Биоэнергетика с улавливанием и хранением углерода

Биоэнергетика с улавливанием и хранением углерода (англ. Bioenergy with Carbon Capture and Storage, BECCS) — это технологический процесс, сочетающий использование биомассы для производства энергии (тепловой, электрической или в виде топлива) с последующим улавливанием образующегося диоксида углерода (CO₂) и его долгосрочным хранением в геологических формациях. Ключевой особенностью BECCS является способность не только снижать выбросы парниковых газов, но и обеспечивать отрицательный уровень выбросов (net-negative emissions), поскольку углерод, поглощённый растениями в процессе фотосинтеза, не возвращается в атмосферу, а изолируется в недрах. Технология рассматривается как один из важных инструментов для достижения целей Парижского соглашения по климату и сдерживания глобального потепления в пределах 1,5–2 °C.

Принцип действия

BECCS объединяет три основных этапа: выращивание и сбор биомассы, её преобразование в энергию с выделением CO₂, и улавливание этого CO₂ с последующим захоронением.

Этап 1: Производство биомассы

Биомасса для BECCS может быть получена из различных источников:

• Энергетические культуры (например, быстрорастущие породы деревьев — ива, тополь, мискантус, просо прутьевидное).
• Сельскохозяйственные отходы (солома, стебли кукурузы, лузга подсолнечника).
• Лесные отходы (опилки, щепа, ветви).
• Органическая фракция твёрдых коммунальных отходов.

В процессе роста растения поглощают CO₂ из атмосферы в ходе фотосинтеза, связывая углерод в своей биомассе.

Этап 2: Преобразование биомассы в энергию

Биомасса сжигается или подвергается газификации на электростанциях, теплоэлектроцентралях или в промышленных установках. В результате образуется тепловая или электрическая энергия, а также поток дымовых газов, содержащий CO₂. Альтернативные пути — производство биотоплива (например, биоэтанола или биодизеля) с последующим сжиганием, при котором также выделяется CO₂.

Этап 3: Улавливание и хранение углерода

CO₂ отделяется от других компонентов дымовых газов (азота, водяного пара, кислорода) с помощью одной из технологий улавливания. После сжатия до жидкого или сверхкритического состояния CO₂ транспортируется по трубопроводам или танкерам к месту хранения и закачивается в глубокие геологические формации: истощённые нефтяные и газовые месторождения, глубокие солёные водоносные горизонты или базальтовые породы, где он минерализуется или остаётся в пористой среде.

Технологии улавливания углерода

Для BECCS используются те же методы улавливания CO₂, что и в промышленности (CCS — Carbon Capture and Storage):

• Постсжигательное улавливание (Post-combustion capture) — CO₂ извлекается из дымовых газов после сжигания топлива. Наиболее распространённый метод — химическая абсорбция растворами аминов (например, моноэтаноламина). Применим для существующих электростанций, работающих на биомассе.
• Предсжигательное улавливание (Pre-combustion capture) — биомасса сначала газифицируется с получением синтез-газа (CO + H₂), затем CO конвертируется в CO₂ и водород, после чего CO₂ отделяется, а водород используется для выработки энергии.
• Сжигание в чистом кислороде (Oxy-fuel combustion) — биомасса сжигается в смеси кислорода и рециркулируемого CO₂ вместо воздуха. Это даёт высококонцентрированный поток CO₂ (до 90–95%), что упрощает его улавливание.

История и развитие

Идея сочетания биоэнергетики с улавливанием углерода впервые была предложена в научной литературе в 1990-х годах. В 2000-х годах концепция BECCS начала активно обсуждаться в контексте сценариев стабилизации климата. В 2018 году Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) в своём специальном докладе о глобальном потеплении на 1,5 °C указала, что большинство модельных сценариев, позволяющих достичь этой цели, предполагают масштабное применение технологий отрицательных выбросов, включая BECCS.

Первые промышленные проекты BECCS начали реализовываться в 2010-х годах. Крупнейшим действующим объектом является электростанция «Дрейкс» (Drax) в Великобритании, где с 2019 года проводится пилотное улавливание CO₂ на одном из энергоблоков, работающих на биомассе. В 2021 году в Швеции была запущена установка BECCS на теплоэлектроцентрали в Стокгольме (проект Stockholm Exergi). В США проекты BECCS реализуются в штатах Иллинойс и Канзас (например, проект ADM с улавливанием CO₂ на заводе по производству биоэтанола).

В России технология BECCS находится на стадии научных исследований и предпроектных проработок. Отсутствие коммерческих проектов связано с экономическими и инфраструктурными ограничениями, а также с неопределённостью в вопросах регулирования хранения CO₂.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Отрицательные выбросы CO₂ — основной аргумент в пользу BECCS. Технология позволяет не только сократить текущие выбросы, но и удалить из атмосферы ранее накопленный углерод.
• Совместимость с существующей инфраструктурой — электростанции на биомассе могут быть модернизированы системами улавливания CO₂.
• Производство возобновляемой энергии — биомасса считается возобновляемым источником энергии при условии устойчивого управления ресурсами.
• Потенциал для синергии с другими отраслями — например, использование CO₂ для повышения нефтеотдачи пластов (Enhanced Oil Recovery, EOR), хотя это частично нивелирует климатический эффект.

Недостатки и критика

• Высокая стоимость — улавливание, транспортировка и хранение CO₂ требуют значительных капитальных и эксплуатационных затрат, что делает BECCS экономически неконкурентоспособным без государственных субсидий или углеродных кредитов.
• Землепользование и конкуренция с продовольствием — масштабное выращивание энергетических культур может привести к вытеснению сельскохозяйственных угодий, обезлесению и росту цен на продовольствие. По оценкам, для достижения значимого климатического эффекта BECCS потребуются миллионы гектаров земли.
• Энергетический баланс — на выращивание, сбор и транспортировку биомассы, а также на работу систем улавливания тратится значительное количество энергии, что снижает общий КПД процесса.
• Риски хранения CO₂ — возможны утечки CO₂ из геологических хранилищ, что сведёт на нет климатическую выгоду. Требуется долгосрочный мониторинг.
• Экологические последствия — интенсивное выращивание монокультур может снижать биоразнообразие, а использование удобрений и пестицидов — загрязнять водоёмы.
• Неопределённость в учёте углерода — сложно точно измерить, сколько CO₂ было фактически поглощено биомассой и сколько будет удержано при хранении.

Применение и перспективы

BECCS рассматривается в основном как элемент долгосрочных климатических стратегий. В сценариях МГЭИК к 2050 году предполагается улавливание от 0,5 до 10 гигатонн CO₂ в год с помощью BECCS. Однако на практике масштабы внедрения пока ничтожны: по состоянию на 2023 год суммарная мощность проектов BECCS составляла менее 2 миллионов тонн CO₂ в год.

Основные направления применения:

• Электроэнергетика — модернизация существующих ТЭС на биомассе.
• Производство биотоплива — улавливание CO₂ на заводах по выпуску биоэтанола (например, в США).
• Целлюлозно-бумажная промышленность — улавливание CO₂ на заводах, сжигающих чёрный щёлок.
• Теплоснабжение — установка систем улавливания на теплоэлектроцентралях, работающих на древесной щепе.

Перспективы развития BECCS связаны с совершенствованием технологий улавливания, снижением затрат, созданием инфраструктуры для транспортировки и хранения CO₂, а также с разработкой международных механизмов учёта отрицательных выбросов. Критики указывают, что ставка на BECCS может отвлекать ресурсы от прямого сокращения выбросов ископаемого топлива и что реальный вклад технологии в климатическую повестку остаётся спорным.

Источники

• Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК). Специальный доклад о глобальном потеплении на 1,5 °C (2018).
• Global CCS Institute. Global Status of CCS Reports (2020–2023).
• Fajardy, M., Mac Dowell, N. (2017). «Can BECCS deliver sustainable and resource efficient negative emissions?». Energy & Environmental Science.
• Smith, P., et al. (2016). «Biophysical and economic limits to negative CO₂ emissions». Nature Climate Change.
• Vaughan, A. (2021). «What is BECCS? The climate tech that sucks carbon from the air». New Scientist.
• Институт энергетических исследований РАН. Аналитические обзоры по технологиям улавливания и хранения углерода (2022).