungen des regulatorischen Umfelds im Laufe der Zeit mitzuentwickeln.

Publikationen / Ergebnisse (Englisch)

>>> Reports on work packages see section "Final report" <<<

Work Package 1 – Project dissemination:
DemoUpCARMA (Demonstration and Upscaling of CARbon dioxide MAnagement solutions for a net-zero Switzerland) is a pilot project led by ETH Zurich. Its aim was to implement two pathways that lead to the permanent removal of CO2 from the atmosphere or to the avoidance of CO2 emissions:

•CO2 utilisation and permanent storage in demolition concrete in Switzerland using a novel technology. This pathway is referred to as Carbon dioxide Capture, Utilisation and Storage (CCUS).

•CO2 transport and permanent storage in a geological reservoir abroad. This pathway is referred to as Carbon dioxide Capture, Transport and Storage (CCTS).

DemoUpCARMA investigated the optimum design of these pathways and how to scale them in the medium to long term, taking into account technological, economic, regulatory, political and societal factors. In this report, we provide an overview of all the dissemination activities relative to the project that have been carried out during its execution.

Main findings of the project

CO2 storage in demolition concrete in Switzerland
As part of DemoUpCARMA, the ETH spin-off Neustark, founded in 2019, has refined its process for the permanent storage of CO2 in recycled concrete aggregate and concrete mixing water and tested it on an industrial scale. The results show that the infrastructure required for CO2 storage can be installed in an existing concrete recycling plant and operated on an industrial scale. For storage purposes, concrete aggregate produced during demolition (e.g. of buildings) is mixed with biogenic CO2 provided by ARA Bern, a wastewater treatment and biomass recycling company. The CO2 mineralises to form calcium carbonate, thus remaining permanently stored; only temperatures of over 600°C or very strong acids are able to release the CO2 bound in this way. Mineralisation ensures that the CO2 remains stored in the concrete aggregate even after it has been reused in road construction or added to fresh recycled concrete, used and then demolished again. Each tonne of recycled concrete aggregate can bind around 13kg of CO2. Empa laboratory tests also show that concrete containing carbonated recycled concrete aggregate has higher compressive strength than primary concrete. This opens the door to reducing the cement content and the associated CO2 emissions. Concrete mixing water is a by-product that is produced when concrete mixing vehicles and concrete mixing plants are cleaned. It consists of water with a solids content (mainly cement and sand) of less than 10 percent. The concrete mixing water is collected in a basin and added to the ready-mixed concrete as a water substitute. It can absorb around 25kg of CO2 per cubic metre. In the laboratory, the addition of carbonated concrete mixing water to primary concrete showed improved workability and also increased compressive strength compared to primary concrete to which non-carbonated concrete mixing water had been added. Storing CO2 in both recycled concrete aggregate and concrete mixing water has a positive effect on the climate. More emissions are avoided and, when using biogenic CO2 as in DemoUpCARMA, more emissions are removed than generated. The efficiency levels (ratio of used energy to supplied energy) were over 90 percent. When it comes to costs, there are economies of scale to be had: with an integrated storage system, costs can be reduced in the long term starting from a quantity of 500 tonnes of stored CO2 per year.

CO2 storage in a geological reservoir in Iceland
The DemoUpCARMA project was the first to demonstrate a CO2 supply chain from capture and transport to geological storage in Icelandic basalt. Biogenic CO2 is captured and liquefied at ARA Bern. From there, it is transported by lorry in special containers to Weil am Rhein, Germany, where it is then transported by rail to the port of Rotterdam in the Netherlands, and onwards by sea freight to Iceland. In Iceland, the container is transported from the port to the geological reservoir by lorry. 80 tonnes of CO2 have been transported to Iceland. A life-cycle assessment has shown that the entire supply chain causes significantly fewer greenhouse gas emissions than are removed through geological storage. This means that although additional emissions are generated during transport, the climate effect is still positive in the end. If the CO2 is biogenic, as in our pilot project, it can even lead to negative emissions. Each stored tonne of CO2 generates around 200 to 250kg of CO2 emissions, so it is possible to store 750 to 800kg net CO2. Transport using fossil fuels causes the most emissions; in the future, this could be optimised by using renewables in rail transport or establishing a CO2 pipeline network. In Iceland, the Swiss CO2 is mixed with seawater and injected into the basaltic subsoil through a specially constructed borehole at a depth of 300 to 400 metres. Previously, the partner company Carbfix had been dissolving the CO2 in freshwater in order to mineralise it underground. Now an extensive monitoring network is being employed to investigate whether the procedure and the mineralisation processes also work with seawater and how exactly the mineralisation occurs. Due to delivery difficulties caused by the pandemic and the war in Ukraine, transport and material procurement were delayed. In addition, technical problems meant drilling progressed more slowly than originally hoped. In consequence, injections could not commence until the beginning of November 2023, meaning that only a few results are available so far. The DemoUpStorage partner project supported and monitored the injection and CO2 mineralisation in the reservoir until the end of 2024. The costs calculated in the project amount to several hundred Swiss francs per tonne of stored CO2. However, it must be noted that this cost calculation was done for a pilot project, where the associated challenges are likely to have increased costs. Costs could be brought down in the future by economies of scale, an established regulatory framework and more experience in transport management.

Transport and financing
Transport from the emission source to the storage location is a central element of CCT(U)S. As part of the project, the establishment of a real supply chain from the capture unit to the concrete recycling plant functioned smoothly. In contrast, the cross-border supply chain to Iceland brought with it a number of challenges that would hardly have become apparent through modelling alone. One such difficulty, for example, related to declaring the CO2 for export and the associated regulations. The challenges differ depending on the supply chain, as illustrated by the two case studies that DemoUpCARMA examined: different solutions for capture processes and systems were tested for the Hagenholz waste-to-energy plant in Zurich and the Jura cement plant in Wildegg. The studies showed that the choice of capture technology depends on which energy resources (e.g. heat or electricity) are already available at the site or can be put to effective use.In terms of costs, the currently established multimodal transport chain (with lorry, rail and ship) is relatively expensive for CCTS and is expected to offer few economies of scale. A significant reduction in costs and emissions could probably only be achieved in the long term through the construction of a pipeline network. However, the construction of such CO2 pipelines would require a legal basis at cantonal (if general legislations not already in place) and federal level. The high financing and interest costs of such a major project would be lowest if the public sector were able to bear them. However, the legal basis for this would first have to be created. Alternatively, warranties or guarantees from the federal government would also be worth considering. The investment costs could possibly be reduced if a model were established under which various CO2 emitters join together to form a network and exploit synergy effects in transport and storage. The most expedient business model for managing and operating such a network appears to be a regulated business model with a central operating company. This would offer low financing costs, incentives for efficient operations and the flexibility to evolve with changes in the regulatory environment over time. There are currently no viable business models for CCT(U)S in Switzerland. Insufficient or unclear regulatory guidelines are currently hampering market development. This means climate finance mechanisms need to be developed for specific use cases. For operators of installations with high greenhouse gas emissions that participate in the Swiss emissions trading system, for example, the crediting of CCT(U)S measures would be an important factor in generating additional investment. This is provided for in the current revision of the CO2 Act. The revised CO2 Act and the Climate and Innovation Act (KlG) further provide for new funding from 1 January 2025 for climate protection projects including CCS and carbon removal. With CCT(U)S, a positive climate footprint can already be achieved today, as the life-cycle assessments carried out show. Regardless of the methods chosen for transport and capture, the emissions produced are lower than the amount of CO2 stored.

Acceptance
Future CCT(U)S projects must not only be financed and regulated, but also supported by politics and society. A representative survey conducted as part of DemoUpCARMA shows that the Swiss public currently knows little about CCT(U)S. This points to a great need for information, particularly with regard to the specifics of implementation. The perceived benefits and risks differ for the two CO2 storage pathways examined, meaning they are highly context specific. People’s level of acceptance is influenced by personal factors such as their general attitudes towards climate change or their political orientation. Initiatives that are driven by trustworthy actors attract greater support, with science in first place, followed by authorities and NGOs. The results of a representative online experiment also indicate that people are more willing to bear the costs of CCT(U)S if long-term storage is guaranteed. Respondents consider it important for storage abroad to meet high safety standards and be accepted by the local population. In view of the upcoming challenges for the implementation of CCT(U)S initiatives, early involvement of various interest groups and a transparent information policy are important elements in establishing acceptance. A stakeholder survey has further shown that critical voices might arise once CCT(U)S initiatives are actually implemented or when they are scaled up. This makes it important to involve various interest groups as early as possible. At the same time, the stakeholders directly involved have a high level of awareness of the problem and the need for action; this awareness was further heightened in the course of DemoUpCARMA.

Conclusions
DemoUpCARMA has shown that two pathways to permanent CO2 storage are technically feasible and have a positive climate footprint. Compared to modelling alone, the pilot character of the project had the advantage of highlighting unexpected challenges as well as practicable solutions. In addition, DemoUpCARMA helped to create and communicate new knowledge about CCT(U)S and bring together relevant stakeholders, who are now jointly initiating follow-up projects. By focusing on scaling CCT(U)S initiatives, DemoUpCARMA was also able to identify a number of challenges:

• A framework has yet to be established for the sustainable and financially viable implementation of large-scale CCT(U)S initiatives.
• There is currently no reliable business model for CCT(U)S for Swiss CO2 emitters.
• It is unclear whether and under what conditions the Swiss general public supports or rejects specific CCT(U)S initiatives.

Based on the project findings,  the project team sees a particular need for action in the following areas:

•Appointing an entity to develop a pipeline system to pursue this option for transporting large quantities of CO2.
•Conducting pilot studies with mobile capture units for the practical testing of various processes.
•Planning and building large-scale CO2 capture units for major emission sources.
•Ongoing research and regular updating of life-cycle assessments and techno-economic analyses.
•Actively involving various interest groups and the general public in the assessment, planning and implementation of CCT(U)S initiatives.

Work Package 2 - CO₂ Storage in Concrete:
This work package aims to demonstrate a mineral carbonation ecosystem that allows (1) storing CO₂ permanently in both primary and recycling concrete and (2) reducing the energy demand and greenhouse gas (GHG) emissions of concrete considering the entire value chain.

The key results of the project are the following:

• Two industrial-scale, fully integrated mineral carbonation technologies have been commissioned at the Kästli concrete production and recycling plant.
• The concrete aggregate carbonation technology operation shows that 13 kg of CO₂ per ton of RCA have been sequestered at an industrial scale, confirming laboratory-scale experiments and corresponding to an increase of 60% in storage capacity compared to the RECARB project results.
• Recycling slurry (washing water obtained from cleaning the concrete trucks) showed a CO₂ uptake of up to 25 kg CO₂ per cubic meter of slurry.
• Material tests show that carbonation can have a positive effect on concrete quality by improving its compressive strength:
  • Decalcified calcium-silicate-hydrate (C-S-H) is formed on the surface of RCA particles during carbonation, contributing to cement hydration in new concrete. This results in an improved compressive strength.
  • The workability of primary concrete using slurries can be improved by carbonating it prior.
• Overall, 91 t CO₂ has been stored in RCA and 4.4 t CO₂ in concrete mixing water throughout the project. Both value chains (CO₂ supply & storage) consume less than 320 kWh of exergy (electrical equivalent work) per t of CO₂ removed in industrial operation. The plant was designed for an annual storage capacity of 500 t CO₂. However – the adequate amount within this project was much lower because 1) it was a first-of-its-kind plant. Thus, the up-time in the first half of the project was low (fixed today), and 2) the demand for concrete on the market in 2022 and 2023 collapsed – resulting in a much lower throughput of concrete aggregate through the plant than anticipated.
• An Excel-based life-cycle assessment (LCA) framework has been developed, which allows the development and comparison of various CCUS value chains storing CO₂ in demolition concrete.
• In all scenarios, the CCUS value chains positively impact the climate, i.e., they reduce and remove more emissions than they generate. The scenarios that currently have industrial relevance show GHG removal efficiencies exceeding 90%, i.e., indirect GHG emissions (quantified with the LCA tool) amount to less than 10% of the CO₂ removed from the atmosphere.
• To fix CO₂ permanently in RCA and slurry, infrastructure (CO₂ supply and CO₂ Storage plants) has to be built. It comes at a fixed investment cost – which is the main cost driver of the value chain, i.e., at high CO₂ storage rates – low costs are expected. Thus, the cost of CO₂ removal is mainly a function of the annual amount of CO₂ sequestered in demolition concrete. The cost or removing CO₂ within the project (accounting all costs to the project) was 3600 CHF/t CO₂ removed. However – the plants will enter in commercial operation after the project, removing the CO₂ at an expected cost of 261 CHF per ton of CO₂ removed – assuming an annual removal rate of 500 t of CO₂.

Work Package 3 - CO₂ Transport & Storage in Iceland:
In this WP, we have demonstrated, for the first time, the technical feasibility of the entire supply chain involving (i) CO2 liquefaction at a Swiss industrial emitter, (ii) international cross-border CO2 transport, and (iii) CO2 injection in the subsurface in an onshore reservoir located abroad. The industrial emitter is the Ara Bern wastewater treatment plant, which supplies high-purity biogenic CO2 resulting from upgrading the biogas produced on-site. Neustark and ara region bern ag are responsible for managing and operating the liquefaction unit installed at the emitter’s facilities and for handling the loading of CO2 into dedicated iso-containers for transport. Salzmann AG Transporte, SBB Cargo, and ChemOil are the operators responsible for transporting the CO2 iso-containers from the emitter’s location to Rotterdam and back. The iso-containers are transported by truck to the Weil-am-Rhein train station and then by rail to the port of Rotterdam. The sea freight from the port of Rotterdam to Reykjavik is managed by the service provider Samskip and is overseen by ChemOil and Carbfix. In Iceland, the Carbfix process dissolves CO2 in water and then injects it into basaltic bedrock. In previous projects, Carbfix has already demonstrated that CO2 can be dissolved in freshwater and injected into the subsurface, where it subsequently mineralizes. In contrast, the DemoUpCARMA and DemoUpStorage projects have, for the first time, demonstrated the injection of CO2 dissolved in seawater. The initial injection campaign, conducted between Autumn 2022 and Spring 2023, involved injecting approximately 50 tons of CO2 into the Hellisheiði site using freshwater. A second campaign, held between Autumn 2023 and Autumn 2024, injected about 140 tons of CO2 mixed with seawater at the Helguvík site, constructed under the frameworks of the DemoUpCARMA, DemoUpStorage and CO2SeaStone projects. The monitoring of the injection was carried out within the framework of the DemoUpStorage project. The results and performance of the injection of CO2 dissolved in seawater, particularly with regard to mineralization, are documented in the DemoUpStorage project report. The operational phase of the project revealed several challenges, including the complexity of regulatory compliance, knowledge gaps among personnel due to the novelty of the technology, the development of an effective CO2 tracking and monitoring protocol at the system level, unexpected issues in the supply chain and site construction, and logistical challenges such as railway maintanance and construction in Germany during summer 2024 that caused delays in container shipments. Despite these operational hurdles, the project successfully demonstrated the potential of cross-border CO2 transport and of subsurface mineralization as effective tools for emissions reduction and for CO2 removal. This pioneering effort highlights the real-world complexities of transitioning innovative concepts into practice and emphasizes the importance of addressing regulatory, knowledge, and logistical challenges directly in the field through for instance pilot projects. For the demonstrated CO2 supply chain, sourcing and transporting liquefied CO2 from the Ara Bern biogas upgrading plant in Switzerland to Iceland costs around 1,600 CHF per ton, reflecting a first-of-a-kind operation. Reductions in CO2 transport costs are expected when shifting from container-based transport (as what demonstrated in this project) to pipeline-based transport, as addressed in WP4. Life-cycle analysis shows an efficiency above 70%, with all captured CO2 certified as biogenic, enabling net-negative emissions. Over 75% of environmental impacts stem from fossil-based international transport, underscoring the importance of developing low-carbon, large-scale CO2 transport infrastructure alongside ongoing decarbonization of energy and shipping.

Work Package 4 - Technoeconomic Analysis & Scale-up:
The overall purpose of this work package was to assess the upscaling potential of carbon capture, utilization, and storage (CCUS) and carbon capture, transport, and storage (CCTS) chains in the near term, as well as that of a CO₂ network connecting Swiss emission sites to national and international storage sites in the long term. In the following, CO₂ supply chains that involve CO₂ capture and transport abroad for geological storage are referred to as CCTS, while CO₂ supply chains that involve CO₂ capture and usage and permanent storage in concrete via mineralization are referred to as CCUS. First, we focused on the analysis of a few Swiss point-source emitters, KVA Hagenholz – a waste treatment plant in Zurich, Jura Cement – a cement production plant in Wildegg, and ARA Region Bern – a biogas upgrading plant, who may deploy CCUS and CCTS as an emission mitigation solution in the near-term, e.g., from 2030 on. This work considered the overall CO₂ supply chain with CO₂ capture and liquefaction at the emitter’s site, transport, and storage in concrete (domestic solution) or in geological storage in the Northern Lights storage hub in Norway, or in Icelandic basalts through the Carbfix technology. Because of the near-time horizon, it is expected that these supply chains will mostly rely on CO₂ transport on land by truck and train. As a result, transport costs constitute the largest share of up to 60% for early movers, as such multimodal transport solutions for long distances do not profit from economies of scale. Their costs are however expected to decrease significantly in the long term with more efficient solutions, e.g., a pipeline network, thus halving the levelized cost of avoided carbon of the entire CCTS chain, which are independent of the origin of the CO₂, accounting for reduction and removal. Life cycle assessment (LCA) was also conducted and demonstrates that all chains reduce the global warming potential (GWI) of the corresponding emitter by at least 70% to 85%, since the greenhouse gas (GHG) emissions along the CCTS chain are significantly lower than the CO₂ stored. Compared to unabated operation, greenhouse gas emissions are, therefore, reduced by 70% to 85%. At emitters with biogenic feedstock, a potential for net carbon removal exists if the net emission reduction by the CCTS chain is larger than the biogenic emissions from the plant. The largest contributions to GWI are capture and transport, whose GHG footprints are expected to decrease in the future, particularly transport as decarbonization of technical systems proceeds. In a next step, a network model was used to study optimal network structures and rollout scenarios of the transition from early-movers to integrated Swiss CCTS and CCUS supply chains interconnected to a pan-European shared infrastructure. The assessment highlighted the high level of uncertainty about the development and the accessibility of such infrastructure, and the advantage for Swiss stakeholders of an early start in developing national infrastructure, i.e., capture, transport (using pipelines) and possibly storage. The analysis was extended to other sectors, i.e., chemical, pharma, and life sciences sectors. Such a network will serve the Swiss point-source emitters and will include Direct Air Capture (DAC) units, for which the optimal location will be investigated with respect to operational CO₂ storage hubs abroad. As far as CCTS and CCUS business models are concerned, it was found that their viability depends on: (i) the regulatory landscape, i.e., which industries and which CO₂ are included in the Swiss ETS, when and how the revised CO₂ Act is adopted, which voluntary carbon market (VCM) dynamics occurs; (ii) the design of the decarbonization pathway chosen by emitters, which determine different risk profiles and cost projections; (iii) the organization and management of the supply chains, whereby either an integrated capture setup managed by the single emitter or a capture cluster managed by a pool of emitters will be coupled to one or more third parties, to whom transport and storage are completely outsourced; (iv) the uncertainty regarding the stability and longevity of revenues and financing instruments. When investigating resilience, i.e., ways to minimize reduced service or lack thereof, one distinguishes between cost-optimal solutions (cheaper) and environment-optimal solutions (more costly). Such solutions exist, though resilience possibly has a lower priority than the indicators resulting from TEA and LCA at such an early stage of the development of CCTS chains. Finally, the integration of post-combustion CO₂ capture with WtE and cement plants was evaluated with reference to the Jura Cement plant and KVA Hagenholz. This was tackled by designing and sizing the CO₂ capture units needed for both sites and conducting a techno-economic analysis of the capture integrations, taking into account various constraints such as plant operating conditions, heat availability, seasonal energy demands, and spatial constraints. At Jura Cement, CO₂ Capsol EoPTM using hot potassium carbonate (HPC) as solvent was chosen, which is designed to use only electricity as energy source. On the other hand, KVA Hagenholz has enough steam available onsite to allow for the use of an amine-based capture process, namely the OASE® blue process technology licensed by BASF. CO₂ capture can effectively be installed without compromising district heating using advanced heat integration solutions. From these results, guidelines will be provided to generalize the outcomes of this analysis to other Swiss emitters from these sectors.

Work Package 5 - Policy, Regulation & Public Acceptance:
Work package (WP) 5 of DemoUpCARMA assesses policy, regulatory, financial, and acceptance aspects of carbon capture, transport, and storage (CCTS) and carbon capture, utilization, and storage (CCUS) value chains and identifies potential gaps for their implementation and upscaling. To this end, this WP includes an analysis of climate finance instruments at domestic and international levels, an investigation of effective policy designs to overcome financing as well as potential public acceptance challenges, stakeholder analysis and suggestions for appropriate communication, and an assessment of technical and organizational issues regarding the scale-up of the required transport infrastructure. Because of the novelty of the DemoUpCARMA pilot demonstrations as well as CCTS/CCUS value chains and their policy, regulatory, financial, and acceptance aspects overall, a range of qualitative and explorative methodologies were applied to approach the topics at hand; these included for instance a stocktaking and mapping of existing national and international best practices and workshops and interviews with relevant key stakeholders (such as national authorities, industry partners, subject matter experts, the public, associations, and companies from comparable industries, etc.). While Switzerland has assigned CCTS/CCUS a prominent role in its long-term strategy to reach net zero GHG emissions by mid-century, the CCTS/CCUS value chains do not currently have a viable business case due to the associated high costs and insufficient returns on investment. To become economically viable, these technologies will likely require further economic incentives. To this end, an analysis of current and potential future climate finance instruments at the domestic and international levels both in Switzerland and other jurisdictions, and their potential for mobilizing and scaling CCTS/CCUS-based mitigation methods was performed. Several initiatives were identified in Switzerland and globally to support CCTS/CCUS activities in voluntary and compliance carbon markets, including carbon contracts for difference, tax incentives, or purchase agreements of various kinds. As a result of this landscape assessment, several opportunities were identified for stakeholders to act and contribute to addressing existing challenges and further scaling the deployment of CCTS/CCUS solutions. As for the stakeholder mapping along the CCTS/CCUS value chains, stakeholders from science, business, politics, and civil society as well as the public were identified. Factors with a potential positive, negative, or ambivalent impact on the stakeholder perception of CCTS/CCUS were assessed. In addition, input from interviews with relevant stakeholders in Iceland from administration, politics, industry, science, and civil society on their perspectives on transboundary CCTS with geological storage in Iceland was collected. As for organizational and financial models that could be considered for a CO₂ pipeline network infrastructure in Switzerland, an extensive overview of potential models to be applied was provided. Overall, regulated business models with a central operating entity seem to provide the most suitable funding approach for a Swiss CO₂ pipeline network by combining low funding costs, incentives for efficient operations, and the flexibility to co-evolve with the emergence of the network and with changes in the regulatory environment over time.

Publikationen / Ergebnisse (Französisch)

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Module de travail 1 – Dissémination du projet
DemoUpCARMA (Demonstration and Upscaling of CARbon dioxide MAnagement solutions for a net-zero Switzerland) est un projet pilote conduit par l’EPF de Zurich. L’objectif était d’expérimenter deux approches conduisant à la capture continue de CO2 de l’atmosphère ou à éviter des émissions de CO2:

•L’utilisation et le stockage permanent de CO2 dans du béton de démolition en Suisse au moyen d’un nouveau procédé. Cette solution est de type CCUS (Carbon dioxide Capture, Utilisation and Storage - captage, utilisation et stockage du CO2).

•Le transport et le stockage permanent de CO2 dans un réservoir géologique à l’étranger.

Cette solution fait partie des approches CCTS (Carbon dioxide Capture, Transport and Storage – Captage, transport et stockage du CO2). DemoUpCARMA a étudié, en tenant compte des aspects technologiques, économiques, régle-mentaires, politiques et sociaux, comment ces solutions pouvaient être conçues et mises en oeuvre à grande échelle de manière optimale à moyen et long terme. Dans ce rapport, nous fournissons un aperçu de toutes les activités de diffusion liées au projet qui ont été réalisées pendant son exécution.

Module de travail 2 - Stockage du CO₂ dans le béton:
Cet ensemble de travaux vise à démontrer un écosystème de carbonatation minérale qui permet (1) le stockage permanent de CO₂ dans le béton “vierge” et recyclé et (2) la réduction de la demande en énergie et des émissions de gaz à effet de serre (GES) liées à la production du béton, en tenant compte de l'ensemble de la chaîne de valeur.

Les principaux résultats du projet sont énumérés ci-après :

• Deux technologies de carbonatation minérale à l'échelle industrielle et entièrement intégrées ont été mises en service dans l'usine de production et de recyclage de béton de Kästli.
• Le fonctionnement de la technologie de carbonatation des agrégats recyclés de béton (ARB) montre que 13 kg de CO₂ par tonne de ARB ont été séquestrés à l'échelle industrielle. Cela confirme les expériences à l'échelle du laboratoire et correspond à une augmentation de 60 % de la capacité de stockage par rapport aux résultats du projet RECARB.
• La boue de recyclage (eau de lavage obtenue lors du nettoyage des camions transportant le béton) a montré une absorption de CO₂ allant jusqu'à 25 kg par mètre cube de boue.
• Les tests de matériaux montrent que la carbonatation peut avoir un effet positif sur la qualité du béton en améliorant sa résistance à la compression :
  • Du C-S-H décalcifié se forme à la surface des particules contenues dans l’ARB pendant la carbonatation, contribuant à l'hydratation du ciment dans le nouveau béton. Il en résulte une amélioration de la résistance à la compression.
  • L'ouvrabilité du béton "vierge” utilisant des boues peut être améliorée en le carbonatant au préalable.
• Au total, 91 t de CO₂ ont été stockées dans l’ARB et 4.4 t de CO₂ dans la boue de recyclage tout au long du projet. Les deux chaînes de valeur (approvisionnement en CO₂ et stockage) consomment moins de 320 kWh d' exergie (travail électrique équivalent) par tonne de CO₂ stockée dans le cadre de l'exploitation industrielle. L'usine a été conçue pour une capacité de stockage annuelle de 500 t de CO₂ (et peut également stocker cette quantité de CO₂). Cependant, la quantité adéquate dans le cadre de ce projet était bien inférieure car 1) il s'agissait d'une première installation de ce type. Ainsi, le temps de fonctionnement dans la première moitié du projet était faible (résolu aujourd'hui), et 2) la demande de béton sur le marché en 2022 et 2023 s'est effondrée, ce qui a entraîné un débit de granulats de béton dans la centrale moins important qu’attendu.
• Un outil d’analyse de cycle de vie (ACV) basé sur Excel a été développé. Il permet de développer et de comparer différentes chaînes de valeur CCUS stockant le CO₂ dans le béton de démolition par rapport à différents indicateurs environnementaux.
• Dans tous les scénarios, les chaînes de valeur CCUS ont un impact positif sur le climat, c'est-à-dire qu'elles réduisent et stockent plus de CO₂ qu'elles ne génèrent d’émissions de GES. Les scénarios qui présentent actuellement un intérêt industriel affichent des rendements d'élimination des GES supérieurs à 90 %. Cela signifie que les émissions indirectes de GES (quantifiées à l'aide de l’outil ACV) représentent moins de 10% de la quantité de CO₂ éliminée de l'atmosphère.
• Pour fixer le CO₂ de manière permanente dans l'ACR et le lisier, il faut construire une infrastructure (approvisionnement en CO₂ et usines de stockage de CO₂). Cette infrastructure a un coût d'investissement fixe - qui est le principal facteur de coût de la chaîne de valeur, c'est-à-dire que lorsque les taux de stockage du CO₂ sont élevés, on s'attend à des coûts faibles. Ainsi, le coût de l'élimination du CO₂ est principalement fonction de la quantité annuelle de CO₂ séquestrée dans le béton de démolition. Le coût de l'élimination du CO₂ dans le cadre du projet (en tenant compte de tous les coûts du projet) était de 3600 CHF/t de CO₂ éliminé. Cependant, les usines entreront en exploitation commerciale après le projet, éliminant le CO₂  à un coût prévu de 261 CHF par tonne de CO₂ éliminée - en supposant un taux d'élimination annuel de 500 t de CO₂.

Module de travail 3 - Transport et stockage du CO₂ en Islande:
L'objectif général de ce lot de travail est de démontrer la faisabilité technique de la chaîne logistique dans son intégralité avec (i) la liquéfaction du CO2 sur le site d’un émetteur industriel suisse, (ii) le transport transnational du CO2 et (iii) le stockage géologique du CO2 à l'étranger. L'émetteur industriel en question est la station d'épuration des eaux usées Ara Region Bern, qui fournit du CO2 biogénique de haute pureté résultant de la valorisation du biogaz produit à partir des eaux usées de la station. Neustark et Ara Region Bern gèrent et exploitent l'unité de liquéfaction installée sur le site de l'émetteur et s’occupent du chargement du CO2 dans des conteneurs-citernes dédiés pour le transport. Salzmann AG Transporte, CFF Cargo et ChemOil assurent le transport des conteneurs-citernes de CO2 du site de l'émetteur à Rotterdam et retour. Les conteneurs-citernes sont d’abord transportés par camion jusqu'à la gare de Weil-am-Rhein, puis par le rail jusqu'au port de Rotterdam. Le fret maritime des conteneurs-citernes du port de Rotterdam à Reykjavik est assuré par un prestataire de services (Samskip) et est géré par Carbfix. Le CO2 transporté est ensuite dissous dans l'eau et injecté pour un stockage minéral permanent dans une formation rocheuse basaltique qui sert de réservoir de stockage permanent. Carbfix est chargé (i) de la caractérisation technique et géologique du site de démonstration (c'est-à-dire la caractérisation du terrain, la conception et la mise en place du système d'injection, et l'échantillonnage et la caractérisation des fluides du réservoir), (ii) de la construction du système d'injection, et (iii) de la démonstration sur le terrain (c'est-à-dire l'injection du CO2, la surveillance chimique, et la surveillance du flux de CO2). Cette injection pilote sera la première dissolvant du CO2 dans l'eau de mer et sera effectuée sur un nouveau site d'injection construit et exploité par Carbfix. Lors de sa mise en oeuvre, la performance de la chaîne logistique de CO2 sera évaluée sur la base d'indicateurs de performance clés (IPC) prédéfinis, relatifs aux aspects techniques, opérationnels, économiques et environnementaux. Ce travail (i) fournira un modèle de conception pour les chaînes logistiques de CO2 qui seront développées à l'avenir, (ii) prouvera la faisabilité de telles chaînes, et (iii) permettra une identification précoce des lacunes techno-économiques, juridiques et environnementales qui devraient être comblées avant la mise à l'échelle et le développement ultérieur des chaînes logistiques de CO2.

Module de travail 4 - Analyse technico-économique et mise à l'échelle:
L'objectif général de ce bloc d’activité (WP) est d'évaluer le potentiel d'extension des chaînes de captage, d'utilisation et de stockage du carbone (CCUS) et de captage, de transport et de stockage du carbone (CCTS) à court terme, ainsi que celui d'un réseau de CO₂ reliant les sites d'émission suisses aux sites de stockage nationaux et internationaux à long terme. Dans ce qui suit, les chaînes logistiques de CO₂ qui impliquent le captage et le transport du CO₂ à l'étranger en vue d'un stockage géologique sont désignées comme CCTS, tandis que les chaînes logistiques de CO₂ qui impliquent le captage et l'utilisation du CO₂ et son stockage permanent dans le béton par minéralisation sont désignées comme CCUS. Tout d’abord, l'analyse s’est focalisée sur quelques sources d’émissions localisées en Suisse provenant des secteurs de la valorisation énergétique des déchets, du ciment et du biogaz (par exemple, l’usine d’incinération ERZ à Hagenholz, la cimenterie Jura à Wildegg) qui pourraient déployer le CCUS et le CCTS comme solutions de réduction des émissions à court terme, c'est-à-dire à partir de 2030. Ce travail a pris en compte la chaîne logistique globale en CO₂ avec le captage et la liquéfaction du CO₂ sur le site de l'émetteur, le transport et le stockage dans du béton (solution domestique) ou dans un réservoir géologique à l'étranger, soit dans le site de stockage Northern Lights en Norvège, ou dans les basaltes islandais par le biais de la technologie Carbfix. En raison de l'horizon proche, on s’attend à ce que ces chaînes logistiques reposent principalement sur le transport terrestre du CO₂ par camion et par train. Par conséquent, les coûts de transport constituent la part la plus importante (jusqu'à 60 %) pour les pionniers, car ces solutions de transport multimodal sur de longues distances ne bénéficient pas d'économies d'échelle. Ces coûts devraient toutefois diminuer considérablement à long terme grâce à des solutions plus efficaces, par exemple un réseau de carboducs, ce qui réduirait de moitié le coût par unité d’émissions de carbone évitée pour l'ensemble de la chaîne CCTS, ce coût étant indépendant de l’origine du CO₂ et qui inclut la réduction ainsi que l’extraction et élimination du CO₂. L'analyse du cycle de vie (LCA) a également été réalisée et démontre que toutes les chaînes réduisent le potentiel de réchauffement planétaire (GWI) de l'émetteur correspondant d'au moins 70 % et jusqu’à 85 %, étant donné que les émissions de gaz à effet de serre le long de la chaîne CCTS sont nettement inférieures au CO₂ stocké. Par rapport à un fonctionnement inchangé, les émissions de gaz à effet de serre sont donc réduites de 70 à 85%. Pour les émetteurs de CO₂ d’origine biogénique, il existe un potentiel d’élimination nette du carbone si la quantité nette d’émissions évitées par la chaîne logistique CCTS est plus importante que les émissions d’origine biogénique de l’émetteur. Les contributions les plus importantes au GWI sont le captage et le transport, dont les émissions de gaz à effet de serre devraient diminuer à l'avenir, en particulier dans le domaine du transport, à mesure que la décarbonisation des systèmes techniques progresse. Dans un second temps, un modèle de réseau a été utilisé pour étudier les structures optimales d’un réseau de CO₂ ainsi que les scénarios de déploiement des technologies CCTS et CCUS en Suisse, faisant la transition des précurseurs dans ce domaine aux chaînes logistiques intégrées et interconnectées à une infrastructure paneuropéenne commune. Cette évaluation a mis en évidence le niveau élevé d'incertitude quant au développement et à l'accessibilité de ces infrastructures, et l'avantage pour les parties prenantes suisses de commencer tôt à développer des infrastructures nationales, c'est-à-dire le captage, le transport (au moyen de carboducs) et éventuellement le stockage. L'analyse a été étendue à d'autres secteurs, à savoir les secteurs chimique, pharmaceutique et des sciences de la vie. Un tel réseau desservira les émetteurs ponctuels suisses et inclura des unités de captage direct dans l'air (DAC), dont l'emplacement optimal par rapport aux sites de stockage de CO₂ opérationnels à l'étranger sera étudié. En ce qui concerne les modèles commerciaux du CCTS et du CCUS, il a été constaté que leur viabilité dépendait des éléments suivants (i) le contexte réglementaire, c'est-à-dire quelles industries et quel CO₂ sont inclus dans le système d’échange de quotas d’émission (SEQE) suisse, quand et comment la loi révisée sur le CO₂ sera adoptée, quelle dynamique se produira sur le marché volontaire du carbone (VCM) ; (ii) la conception de la trajectoire de décarbonisation choisie par les émetteurs, qui détermine différents profils de risque et projections de coûts ; (iii) l'organisation et la gestion des chaînes logistiques, pour lesquelles soit une installation de capture intégrée gérée par un seul émetteur, soit un regroupement d’installations de capture gérées par un groupe d'émetteurs, seront couplées à une ou plusieurs tierces parties, auprès desquelles le transport et le stockage seront entièrement externalisés ; (iv) l'incertitude concernant la stabilité et la durabilité des revenus et des outils de financement. Lorsque l'on étudie la résilience, c'est-à-dire les moyens de minimiser la réduction ou l'absence de service, on distingue entre les solutions optimales en termes de coûts (moins chères) et les solutions optimales en termes d'environnement (plus coûteuses). De telles solutions existent, bien que la résilience soit peut-être moins prioritaire que les indicateurs résultant de l'analyse techno-économique et de l’analyse du cycle de vie à un stade aussi précoce du développement des chaînes de CCTS. Enfin, l'intégration optimale du captage post-combustion du CO₂ aux usines de d’incinération des déchets et aux cimenteries a été évaluée en se référant à la cimenterie Jura à Wildegg (Argovie) et à l’usine de valorisation des déchets (KVA) de ERZ à Hagenholz (Zurich). Pour ce faire, on a conçu et dimensionné les unités de captage du CO₂ nécessaires pour les deux sites et effectué une analyse techno-économique des intégrations de captage en tenant compte de diverses contraintes telles que les conditions d'exploitation, la disponibilité de chaleur, les besoins énergétiques saisonniers et les contraintes spatiales. À la cimenterie Jura, la technique CO₂ Capsol EoPTM utilisant du carbonate de potassium chaud (HPC) comme solvant a été choisie, car elle est conçue pour utiliser uniquement de l'électricité comme source d'énergie. En revanche, KVA Hagenholz dispose de suffisamment de vapeur sur site pour permettre l'utilisation d'un procédé de captage à base d'amines, à savoir la technologie OASE® blue sous licence de BASF. Le captage du CO₂ peut être installé efficacement sans compromettre le chauffage urbain en utilisant des solutions avancées d'intégration de la chaleur. A partir de ces résultats, des directives seront fournies pour généraliser les résultats de cette analyse à d'autres émetteurs suisses de ces secteurs.

Module de travail 5 - Politique, réglementation et acceptation par le public:
Le module de travail 5 de DemoUpCARMA évalue les aspects politiques, réglementaires, financiers et d'acceptation des chaînes de valeur CCTS/CCUS et identifie les lacunes potentielles pour leur mise en oeuvre et leur mise à l'échelle. À cette fin, ce paquet de travail comprend une analyse des instruments de financement du climat aux niveaux national et international, une enquête sur les conceptions politiques efficaces pour surmonter les défis de financement ainsi que l'acceptation potentielle du public, une analyse des parties prenantes et des suggestions pour une communication appropriée, et une évaluation des questions techniques et organisationnelles concernant la mise à l'échelle de l'infrastructure de transport nécessaire. En raison de la nouveauté des démonstrations pilotes de DemoUpCARMA ainsi que des chaînes de valeur CCTS/CCUS et de leurs aspects politiques, réglementaires, financiers et d'acceptation dans l'ensemble, une gamme de méthodologies qualitatives et exploratoires a été appliquée pour aborder les sujets à portée de main ; ceux-ci comprennent par exemple un inventaire et une cartographie des meilleures pratiques nationales et internationales existantes, des ateliers et des entretiens avec les principales parties prenantes (telles que les autorités nationales, les partenaires industriels, les experts en la matière, le public, les associations et les entreprises des industries comparables, etc.). Bien que la Suisse ait attribué au CCTS/CCUS un rôle de premier plan dans sa stratégie à long terme visant à atteindre des émissions nettes de GES nulles d'ici le milieu du siècle, les chaînes de valeur CCTS/CCUS ne présentent pas actuellement d'analyse de rentabilité viable en raison des coûts élevés et des retours sur investissement insuffisants qui y sont associés. Pour devenir économiquement viables, ces technologies auront probablement besoin de nouvelles incitations économiques. À cette fin, une analyse des instruments de financement climatique actuels et potentiels au niveau national et international, en Suisse et dans d'autres juridictions, et de leur potentiel pour mobiliser et développer les méthodes d'atténuation basées sur le CCTS/CCUS a été réalisée. Plusieurs initiatives ont été identifiées en Suisse et dans le monde pour soutenir les activités du CCTS/CCUS sur les marchés du carbone volontaires et de conformité, y compris les contrats carbones pour la différence, les incitations fiscales ou les accords d'achat de différents types. Cette évaluation du paysage a permis d'identifier plusieurs possibilités pour les parties prenantes de prendre des mesures et de contribuer à relever les défis existants et à intensifier le déploiement des solutions CCTS/CCUS. Comme pour la cartographie des parties prenantes le long des chaînes de valeur CCTS/CCUS, des acteurs du monde scientifique, des affaires, de la politique, de la société civile et du public ont été identifiés. Les facteurs susceptibles d'avoir un impact positif, négatif ou ambivalent sur la perception des CCTS/CCUS par les parties prenantes ont été évalués. En outre, des entretiens avec les parties prenantes islandaises concernées, issues de l'administration, de la politique, de l'industrie, de la science et de la société civile, ont permis de recueillir leurs points de vue sur les CCTS transfrontaliers avec stockage géologique en Islande. En ce qui concerne les modèles organisationnels et financiers qui pourraient être envisagés pour une infrastructure de réseau de pipelines de CO₂ en Suisse, un aperçu complet des modèles potentiels à appliquer a été fourni. Dans l'ensemble, les modèles commerciaux réglementés avec une entité centrale d'exploitation semblent constituer l'approche de financement la plus appropriée pour un réseau suisse de gazoducs de CO₂, car ils combinent de faibles coûts de financement, des incitations à une exploitation efficace et la flexibilité nécessaire pour coévoluer avec l'émergence du réseau et avec les changements de l'environnement réglementaire au fil du temps.

Schlussbericht (Englisch)

Zugehörige Dokumente

• Work Package 1 – Project Dissemination – Appendix [PDF] 328 kB
• Work Package 1 – Project Dissemination - Final Report [PDF] 476 kB
• Work Package 2 - CO2 Storage in Concrete - Final Report [PDF] 11'980 kB
• Work Package 3 - CO2 transport to a geological storage site - Final Report [PDF] 2'711 kB
• Work Package 4 - Technoeconomic Analysis & Scale-up - Appendix [PDF] 4'743 kB
• Work Package 4 - Technoeconomic Analysis & Scale-up - Final Report [PDF] 3'954 kB
• Work Package 5 - Policy, Regulation & Public Acceptance - Appendix [PDF] 12'835 kB
• Work Package 5 - Policy, Regulation & Public Acceptance - Final Report [PDF] 996 kB