Об изменении климата думают все на этой неделе, когда мировые лидеры собираются на Конференцию ООН по изменению климата 2021 года COP26 в Глазго.
В отрасли много говорят о том, может ли применение контр-углеродных технологий и методов, таких как хранение углерода, улавливание углерода, преобразование углерода и секвестрация углерода, оказать значительное влияние на удаление двуокиси углерода, самого большого парникового газа, выбрасываемого сегодня.
Вот краткий обзор того, что означают эти термины, каково текущее состояние технологии и как они будут выглядеть на практике.
Улавливание углерода
Под улавливанием углерода чаще всего понимается процесс удаления углекислого газа из различных источников, таких как дымовые трубы электростанций, работающих на ископаемом топливе - угле, нефти или газе, а также из производственных и промышленных объектов.
Улавливание также относится к удалению углекислого газа непосредственно из атмосферы, что называется удалением углекислого газа (CDR) или прямым улавливанием воздуха (DAC).
Однако дымовые газы, выходящие из дымовой трубы электростанции или промышленного предприятия, содержат гораздо большее количество углерода - от 10 до 15 процентов углекислого газа. Между тем, концентрация углекислого газа в общей атмосфере составляет от 400 до 450 ppm (частей на миллион), или около 0,04 процента.
"В атмосфере у нас есть углекислый газ, о котором мы беспокоимся, который значителен с точки зрения влияния на радиационное воздействие и потепление климата. Но он очень разбавлен с точки зрения улавливания", - говорит Гарри Этуотер, профессор прикладной физики и материаловедения Калифорнийского технологического института. "Поэтому людям приходится разрабатывать изобретательные методы улавливания и последующей концентрации углекислого газа в виде чистого потока".
Швейцарская компания Climeworks, например, является одной из ведущих компаний в области улавливания углерода. По всей Европе существует более десятка установок прямого улавливания воздуха, которые с помощью машин, похожих на вентиляторы, отфильтровывают углекислый газ из воздуха, а затем нагревают уловленные молекулы, чтобы закачать их под землю.
Другая компания, например, Carbon Engineering, туманит основной химикат, такой как гидроксид калия, чтобы связать и вытянуть углекислый газ (который является кислотой) из воздуха.
"Существует множество технологий для прямого улавливания воздуха, которые находятся в стадии разработки. Существует также улавливание углекислого газа из океанов", - говорит Этуотер, как и проект ARPA-E, над которым он работает и который получил финансирование от Министерства энергетики.
В нескольких отчетах Национальных академий указывается, что технологии, активно удаляющие углекислый газ из атмосферы, необходимо серьезно рассматривать как одно из многих решений по борьбе с изменением климата.
"Была проведена большая работа по отделению углекислого газа от других газов", - говорит Питер Келемен, профессор наук о Земле и окружающей среде Колумбийского университета. "После того, как он у вас есть, его, конечно, нужно где-то хранить".
Секвестрация и хранение углерода
С точки зрения Келемена, хранение и секвестрация "практически синонимы", за исключением того, что секвестрация используется в тех случаях, когда хранение углекислого газа является "по существу постоянным" с помощью таких методов, как геологическое хранение. Например, норвежский проект Sleipner в Северном море хранит плотную углекислотную жидкость под давлением в поровом пространстве под морским дном, говорит Келемен.
Однако у подземной секвестрации углерода есть один существенный недостаток: основной рынок для этой технологии - это расширенная добыча ископаемого топлива, отмечает Этуотер, где компании хотят закачивать углекислый газ под давлением в существующие нефтяные и газовые резервуары, чтобы получить больше продукта.
Например, кто-то из специалистов по расширенному гидроразрыву пласта может утверждать, что они являются чистым углеродным негативом, поскольку технически они берут углекислый газ из воздуха и закачивают его под землю. "Но, конечно, они также увеличивают извлечение метана, который является парниковым газом, а затем углекислого газа", - говорит он. Поэтому важный вопрос, который необходимо всегда задавать, - является ли весь процесс, который использует компания, чисто углеродно-отрицательным, положительным или нейтральным".
Исландия использует комбинированную технологию компаний Climeworks и CarbFix, чтобы не только улавливать углекислый газ и закачивать его под землю, но и постоянно хранить его в виде твердых частиц. Эти углеродсодержащие минералы, в основном "карбонаты", такие как кальцит и магнезит, могут хранить углекислый газ в течение тысяч лет.
"Если существуют благоприятные пласты, которые позволяют перевести секвестрированный углекислый газ в твердую форму, то это делает его гораздо более геологически стабильным, и мы можем сказать, что он был надежно секвестрирован без особого страха или опасения, что он снова будет выброшен обратно", - говорит Этуотер. "CarbFix удалось понять реакцию между закачиваемым диоксидом углерода в минеральные пласты для создания стабильных карбонатов".
Простое захоронение лишнего углерода под землей имеет меньше смысла, чем связывание углекислого газа в товарный продукт, имеющий экономическую ценность, говорит Этуотер. К счастью, многие компании и ученые пошли по этому пути. Многие исследователи рассматривали возможность встраивания твердых форм углерода в строительные материалы, такие как сталь и цемент, которые и без того являются отраслью с высоким уровнем выбросов, говорит Этуотер. "Что, если бы мы могли взять углекислый газ, выделяемый при синтезе строительных материалов в прошлом, и превратить его обратно в материалы, которые мы могли бы использовать, например, в композиты из углеродного волокна и другие формы углерода с более благоприятными свойствами", - добавляет он. "Это была бы бессрочная форма хранения".
В отличие от твердого хранения углерода, существует еще один тип менее неопределенной формы хранения углерода: в виде топлива.
Ископаемое топливо, такое как бензин (вид жидких углеводородов), соединяется с кислородом и проходит реакцию сгорания в наших автомобилях, в результате чего образуются углекислый газ и вода. Многие ученые пытаются найти способ запустить эту реакцию в обратном направлении, получая углекислый газ и воду и превращая их обратно в топливо и кислород.
Этуотер и Калифорнийский технологический институт входят в Альянс по жидкому солнечному свету, финансируемый Министерством энергетики, цель которого - выяснить, как использовать солнечную энергию для обратной реакции образования топлива. Большим плюсом этого метода будет возможность повторного использования топлива в таких сложных для декарбонизации отраслях, как авиация, судоходство и производство стали.
"Это может быть реактивное топливо, которое можно перерабатывать [и затем] повторно использовать в самолетах. Оно было бы безуглеродным в том смысле, что вы бы уравновесили преобразование углекислого газа в топливо и сжигание топлива в углекислый газ", - говорит Этуотер. "Это был бы способ производства возобновляемого реактивного топлива, и в этом заинтересованы многие авиакомпании".
Эта идея уже успешно реализуется. Базирующаяся в районе залива компания под названием Twelve (названная в честь атомной массы углерода в периодической таблице) работает над преобразованием углекислого газа обратно в топливо. Немецкая компания под названием Atmosfair также занимается производством синтетического авиационного топлива, нейтрального по содержанию углекислого газа, комбинируя водород, вырабатываемый ветряными турбинами, с уловленным углекислым газом (ее первый клиент - компания Lufthansa).
Стоимость углерода
В течение следующих нескольких лет экспертам предстоит взвесить все за и против некоторых из имеющихся у нас вариантов очистки атмосферы от углекислого газа.
Даже такие традиционные методы, как посадка лесов и создание естественной биомассы для хранения углерода, могут быть сложными для реализации и поддержания. "Лесовосстановление в развивающихся странах является политически и этически проблематичным, потому что люди, которые вырубили деревья, сделали это не просто так и могут владеть землей", - говорит Келемен. "Лесоразведение и производство биотоплива проблематичны, потому что они конкурируют с производством продуктов питания за пахотные земли".
Кроме того, новые леса поглощают значительное количество углерода только в период роста леса или ламинарии в океане, объясняет Келемен. "Как только они достигают "устойчивого состояния" (например, зрелый лес), скорость поглощения углекислого газа в результате роста не намного превышает скорость выбросов углекислого газа в результате дыхания живых растений и разложения "мертвой" биомассы".
Чтобы сохранить большой лесной поглотитель углерода, растения необходимо постоянно собирать и защищать от разложения.
Между тем, огромной проблемой для технологии улавливания и секвестрации углерода является цена. "Если вы собираетесь просто секвестрировать углерод, это требует от граждан и лидеров развитых индустриальных обществ согласия на введение налогов, чтобы покрыть расходы на хранение этого углерода", - говорит Этуотер. "На данный момент не существует всемирно согласованной цены за тонну углерода, что является одной из проблем".
Хотя рынки углеродных кредитов появляются в корпоративном секторе, в настоящее время существует разрыв между спросом и возможностями методологий хранения. "У нас просто нет достаточного количества технологий для удовлетворения спроса. Мы находимся в странной ситуации", - говорит Этуотер. "Буквально гигатонны спроса на углеродные кредиты, а мощностей всего килотонны".
Большинство антиуглеродных технологий находятся в зачаточном состоянии. Также отсутствует крупномасштабная инфраструктура, поддерживающая их рост и расширение. "Углеродные технологии, если вы не собираетесь просто закачивать углекислый газ под землю, который вы улавливаете, должны создавать новые продукты, такие как топливо, специальные химикаты и материалы", - говорит Этуотер. "Крупные рынки - это рынки топлива, цемента и стали. Это те вещи, которые мы производим в масштабах гигатонн".
Эти методы иногда окутаны спорами - в частности, потому, что многие утверждают, что улавливание и хранение позволяют компаниям, добывающим ископаемое топливо, снять с крючка свои гигантские углеродные следы. Этуотер говорит, что "для достижения устойчивого уровня углерода в атмосфере ниже нынешнего и возвращения к доиндустриальному уровню, нам необходимо декарбонизировать и электрифицировать все, что мы можем". Но для отраслей, которые "практически невозможно декарбонизировать", хранение открывает возможность использовать эти выбросы с пользой.