Прямое улавливание углерода из воздуха

Прямое улавливание углерода из воздуха (англ. Direct Air Capture, DAC) — это технологический процесс извлечения диоксида углерода (CO₂) непосредственно из атмосферного воздуха с помощью химических или физических методов. В отличие от улавливания CO₂ на источниках выбросов (например, на электростанциях или цементных заводах), DAC позволяет снижать концентрацию парникового газа, уже накопленного в атмосфере, что делает её потенциальным инструментом для борьбы с изменением климата и достижения целей Парижского соглашения. Полученный CO₂ может быть либо захоронен в геологических формациях (метод CCS — Carbon Capture and Storage), либо использован в промышленности (метод CCU — Carbon Capture and Utilization), например, для синтеза синтетического топлива, производства полимеров или газификации напитков.

История

Ранние идеи и концепции

Идея извлечения CO₂ из воздуха возникла в середине XX века. В 1950-х годах учёные, работавшие над системами жизнеобеспечения для подводных лодок и космических аппаратов, разработали методы удаления углекислого газа из замкнутых пространств. Однако масштабное применение этих технологий для атмосферного воздуха долгое время считалось экономически нецелесообразным из-за низкой концентрации CO₂ (около 0,04 % по объёму) по сравнению с выхлопными газами (10–15 %).

Первые коммерческие проекты

В 2000-х годах интерес к DAC возрос на фоне осознания недостаточности мер по снижению выбросов. В 2009 году была основана компания Carbon Engineering (Канада), которая начала разработку технологии на основе щелочных растворов. В 2015 году швейцарская компания Climeworks запустила первый в мире коммерческий завод DAC в Хинвиле (Швейцария), который улавливал до 900 тонн CO₂ в год для использования в теплицах. В 2017 году в Исландии был введён в эксплуатацию завод Carbfix, интегрированный с геологическим захоронением CO₂ в базальтовых породах.

Современное состояние

К 2024 году в мире действовало около 20 установок DAC, совокупная мощность которых превышала 10 000 тонн CO₂ в год. Крупнейшим проектом стал завод Orca (Исландия, 2021 год) компании Climeworks, способный улавливать до 4000 тонн CO₂ в год. В 2023 году началось строительство завода Mammoth (Исландия) мощностью 36 000 тонн в год. В США Министерство энергетики выделило 3,5 миллиарда долларов на создание региональных центров DAC. В России проекты в области DAC находятся на стадии лабораторных исследований и пилотных установок, в частности, разработки ведутся в Институте катализа имени Г. К. Борескова СО РАН.

Технологические принципы

Химические методы

Большинство существующих установок DAC основаны на химической сорбции — поглощении CO₂ из воздуха с помощью жидких или твёрдых реагентов.

Жидкостные системы (например, технология Carbon Engineering) используют водный раствор гидроксида калия (KOH) или натрия (NaOH). Воздух продувается через контактную колонну, где CO₂ реагирует с щёлочью, образуя карбонат калия (K₂CO₃). Затем раствор нагревается до 300–900 °C в кальцинаторе, что приводит к выделению чистого CO₂ и регенерации щёлочи. Основные недостатки — высокое энергопотребление (до 8–10 ГДж на тонну CO₂) и коррозия оборудования.

Твёрдые сорбенты (технология Climeworks) используют фильтры на основе аминов (например, полиэтиленимина) или цеолитов. Воздух пропускается через фильтр при комнатной температуре; CO₂ связывается с сорбентом. Для регенерации фильтр нагревается до 80–120 °C, выделяя концентрированный CO₂. Этот метод требует меньше энергии (5–7 ГДж/т), но сорбенты постепенно деградируют под действием кислорода и влаги.

Физические методы

К физическим методам относится криогенное разделение (охлаждение воздуха до температуры конденсации CO₂, около −78 °C) и мембранная фильтрация. Однако из-за низкой концентрации CO₂ эти подходы пока остаются экспериментальными и энергозатратными.

Энергетические и экономические аспекты

Энергопотребление

Основной проблемой DAC является высокое потребление энергии. Для улавливания одной тонны CO₂ требуется от 5 до 10 ГДж тепла (в зависимости от технологии) и 0,5–1 МВт·ч электроэнергии. Если энергия поступает из ископаемых источников, выбросы CO₂ от её производства могут свести на нет экологический эффект. Поэтому все крупные проекты DAC используют возобновляемые источники энергии (геотермальную, солнечную, ветровую) или избыточное тепло промышленных процессов.

Стоимость

Стоимость улавливания одной тонны CO₂ методом DAC в 2024 году оценивалась в 250–600 долларов США, что значительно выше, чем улавливание на источниках (30–100 $/т) или естественные методы (лесовосстановление, управление почвами — 10–50 $/т). Прогнозы Международного энергетического агентства (МЭА) предполагают снижение стоимости до 100–200 $/т к 2030 году за счёт масштабирования и технологических улучшений.

Применение уловленного CO₂

Геологическое захоронение (CCS)

Наиболее перспективный с климатической точки зрения вариант — закачка CO₂ в глубокие геологические формации (солевые водоносные горизонты, истощённые нефтегазовые месторождения). В Исландии проект Carbfix использует реакцию CO₂ с базальтовыми породами, в результате которой углекислый газ минерализуется в карбонаты в течение нескольких лет.

Промышленное использование (CCU)

Уловленный CO₂ применяется в качестве сырья:

• Синтетическое топливо: с помощью электролиза CO₂ и воды получают синтез-газ (CO + H₂), из которого синтезируют метанол, керосин или дизель. Такое топливо считается углеродно-нейтральным, если энергия для электролиза получена из возобновляемых источников.
• Полимеры: CO₂ используется в производстве поликарбонатов, полиуретанов и полиолов (например, технология компании Covestro).
• Пищевая промышленность: CO₂ применяется для газирования напитков, в теплицах для ускорения роста растений (карбонизация), а также в холодильных установках.

Критика и ограничения

Экологическая эффективность

Критики DAC указывают, что масштабное внедрение технологии может отвлекать ресурсы от прямого сокращения выбросов (энергоэффективность, переход на ВИЭ). По оценкам, для улавливания 10 % глобальных выбросов CO₂ (около 3,5 млрд тонн в год) потребовалось бы построить сотни тысяч установок, что сопряжено с огромными затратами материалов, земли и энергии. Кроме того, процесс улавливания не решает проблему других парниковых газов (метан, оксид азота).

Риски и неопределённости

• Долговременное хранение: при CCS существует риск утечки CO₂ из хранилищ, что может свести на нет усилия по улавливанию.
• Энергетический парадокс: если DAC питается от угольных или газовых электростанций, выбросы могут превышать уловленный объём.
• Экономическая зависимость: коммерческая жизнеспособность DAC во многом зависит от государственных субсидий и углеродных кредитов (например, в США — налоговый кредит 45Q, составляющий до 180 $/т).

Крупнейшие проекты

Перспективы развития

Международное энергетическое агентство (МЭА) в сценарии Net Zero by 2050 предполагает, что к 2050 году DAC будет улавливать около 1 млрд тонн CO₂ в год. Для этого необходимо снизить стоимость технологии до 50–100 $/т и построить тысячи установок. В России Институт катализа СО РАН и компания «Сибур» ведут исследования по созданию отечественных сорбентов для DAC. В 2023 году была запущена пилотная установка мощностью 10 тонн CO₂ в год в Новосибирской области.

Источники

• Международное энергетическое агентство (IEA), «Direct Air Capture: A Key Technology for Net Zero», 2023.
• Научный журнал «Nature Climate Change», «The cost of direct air capture and storage: a review», 2022.
• Отчёт Министерства энергетики США, «Carbon Negative Shot», 2021.
• Статья в журнале «Energy & Environmental Science», «Techno-economic assessment of direct air capture», 2020.
• Материалы компании Climeworks (climeworks.com).
• Публикации Института катализа имени Г. К. Борескова СО РАН, 2022–2023.