Carbon Capture and Storage

Улавливание и хранение углерода (англ. Carbon Capture and Storage, CCS; также — секвестрация углерода) — это совокупность технологических процессов, направленных на отделение диоксида углерода (CO₂) от промышленных и энергетических источников выбросов, его сжатие, транспортировку и последующее долгосрочное изолирование в геологических формациях с целью предотвращения попадания в атмосферу. CCS рассматривается как один из инструментов смягчения последствий изменения климата, позволяющий сократить антропогенные выбросы парниковых газов от крупных стационарных источников.

История

Идея изоляции CO₂ в геологических структурах впервые была предложена в 1970-х годах. Первый крупный проект по закачке CO₂ в подземные пласты был реализован в 1972 году на месторождении Шэрон-Ридж (США) в рамках программы повышения нефтеотдачи пластов (EOR). Однако систематические исследования CCS как метода борьбы с изменением климата начались в 1990-х годах. В 1996 году был запущен проект «Слейпнер» (Норвегия) — первая в мире промышленная установка по закачке CO₂ в солёный водоносный горизонт под дном Северного моря. В 2005 году Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) опубликовала специальный доклад, в котором CCS была признана технологически зрелым и потенциально значимым методом снижения выбросов.

В 2010-х годах началось строительство первых крупных интегрированных проектов CCS, включая проект «Горген» (Норвегия, 2012) и «Куинсленд Карбон» (Австралия, 2015). К 2024 году в мире действовало около 40 коммерческих проектов CCS общей мощностью улавливания порядка 50 млн тонн CO₂ в год.

Технологический процесс

CCS включает три основных этапа: улавливание, транспортировку и хранение.

Улавливание

Улавливание CO₂ может осуществляться несколькими методами, выбор которых зависит от типа источника и концентрации газа:

• Постсжигательное улавливание — наиболее распространённый метод для электростанций и промышленных предприятий. CO₂ извлекается из дымовых газов после сжигания топлива с использованием химических абсорбентов (например, аминов). Эффективность достигает 90–95 %.
• Предсжигательное улавливание — применяется на установках газификации (IGCC). Топливо (уголь, природный газ) предварительно конвертируется в синтез-газ (CO + H₂), из которого затем выделяется CO₂, а водород используется как чистое топливо.
• Оксифюэльное сжигание — сжигание топлива в атмосфере чистого кислорода вместо воздуха. В результате образуется концентрированный поток CO₂ и водяного пара, что упрощает его выделение.
• Химическое циклирование — перспективная технология, использующая твёрдые оксиды металлов для переноса кислорода, что позволяет получать CO₂ высокой чистоты без дополнительного разделения.

Транспортировка

Уловленный CO₂ сжимается до сверхкритического состояния (давление выше 73,8 бар, температура выше 31,1 °C) и транспортируется по трубопроводам, реже — танкерами или автоцистернами. Протяжённость трубопроводов для CO₂ в мире превышает 8 000 км, в основном в США (сеть для EOR). В России действует магистральный трубопровод «Куйбышев — Тольятти» (протяжённость около 200 км), используемый для транспортировки CO₂ на завод по производству карбамида.

Хранение

Хранение CO₂ осуществляется в геологических формациях на глубине от 800 до 3 000 метров. Основные типы хранилищ:

• Солёные водоносные горизонты — пористые породы, насыщенные солёной водой (например, песчаники). Считаются наиболее перспективными из-за большой ёмкости (оценки глобального потенциала — до 10 000 Гт CO₂).
• Истощённые нефтяные и газовые месторождения — уже изученные и герметичные структуры, где ранее находились углеводороды. Используются как для хранения, так и для повышения нефтеотдачи (EOR).
• Угольные пласты — CO₂ может адсорбироваться углём, вытесняя метан (ECBM — enhanced coal bed methane recovery).

Для предотвращения утечек применяются мониторинг (сейсмические исследования, анализ проб воды, спутниковые данные) и моделирование поведения CO₂ в пласте.

Применение

CCS применяется в следующих отраслях:

• Энергетика — улавливание CO₂ на угольных и газовых электростанциях. Крупнейший проект — «Горген» (Норвегия), улавливающий около 1 млн тонн CO₂ в год с завода по сжижению природного газа.
• Цементная промышленность — производство цемента является одним из крупнейших источников технологических выбросов CO₂ (около 8 % глобальных). Проект «Бревик» (Норвегия, с 2024 года) — первая в мире установка CCS на цементном заводе.
• Нефтегазовая промышленность — улавливание CO₂ при переработке природного газа (например, на месторождении «Снорре» в Норвегии) и использование для EOR.
• Химическая промышленность — производство аммиака, водорода и метанола, где CO₂ является побочным продуктом.
• Металлургия — улавливание CO₂ в доменных печах (проект «Хамагами» в Японии).

Экономические аспекты

Основным барьером для широкого внедрения CCS является высокая стоимость. Затраты на улавливание составляют 50–80 % от общих расходов проекта и варьируются от 30 до 120 долларов США за тонну CO₂ в зависимости от источника и технологии. Транспортировка и хранение добавляют 10–30 долларов. Для сравнения, стоимость выбросов на углеродных рынках (например, в Европейской системе торговли квотами) в 2023–2024 годах колебалась в диапазоне 60–100 евро за тонну.

Государственная поддержка CCS осуществляется через налоговые льготы (в США — секция 45Q, предоставляющая до 85 долларов за тонну захороненного CO₂), гранты и субсидии (например, программа «Инновационный фонд» ЕС). В России в 2023 году была принята «Стратегия развития низкоуглеродной энергетики», предусматривающая создание полигонов CCS.

Критика и ограничения

CCS подвергается критике по нескольким причинам:

• Энергетические затраты — улавливание CO₂ требует значительного расхода энергии (до 30 % от мощности электростанции), что снижает общий КПД и увеличивает потребление топлива.
• Риски утечек — хотя вероятность катастрофических утечек оценивается как низкая, медленные утечки могут свести на нет климатический эффект. Мониторинг требует длительного (сотни лет) наблюдения.
• Экологические последствия — закачка CO₂ может вызывать сейсмическую активность (микроземлетрясения) и загрязнение подземных вод.
• Моральная проблема — критики утверждают, что CCS отвлекает инвестиции от возобновляемой энергетики и энергоэффективности, продлевая жизнь ископаемому топливу.
• Ограниченная ёмкость — глобальный потенциал хранения оценён в 10–20 Гт CO₂ в год, что значительно меньше текущих выбросов (около 37 Гт в год).

Альтернативные подходы

Помимо CCS, существуют технологии улавливания и использования углерода (CCU — Carbon Capture and Utilisation), где CO₂ перерабатывается в полезные продукты (топливо, полимеры, строительные материалы). В отличие от CCS, CCU не обеспечивает долгосрочного хранения, так как CO₂ может быть снова высвобожден при использовании продукта.

Прямой захват из воздуха (DAC — Direct Air Capture) — технология извлечения CO₂ непосредственно из атмосферы, а не из дымовых газов. В сочетании с хранением (DACCS) она позволяет создавать «отрицательные выбросы», но пока значительно дороже CCS (400–600 долларов за тонну).

Проекты в России

В России CCS находится на начальной стадии. В 2023 году «Газпром» запустил пилотный проект по закачке CO₂ в истощённое газовое месторождение на Ямале. В 2024 году началось строительство полигона CCS в Красноярском крае на базе Ачинского нефтеперерабатывающего завода. Также действует проект по улавливанию CO₂ на заводе «Метафракс» (Пермский край) с использованием в производстве карбамида.

Источники

• IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage, 2005.
• Global CCS Institute, «Global Status of CCS 2024».
• IEA, «CCUS in Clean Energy Transitions», 2023.
• Стратегия развития низкоуглеродной энергетики Российской Федерации, 2023.
• «Carbon Capture and Storage: A Review of Recent Advances», Journal of Cleaner Production, 2022.