Технология улавливания углерода

Технология улавливания углерода (также известная как Carbon Capture and Storage, CCS, или Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS) — это совокупность инженерных и химических процессов, направленных на отделение диоксида углерода (CO₂) от промышленных и энергетических источников выбросов, его транспортировку и последующее долгосрочное изолирование от атмосферы. Целью технологии является сокращение антропогенных выбросов парниковых газов, которые считаются основной причиной глобального изменения климата.

История

Первые промышленные попытки улавливания CO₂ были предприняты в 1970-х годах в США в рамках проектов по повышению нефтеотдачи пластов (Enhanced Oil Recovery, EOR). В 1972 году на месторождении в Техасе начали закачивать CO₂, извлечённый из природного газа, для вытеснения нефти. Однако как самостоятельная стратегия борьбы с изменением климата технология начала рассматриваться лишь в конце 1990-х — начале 2000-х годов.

В 1996 году в Норвегии был запущен проект Sleipner, ставший первым коммерческим проектом по геологическому хранению CO₂ в солёном водоносном горизонте. Ежегодно там захоранивается около 1 миллиона тонн CO₂, извлекаемого из природного газа. В 2000-х годах Международное энергетическое агентство (МЭА) и Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) признали CCS важным элементом сценариев декарбонизации.

В России первые пилотные проекты по улавливанию и хранению CO₂ были реализованы в 2010-х годах. В 2016 году на Салымской группе месторождений (Ханты-Мансийский автономный округ) начался эксперимент по закачке CO₂ в пласт для повышения нефтеотдачи. В 2021 году «Газпром» запустил проект по улавливанию CO₂ на Астраханском газоперерабатывающем заводе. Крупнейшим российским проектом считается «Восток Ойл» (ПАО «НК «Роснефть»), который предполагает улавливание до 10 миллионов тонн CO₂ в год к 2030 году.

Методы улавливания

Существует три основных подхода к отделению CO₂ от других газов:

Постсжигательное улавливание

Этот метод применяется на существующих тепловых электростанциях и промышленных предприятиях. CO₂ извлекается из дымовых газов после сжигания топлива. Наиболее распространённый способ — химическая абсорбция с использованием аминовых растворов (например, моноэтаноламина). Дымовой газ пропускается через абсорбер, где CO₂ связывается с амином, а затем в десорбере при нагревании выделяется чистый CO₂. Эффективность достигает 90–95 %, но процесс требует значительных энергозатрат (до 30 % мощности электростанции).

Предсжигательное улавливание

Применяется на установках газификации угля или природного газа. Исходное топливо (уголь, биомасса, природный газ) предварительно газифицируется с образованием синтез-газа (CO + H₂). Затем CO реагирует с водяным паром, превращаясь в CO₂ и дополнительный водород. CO₂ отделяется от водорода, который затем сжигается в газовой турбине. Этот метод позволяет улавливать до 95–99 % углерода, но требует полной перестройки энергоблока.

Окситопливное сжигание

При сжигании топлива используется чистый кислород вместо воздуха. В результате дымовые газы состоят в основном из CO₂ и водяного пара. После конденсации водяного пара остаётся практически чистый CO₂, готовый к хранению. Метод позволяет достичь эффективности улавливания до 99 %, но требует дорогостоящей установки по разделению воздуха (ASU) для получения кислорода.

Транспортировка и хранение

После улавливания CO₂ сжижается (при давлении около 100 бар) и транспортируется по трубопроводам или в криогенных танкерах. В мире существует около 8000 км трубопроводов для CO₂, преимущественно в США, где они используются для EOR.

Геологическое хранение

Наиболее изученный метод — закачка CO₂ в глубокие геологические формации:

• Солёные водоносные горизонты — пористые породы, заполненные солёной водой, на глубине более 800 метров. CO₂ растворяется в воде и вступает в реакции с минералами, образуя стабильные карбонаты.
• Истощённые нефтяные и газовые месторождения — используются как для хранения, так и для повышения нефтеотдачи (EOR). Закачка CO₂ увеличивает добычу нефти на 5–15 %.
• Угольные пласты — CO₂ адсорбируется углём, вытесняя метан, который может быть извлечён.

Минерализация

CO₂ вступает в реакцию с природными минералами (например, оливином или серпентинитом), образуя твёрдые карбонаты. Этот процесс может происходить естественным путём (выветривание) или ускоряться в промышленных реакторах. Минерализация считается безопасным способом хранения, но требует больших объёмов породы и энергии.

Применение и использование (CCUS)

В отличие от CCS, технология CCUS предполагает не только хранение, но и утилизацию уловленного CO₂. Основные области применения:

• Повышение нефтеотдачи (EOR) — наиболее распространённое коммерческое использование (около 70 % всего уловленного CO₂).
• Производство синтетического топлива — CO₂ может быть преобразован в метанол, диметиловый эфир или синтетический бензин с использованием водорода, полученного из возобновляемых источников.
• Производство строительных материалов — CO₂ используется для отверждения бетона (карбонизация) или синтеза карбоната кальция.
• Пищевая промышленность — CO₂ применяется для газирования напитков, в холодильных установках и как консервант.

Экономические аспекты

Основным препятствием для широкого внедрения CCS является высокая стоимость. По данным МЭА, затраты на улавливание составляют от 50 до 100 долларов США за тонну CO₂ для электростанций и до 200 долларов для цементных заводов. Транспортировка и хранение добавляют ещё 10–30 долларов за тонну.

В мире действует около 40 крупных проектов CCS (по состоянию на 2023 год), суммарная мощность улавливания — около 45 миллионов тонн CO₂ в год, что составляет менее 0,1 % от глобальных выбросов. Наиболее активно технология развивается в США, Норвегии, Канаде и Австралии. В России, по данным Минэнерго, к 2035 году планируется запустить проекты общей мощностью до 50 миллионов тонн CO₂ в год.

Критика и ограничения

Технология CCS подвергается критике по нескольким причинам:

• Энергоёмкость — улавливание CO₂ требует значительных затрат энергии, что снижает общий КПД электростанции на 10–30 %.
• Риски утечек — при геологическом хранении существует вероятность медленной утечки CO₂ в атмосферу или грунтовые воды, что может привести к подкислению почв и водоёмов.
• Отвлечение ресурсов — критики утверждают, что инвестиции в CCS отвлекают средства от более эффективных мер по сокращению выбросов, таких как возобновляемая энергетика и энергоэффективность.
• Экологические последствия — закачка CO₂ в пласты может вызывать микроземлетрясения, хотя их магнитуда обычно не превышает 2–3 баллов.

Перспективы

Несмотря на ограничения, CCS считается необходимой технологией для достижения целей Парижского соглашения (2015) по ограничению глобального потепления. МГЭИК в своих сценариях предполагает, что к 2050 году ежегодно будет улавливаться от 5 до 10 миллиардов тонн CO₂. Развитие технологии связано с совершенствованием методов улавливания (например, использование мембранных фильтров или адсорбции на твёрдых сорбентах), снижением стоимости и созданием международной системы мониторинга и сертификации хранения.

Источники

• Международное энергетическое агентство (МЭА). «CCUS in Clean Energy Transitions». 2020.
• Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК). «Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage». 2005.
• Global CCS Institute. «Global Status of CCS 2023».
• Министерство энергетики Российской Федерации. «Стратегия развития низкоуглеродной энергетики до 2035 года». 2021.
• «Газпром». «Отчёт об устойчивом развитии 2022».