Прямое улавливание углекислого газа

Прямое улавливание углекислого газа (англ. Direct Air Capture, DAC) — это технологический процесс извлечения диоксида углерода (CO₂) непосредственно из атмосферного воздуха с последующим его концентрированием и утилизацией или захоронением. В отличие от традиционных методов улавливания CO₂ на точечных источниках выбросов (например, на электростанциях или цементных заводах), DAC нацелено на удаление парникового газа из фоновой атмосферы, где его концентрация составляет около 420 частей на миллион (ppm). Технология рассматривается как один из потенциальных инструментов для достижения целей Парижского соглашения по климату и компенсации исторических выбросов.

Принцип действия и основные типы

Процесс прямого улавливания включает три ключевых этапа: контакт воздуха с сорбирующим материалом (сорбентом), высвобождение чистого CO₂ из сорбента (регенерация) и финальное сжатие или химическое связывание газа. Различают два основных технологических подхода, различающихся по используемому сорбенту и условиям регенерации.

Твердофазные системы (Solid DAC)

В установках этого типа воздух продувается через фильтры или контактные камеры, содержащие твёрдый сорбент — обычно амины (органические производные аммиака), нанесённые на пористую подложку (например, цеолит или оксид алюминия). Амины химически связывают CO₂ при комнатной температуре (хемосорбция). Когда сорбент насыщается, его нагревают до температуры 80–120 °C, что приводит к десорбции концентрированного CO₂. Полученный газ затем охлаждается, осушается и сжимается для транспортировки. Основное преимущество — относительно низкое энергопотребление на стадии регенерации по сравнению с жидкофазными системами.

Жидкофазные системы (Liquid DAC)

В жидкофазных системах воздух контактирует с водным раствором сильного щелочного реагента, чаще всего гидроксида калия (KOH) или гидроксида натрия (NaOH). CO₂ из воздуха реагирует с щёлочью, образуя карбонат калия (K₂CO₃) или карбонат натрия (Na₂CO₃). Для регенерации сорбента и выделения чистого CO₂ раствор нагревают до температуры 300–900 °C в специальной печи (кальцинатор), где карбонат разлагается обратно на оксид металла и CO₂. Этот процесс требует значительно больше энергии, чем твердофазный, но позволяет использовать более дешёвые и доступные реагенты.

История развития

Концепция извлечения CO₂ из воздуха была предложена ещё в середине XX века, однако практические разработки начались лишь в 1990-х годах. В 1999 году американский учёный Клаус Лакнер (Klaus Lackner) предложил идею «искусственного дерева» — устройства, пассивно улавливающего CO₂ из ветра. Первая демонстрационная установка DAC была запущена в 2007 году компанией Global Thermostat (США).

Значительный прогресс произошёл в 2010-х годах. В 2017 году в Хинвиле (Швейцария) начала работу первая коммерческая установка DAC компании Climeworks AG под названием «Direct Air Capture Plant Hinwil». Она была рассчитана на улавливание 900 тонн CO₂ в год, причём газ продавался для использования в теплицах (для ускорения фотосинтеза растений). К 2024 году Climeworks запустила более крупный объект «Mammoth» в Исландии производительностью до 36 000 тонн CO₂ в год, где уловленный газ закачивается в базальтовые породы для минерализации (проект Carbfix).

В 2021 году в США компания Carbon Engineering (Канада) объявила о строительстве крупного завода в Техасе мощностью до 500 000 тонн CO₂ в год (завершение планировалось на 2024–2025 годы). В 2023 году Министерство энергетики США выделило 1,2 миллиарда долларов на создание двух крупных центров DAC в Техасе и Луизиане. В России прямые разработки DAC находятся на стадии лабораторных исследований и пилотных проектов, в частности, в Институте катализа им. Г. К. Борескова СО РАН и на кафедре химической технологии Санкт-Петербургского государственного технологического института.

Технико-экономические характеристики

Энергоёмкость

Процесс DAC является энергоёмким. Для твердофазных систем требуется от 1,5 до 2,5 ГДж тепловой энергии на тонну уловленного CO₂, для жидкофазных — от 5 до 10 ГДж. Кроме того, необходима электроэнергия для работы вентиляторов (прокачка воздуха) и компрессоров. Общее потребление энергии (в пересчёте на первичную) составляет от 6 до 15 ГДж на тонну CO₂. Если источником энергии является ископаемое топливо, выбросы от его сжигания могут частично или полностью нивелировать эффект улавливания. Поэтому все крупные проекты DAC стремятся использовать возобновляемые источники энергии (геотермальную, солнечную, ветровую) или избыточное тепло промышленных процессов.

Стоимость

Стоимость улавливания одной тонны CO₂ методом DAC остаётся высокой и варьируется в широких пределах в зависимости от масштаба установки, технологии и стоимости энергии. По оценкам Международного энергетического агентства (МЭА) на 2023 год, текущие затраты составляют от 250 до 600 долларов США за тонну. Ожидается, что с масштабированием и технологическим прогрессом к 2030–2040 годам стоимость может снизиться до 100–200 долларов за тонну. Для сравнения, стоимость улавливания CO₂ на точечных источниках (например, на электростанциях) составляет 40–80 долларов за тонну.

Производительность и масштаб

По состоянию на начало 2025 года суммарная мощность всех действующих установок DAC в мире составляет около 15 000 тонн CO₂ в год (менее 0,00001% от глобальных ежегодных выбросов, составляющих около 37 миллиардов тонн). Крупнейшие проекты: «Mammoth» (Climeworks, Исландия) — 36 000 т/год, «Direct Air Capture Plant» (Global Thermostat, США) — 4 000 т/год, пилотные установки Carbon Engineering в Канаде — 1 000 т/год. Для значимого влияния на климат, по оценкам учёных, к 2050 году потребуется улавливать не менее 2–5 миллиардов тонн CO₂ в год, что потребует строительства десятков тысяч установок.

Применение уловленного CO₂

Уловленный CO₂ может использоваться несколькими способами:

• Промышленное использование: в теплицах для ускорения фотосинтеза, в производстве газированных напитков, в сварке и пожаротушении. Однако эти рынки невелики (мировой объём около 250 млн тонн CO₂ в год).
• Синтез топлива: CO₂ может быть превращён в метанол, синтетическое авиационное топливо (e-fuels) или другие углеводороды с использованием водорода, полученного из возобновляемой энергии (процесс Power-to-Liquid). Такое топливо считается углеродно-нейтральным, так как CO₂, выделяемый при его сжигании, ранее был извлечён из атмосферы.
• Минерализация: закачка CO₂ в подземные геологические формации (базальты, соляные купола, истощённые нефтяные и газовые месторождения) для долговременного хранения. В Исландии проект Carbfix демонстрирует, что CO₂, растворённый в воде и закачанный в базальт, превращается в твёрдый карбонат в течение 2–5 лет.
• Увеличение нефтеотдачи (EOR): закачка CO₂ в нефтяные пласты для вытеснения остаточной нефти. Этот метод критикуется экологами, так как приводит к дополнительной добыче и сжиганию ископаемого топлива, что может свести на нет климатическую пользу улавливания.

Критика и ограничения

Технология прямого улавливания воздуха подвергается критике по нескольким направлениям:

• Высокая стоимость и низкая эффективность: по сравнению с сокращением выбросов у источника (например, переход на возобновляемую энергетику или повышение энергоэффективности) DAC остаётся дорогим и малоэффективным решением. Критики утверждают, что инвестиции в DAC могут отвлечь ресурсы от более прямых мер по декарбонизации.
• Риск «морального риска»: компании и правительства могут использовать DAC как оправдание для продолжения использования ископаемого топлива, вместо того чтобы сокращать выбросы. Это явление получило название «моральный риск» (moral hazard).
• Энергетическая и ресурсная нагрузка: для улавливания значительных объёмов CO₂ потребуется огромное количество энергии (возобновляемой) и воды (в жидкофазных системах). Оценки показывают, что для улавливания 10% глобальных выбросов потребуется около 15% мирового производства электроэнергии.
• Неопределённость долгосрочного хранения: при использовании DAC для захоронения CO₂ необходимо гарантировать безопасное хранение в течение тысяч лет. Технологии мониторинга и предотвращения утечек из геологических хранилищ ещё не полностью отработаны.

Перспективы и проекты в России

В России разработки в области DAC находятся на начальной стадии. В 2022 году в Институте катализа СО РАН (Новосибирск) был создан лабораторный прототип установки на основе твёрдого аминированного сорбента производительностью около 1 кг CO₂ в сутки. В 2023 году Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) представил проект жидкофазной установки с использованием раствора гидроксида натрия. Промышленных или коммерческих проектов DAC в России по состоянию на 2025 год не заявлено. В рамках национального проекта «Экология» и стратегии низкоуглеродного развития РФ до 2050 года прямому улавливанию воздуха отводится второстепенная роль по сравнению с лесовосстановлением и улавливанием на точечных источниках.

См. также

• Улавливание и хранение углерода
• Отрицательные выбросы
• Парниковый эффект
• Климатическая инженерия

Источники

• Международное энергетическое агентство (МЭА). «Direct Air Capture 2023», 2023.
• Национальные академии наук, инженерии и медицины США. «Negative Emissions Technologies and Reliable Sequestration: A Research Agenda», 2019.
• Keith, D. W. et al. «A Process for Capturing CO₂ from the Atmosphere». Joule, 2018, vol. 2, no. 8, pp. 1573–1594.
• Climeworks AG. «Mammoth Plant: Technical Specifications», 2024.
• Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН. «Разработка технологии прямого улавливания CO₂ из воздуха», 2022.
• IPCC (Межправительственная группа экспертов по изменению климата). «Special Report on Global Warming of 1.5 °C», 2018.