Улавливание углерода может сдержать глобальное потепление - вот как это работает

Все, что вам нужно знать о технологии CCS.

Отредактировано 2023-15-06
Энергетическая фотография

Поскольку до кардинального сокращения выбросов и предотвращения наихудших последствий изменения климата осталось всего 11 или около того лет, чиновники предлагают большие цели. Калифорния, Гавайи и Нью-Мексико намерены перейти на безуглеродную энергию к 2045 году. Невада хочет последовать за ними в 2050 году. На федеральном уровне в Конгрессе продолжаются разговоры о "Зеленом новом курсе", который должен полностью перевести американскую энергетику на возобновляемые источники всего за 10 лет.

Многие действия, предлагаемые в этих планах, знакомы: расширение ветровой и солнечной энергетики, строительство большего количества общественного транспорта, восстановление природных ландшафтов для хранения углерода в деревьях, растениях и почве. Но есть и разговоры об "улавливании и хранении углерода", или УХУ, - аморфной, футуристически звучащей технологии. Некоторые эксперты по климату считают, что без этой технологии практически невозможно достичь таких целей, как сохранение потепления ниже 1,5ºC. Но что же это такое?

Как это работает

Основная идея проста. Вместо того, чтобы позволить электростанциям, цементным заводам или другим предприятиям тяжелой промышленности выбрасывать в атмосферу тяжелые выбросы CO2, CCS вместо этого извлекает углерод до его выброса и упрятывает его в землю. Но применить эти технологии на практике несколько сложнее.

Улавливание углерода до сжигания отделяет углерод от ископаемого топлива до его сжигания, что позволяет вырабатывать более чистую энергию. В природном газе в результате химической реакции углерод отделяется от молекулы метана, образуя чистый водородный газ. В случае с углем сначала необходимо превратить его в газ, называемый сингазом, а затем отфильтровать углерод.

Заводы с системой CCS после сжигания сжигают ископаемое топливо, как обычно, но затем добавляют дополнительный шаг, который извлекает CO2, прежде чем он улетучивается в атмосферу. Существуют различные способы выполнения этого дополнительного этапа. Самый распространенный - пропустить выхлопные газы через водные амины - жидкие химические вещества, которые связывают углерод. В дальнейшем операторы установок могут нагревать эти амины для высвобождения CO2, который затем подается под давлением и отводится по трубам.

Преимущество сжигания после сжигания топлива заключается в том, что его можно адаптировать, говорит Ниалл Мак Дауэлл, сотрудник исследовательской группы "Чистые ископаемые и биоэнергетика" в Имперском колледже в Лондоне. "Мы можем взять все установки, которые есть по всему миру, и добавить к ним CCS в том виде, в котором они существуют". Но дожигание может быть дорогостоящим, поскольку углерод в выхлопных газах разбавлен, поэтому его трудно отфильтровать от других побочных продуктов сгорания. Оксисжигание пытается решить эту проблему. При этом процессе азот отделяется от воздуха перед сжиганием, так что сгорает только топливо и кислород. Это концентрирует образующийся CO2, облегчая его извлечение.

Существует также множество новых технологий улавливания углерода. Одна из самых интересных, по словам Салли Бенсон, содиректора Института энергетики Прекорт при Стэнфордском университете, называется циклом Аллама. По сути, он перерабатывает CO2, образующийся при сгорании топлива, в жидкость под высоким давлением, которая может работать в турбине, превращая отходы в энергию. В настоящее время этот цикл используется на небольшой демонстрационной электростанции в Техасе, которая, как ожидается, вскоре сможет обеспечить энергией 5 000 домов в жаркий летний день. По оценкам компании NetPower, эксплуатирующей эту электростанцию, будущие коммерческие электростанции смогут продавать электроэнергию по цене 20 долларов за мегаватт-час с учетом налоговых льгот, которые предоставляются в настоящее время; сейчас американцы платят в среднем 130 долларов за мегаватт-час. "Вы рециркулируете большое количество углекислого газа, а затем просто отбираете небольшое количество углекислого газа для хранения", - говорит Бенсон. "Это дает очень высокий КПД, и это электростанция с полностью нулевыми выбросами".

Последний шаг - хранение парникового газа. Так или иначе, углерод необходимо сжать под давлением и направить в трубопровод для хранения. Одним из перспективных вариантов хранения являются глубокие подземные солевые резервуары - участки пористой породы, насыщенной соленой водой. В этих местах CO2 может оставаться в ловушке в порах горных пород. Помещение углерода из добытого угля, нефти и природного газа обратно в землю - это своего рода обратная добыча ископаемого топлива.

Но реальное извлечение углерода, уже попавшего в атмосферу, - это совсем другая история. Теоретически это возможно, но в реальном мире этот процесс - прямое улавливание углерода - не запущен и не работает. Одно из исследований 2018 года показало, что предлагаемая система прямого улавливания углерода может извлекать CO2 из воздуха и перерабатывать его в топливо по цене от 94 до 232 долларов за тонну, но это, вероятно, дороже, чем просто избежать выброса этой тонны углерода с помощью возобновляемых источников энергии. CO2 в атмосфере относительно диффузен по сравнению с кислородом и азотом, поэтому извлечение его прямо из воздуха требует больших затрат энергии.

Что мы используем сейчас

В настоящее время в мире существует 18 проектов по улавливанию и хранению углерода, и все вместе они хранят 31,5 миллиона тонн углекислого газа в год, говорит Бенсон. Но это не так много по сравнению с 37,1 млрд. метрических тонн, которые мы выбросили в прошлом году.

Промышленные предприятия в США ежегодно улавливают 65 миллионов тонн CO2. Но 60 из этих тонн используются для "повышения нефтеотдачи пластов", что в некотором смысле сводит на нет всю цель. Углекислый газ - отличный растворитель, позволяющий компаниям эффективно выкачивать последние кусочки нефти и газа из подземных бассейнов. Таким образом, хотя он, по крайней мере, перерабатывается, большая часть CO2 используется для продолжения добычи ископаемого топлива.

Это не означает, что мы не можем изменить направление и значительно увеличить объем постоянно хранящегося под землей углерода. "Основные технологические элементы [улавливания углерода] являются суперзрелыми, они используются уже долгое время", - говорит Мак Дауэлл. "Проблема в том, что в настоящее время нет реальных требований или стимулов для улавливания CO2".

Оборудование CCS дорого в установке и обслуживании, поэтому у компаний, добывающих ископаемое топливо, сейчас мало стимулов для его использования. Гораздо дешевле просто продолжать вести бизнес как обычно. Политики могли бы подтолкнуть индустрию ископаемого топлива в виде налогов, стимулов или регулирования. Для того чтобы у компаний была хоть какая-то причина заниматься УХУ, необходимо либо ввести плату за загрязнение окружающей среды, либо ввести способ зарабатывать на улавливании углерода. На самом деле, пересмотр федерального бюджета в прошлом году включает налоговые льготы для хранения углерода, в рамках меры, называемой 45Q. Компании, направляющие CO2 в соленый водоносный слой, могут получить до 50 долларов за тонну углерода, который они хранят, говорит Бенсон. "Мы ожидаем, что теперь, когда введен этот налоговый стимул, мы увидим гораздо больше таких проектов".

Будущее улавливания углерода

Медленное внедрение технологии улавливания углерода может показаться плохим знаком. Многие технологии существуют уже несколько десятилетий, но они почти не используются, что некоторые эксперты считают сигналом того, что они не являются экономически эффективным способом сокращения выбросов. Экологи, между тем, утверждают, что улавливание углерода - это, по сути, наложение пластыря на кровоточащий экологический ущерб от добычи ископаемого топлива. Почему бы вместо этого не перейти к энергетической системе, полностью исключающей ископаемое топливо, ведь есть доказательства того, что возобновляемые источники энергии могут расшириться и обеспечить большую часть нашей энергии по доступной цене?

"Самая большая возможность [для УХУ] будет заключаться в том, чтобы помочь справиться с трудно устранимыми выбросами, - говорит Бенсон. Цементная промышленность, производство удобрений и другие отрасли в значительной степени зависят от энергии ископаемого топлива, и в настоящее время не существует простого способа электрифицировать эти процессы. То же самое касается и грузовых перевозок, поскольку подзарядка аккумуляторов для больших грузовиков займет много времени. Вместо этого, говорит Бенсон, мы могли бы заправлять грузовики водородом, выделенным из природного газа.

Некоторые эксперты считают, что без улавливания углерода практически невозможно быстро декарбонизировать нашу экономику, указывая на модели комплексной оценки, используемые МГЭИК для оценки сценариев с различным сочетанием источников энергии и определения вероятности достижения целевого уровня выбросов. Согласно этим анализам, "данные свидетельствуют о том, что исключение УХУ как варианта является уникально дорогостоящим", - говорит Мак Дауэлл. "Есть шанс, что мы не сможем достичь целевых показателей [выбросов], если у нас не будет технологии УХУ".

Но другие утверждают, что эти модели несправедливо наказывают возобновляемые источники энергии, считая их более дорогими и трудными для реализации, чем они есть на самом деле. Как говорится в одном из последних исследований Nature Energy, "модели оценки могут иметь свои собственные предубеждения, которые не позволяют им правильно рассматривать энергетические портфели, радикально отличающиеся от нынешних, неявно одобряя УХУ просто как расширение нынешней системы с дополнительными затратами".

В том же исследовании сравнивалась энергия, необходимая для работы установок по улавливанию углерода, и возобновляемые источники энергии. Оно показало, что в течение всего срока службы станции вы получаете большую отдачу от энергии, вложенной в возобновляемые источники, по сравнению с установками по улавливанию углерода. При одинаковом количестве вложенной энергии вы получаете больше отдачи от ветра и солнца, чем от электростанций на ископаемом топливе с УХУ. "Учитывая его чистые энергетические недостатки, мы рассматриваем развитие УХУ для электроэнергетики как нишу и дополнительный вклад в энергетическую систему, а не как критический вариант технологии", - говорится в заключении исследования.

Тем не менее, и модели МГЭИК, и исследование Nature Energy - это широкие, масштабные оценки. Идеальный энергетический баланс, необходимый для быстрого сокращения выбросов углерода в конкретном месте, может варьироваться в зависимости от многих факторов, включая наличие солнца и ветра для возобновляемых источников энергии. В связи с этим хорошим вариантом развития событий может стать всеобъемлющий, широкий "стандарт чистой энергии", - говорит Бенсон. В настоящее время, по ее словам, многие политики делают упор на "возобновляемые источники энергии" в своих формулировках, но переход к "чистой энергии" может добавить некоторую важную гибкость. "Тогда там, где возобновляемые источники энергии являются наилучшим выбором, вы будете использовать возобновляемые источники энергии, но там, где имеет смысл использовать УХУ, вы сможете это сделать", - говорит Бенсон. "Различные области будут соревноваться в том, какой способ декарбонизации будет самым дешевым и быстрым".