Уловимый углерод: как сокращают выбросы углекислого газа

Тепло- и электростанции, предприятия по производству товаров, транспорт, сельское хозяйство, добыча и переработка ископаемого топлива... Всё это источники выбросов углекислого газа (СО2) — одного из парниковых газов, который ускоряет изменение климата. Рассказываем, какие технологии улавливания, использования и хранения углерода (Carbon capture, utilisation and storage, CCUS) придумали учёные и как происходит этот процесс.

Как улавливают углекислый газ

В атмосферу попадает смесь парниковых газов: углекислый газ (CO2), метан (CH4), озон (O3), закись азота (N2O), фторированные газы и водяной пар (H2O). Поэтому основная задача технологий — уловить именно CO2. Для этого смесь газов «связывают» с абсорбентом, который захватывает из неё только один — углекислый. После этого идёт процесс десорбции — обратного «освобождения» CO2.

Освобождённый углекислый газ либо используется в производстве топлива, химикатов или строительных материалов, но уже в качестве сырья, либо захоранивается.

При захоронении газ закачивается туда, откуда появилось ископаемое топливо: в подземные пустоты, образовавшиеся после добычи нефти и газа. У подземных хранилищ есть как плюсы, так и минусы. С одной стороны, их на планете уже довольно много, места для газа хватит на сотни лет. С другой стороны, они находятся далеко от промышленных центров. Например, на морском шельфе встаёт вопрос доставки газа к хранилищам. Но тем не менее это самое доступное на нынешнем витке развития технологий место.

Какие есть технологии улавливания

Улавливать газ учёные умеют как на предприятиях, так и напрямую из атмосферы. Второе основное отличие технологий как раз заключается в том, чем именно поглощается СО2: аминовыми растворами, активированным углём, глубоководными бактериями и т. д.

Аминовая очистка газа

Самая широко используемая технология улавливания СО2 основана на производных аммиака — аминах. Кроме углекислоты с помощью аминов можно удалить ещё и ядовитый сероводород.

Выхлопной газ пропускается через водный раствор аминов, где с ними связываются молекулы, а в другой перегонной колонне обогащённый амин очищается от газов. Их отводят на дальнейшую транспортировку и хранение, а амин возвращается в первую колонну.

Плюс технологии в том, что она хорошо отработана. Изначально её разработали, чтобы очищать ископаемый природный газ, потому что СО2 и сероводород ускоряют коррозию трубопроводов.

Проблема же заключается в том, что амины в системе нельзя использовать бесконечно. Рано или поздно возникает необходимость где-то утилизировать их образующиеся токсичные соли.

Аминовые растворы можно заменить метанолом, гидроксидами натрия и калия, ортосиликатом лития и прочими. С низкой эффективностью, но можно использовать даже воду. Всё это абсорбция — поглощение газа раствором.

Ещё один метод — адсорбция. Это поглощение газа твёрдым веществом. Например, активированным углём, негашёной известью, оксидом кальция и другими.

Очистка с помощью мембраны

Есть и принципиально иной подход. Возможности управлять веществом на молекулярном уровне позволяют создавать тонкие мембраны, которые пропускают только молекулы определённого газа. Подобные фильтры используются уже десятки лет, например, для очистки воздуха во время космических полётов. Системы регенерации воздуха на космических станциях удаляют углекислый газ, который выдыхают космонавты. Правда, до промышленных масштабов и доступных цен этой технологии ещё далеко.

Биотехнологии

Как ни странно, но можно буквально заглянуть внутрь себя, чтобы решить глобальную проблему. Ведь организм каждого человека улавливает углекислый газ в крови, чтобы вывести из крови и тканей. Происходит это с помощью фермента карбоангидразы. Он поглощает СО2 и преобразуют его в бикарбонат, из которого можно сделать обычную соду или даже просто мел.

Таким же ферментом обладают бактерии Thiomicrospira crunogena, обитающие на больших глубинах возле гидротермальных источников, которые были открыты несколько лет назад.

В перспективе ГМО-микроорганизмы смогут производить фермент в промышленных масштабах и им можно будет заменить токсичные амины.

Факт

Деревья тоже улавливают углерод и хранят его в себе. Но во время лесных пожаров и вырубки он попадает в атмосферу. Другие интересные факты о деревьях читайте тут.

Прямой захват воздуха (DAC)

Дорогой (примерно $1 тыс. за 1 т CO2), но эффективный способ — это откачка углекислого газа методом прямого захвата воздуха. С его помощью CO2 извлекают прямо из атмосферы.

Такую технологию используют, например, в Исландии. В 2024 году там заработала крупнейшая в мире установка по улавливанию углекислого газа. Пока заводы стартапа Climeworks есть только в Исландии, но вскоре похожие станции появятся в Норвегии, Кении и Канаде.

Факт

Всего в мире улавливают и хранят углекислый газ 45 установок. За год они удаляют или не позволяют попасть в атмосферу 50 млн т CO2. Для сравнения: выбросы CO2 в Болгарии в 2022 году тоже составили 50 млн т.

Плюсы и минусы улавливания

Пока что существующие технологии улавливания углерода не способны сделать все дымящие производства чистыми. Даже тщательно проработанная аминовая очистка применяется в основном во время добычи ископаемых, а на объектах, где ископаемые сжигают, она считается слишком дорогой.

Улавливание и хранение само по себе требует энергии, а значит, дополнительных выбросов. Может получиться так, что в сумме выбросы парниковых газов лишь увеличатся.

Другое направление критики заключается в том, что улавливание CO2 лишь отвлекает от основной цели — сокращения добычи ископаемых.

С каждым годом инженеры изобретают всё новые способы сохранения природы. В 2023 году российские учёные научились отслеживать пожары по наноспутникам, оживлять древних червей и очищать воздух специальной краской. Какие ещё экооткрытия сделали в прошлом году — читайте в нашем материале.