Улавливание и хранение углерода

Улавливание и хранение углерода (также известное как CCS, от англ. Carbon Capture and Storage) — это совокупность технологических процессов, направленных на отделение диоксида углерода (CO₂) от источников выбросов (промышленных предприятий, электростанций) с последующей его транспортировкой и долгосрочной изоляцией в геологических формациях, препятствующих попаданию газа в атмосферу. CCS рассматривается как один из методов смягчения последствий изменения климата, позволяющий сократить антропогенные выбросы парниковых газов. В более широком смысле термин может включать также использование уловленного CO₂ в промышленных целях (CCUS — улавливание, использование и хранение углерода).

История

Идея улавливания и хранения CO₂ в геологических структурах впервые была предложена в 1970-х годах как способ повышения нефтеотдачи пластов (метод закачки CO₂ в нефтяные резервуары). Первые промышленные проекты CCS, не связанные с добычей нефти, начали реализовываться в 1990-х годах. В 1996 году в Норвегии был запущен проект «Слейпнер» (Sleipner), где CO₂, отделённый от природного газа, закачивался в солёный водоносный горизонт под Северным морем. Это был первый в мире проект хранения углерода в геологических формациях, не связанный с нефтедобычей.

В 2000-х годах интерес к CCS возрос в связи с международными климатическими соглашениями, в частности Киотским протоколом. В 2005 году Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) опубликовала специальный доклад, в котором признала CCS перспективной технологией. С 2010-х годов началось строительство крупных промышленных объектов, таких как проект «Горген» (Gorgon) в Австралии (2016) и «Будущий ген» (FutureGen) в США (отменён). К 2024 году в мире действовало более 40 крупных проектов CCS, большинство из которых сосредоточено в Северной Америке и Европе.

Технологический процесс

Улавливание и хранение углерода включает три основных этапа: улавливание, транспортировку и хранение.

Улавливание

Улавливание CO₂ осуществляется на стационарных источниках выбросов — тепловых электростанциях, цементных заводах, металлургических комбинатах, нефтеперерабатывающих предприятиях. Существует три основных метода улавливания:

• Постсжигательное улавливание — CO₂ извлекается из дымовых газов после сжигания топлива. Наиболее распространённый метод, использующий химическую абсорбцию аминами (например, моноэтаноламином). Пригоден для модернизации существующих предприятий.
• Предсжигательное улавливание — топливо (природный газ, уголь) предварительно конвертируется в синтез-газ (смесь водорода и CO), затем CO окисляется до CO₂, который отделяется. Водород используется как чистое топливо. Метод требует значительной реконструкции производства.
• Улавливание в процессе сжигания в кислородной среде (оксифьюл) — топливо сжигается в атмосфере чистого кислорода вместо воздуха, что даёт дымовые газы, состоящие почти исключительно из CO₂ и водяного пара. После конденсации пара остаётся концентрированный CO₂, готовый к улавливанию.

Эффективность улавливания составляет от 85 % до 95 % для большинства промышленных установок. Разрабатываются также технологии прямого улавливания из воздуха (DAC), которые не привязаны к источникам выбросов, но пока имеют высокую стоимость.

Транспортировка

Уловленный CO₂ сжижается (под давлением около 70–100 атмосфер) и транспортируется по трубопроводам, морским танкерам или автоцистернами. Наиболее экономичным способом для больших объёмов является трубопроводный транспорт. В мире существует сеть трубопроводов для CO₂ протяжённостью более 8000 км, преимущественно в США, где CO₂ используется для повышения нефтеотдачи. Для морской транспортировки применяются танкеры, аналогичные газовозам для сжиженного нефтяного газа.

Хранение

CO₂ закачивается в глубокие геологические формации на глубине от 800 до 3000 метров. Основные типы геологических резервуаров:

• Истощённые нефтяные и газовые месторождения — естественные ловушки, которые удерживали углеводороды миллионы лет. CO₂ может частично замещать добытые флюиды.
• Глубокие солёные водоносные горизонты — пористые породы (песчаники, известняки), заполненные солёной водой, непригодной для использования. Наиболее распространённый тип хранения.
• Угольные пласты — CO₂ адсорбируется на поверхности угля, вытесняя метан (технология CO₂-ECBM).

Процесс закачки контролируется с помощью мониторинга давления, состава флюидов и сейсмической активности. CO₂ в недрах постепенно растворяется в пластовой воде и может вступать в химические реакции с минералами, образуя стабильные карбонаты (минерализация). Полная изоляция CO₂ на геологических масштабах времени (тысячи лет) считается вероятной.

Применение и значение

Промышленные проекты

Крупнейшие действующие проекты CCS по состоянию на 2024 год:

• Gorgon (Австралия) — улавливание CO₂ при добыче природного газа, закачка в солёный водоносный горизонт. Мощность до 4 млн тонн CO₂ в год.
• Quest (Канада) — улавливание CO₂ на нефтеперерабатывающем заводе, хранение в солёном горизонте. Мощность около 1 млн тонн в год.
• Sleipner (Норвегия) — улавливание CO₂ из природного газа, хранение в солёном горизонте. С 1996 года закачано более 20 млн тонн.
• Petra Nova (США) — улавливание CO₂ на угольной электростанции, использование для повышения нефтеотдачи. Мощность 1,6 млн тонн в год (проект приостановлен в 2020 году).

Роль в климатической политике

CCS рассматривается как критически важная технология для достижения целей Парижского соглашения (2015). По оценкам МГЭИК, для ограничения глобального потепления на уровне 1,5–2 °C необходимо к 2050 году улавливать и хранить от 5 до 10 млрд тонн CO₂ в год. CCS также является ключевым элементом концепции «отрицательных выбросов» в сочетании с биоэнергетикой (BECCS — биоэнергетика с улавливанием и хранением углерода).

В России CCS не получила широкого промышленного применения. В 2021 году «Газпром» объявил о планах создания полигона для захоронения CO₂ на Ачимовском месторождении (ЯНАО), однако к 2024 году проект не был реализован. В 2023 году вступил в силу федеральный закон, регулирующий деятельность по захоронению CO₂ в геологических формациях.

Критика и ограничения

CCS подвергается критике по нескольким причинам:

• Высокая стоимость — улавливание CO₂ увеличивает энергопотребление предприятия на 20–30 %, что делает CCS экономически невыгодным без субсидий или углеродных налогов. Стоимость улавливания составляет от 50 до 200 долларов за тонну CO₂ в зависимости от технологии.
• Риск утечек — хотя геологические резервуары считаются надёжными, существует вероятность медленной утечки CO₂ в атмосферу или в подземные воды. Мониторинг требует длительного времени (десятки лет).
• Отвлечение ресурсов от возобновляемой энергетики — критики утверждают, что инвестиции в CCS замедляют переход на солнечную и ветровую энергию, так как позволяют продолжать эксплуатацию ископаемого топлива.
• Недостаточная масштабируемость — текущие объёмы улавливания (около 50 млн тонн в год по всему миру) ничтожно малы по сравнению с глобальными выбросами (около 37 млрд тонн в год). Для достижения климатических целей требуется увеличение мощностей в сотни раз.
• Экологические риски — закачка CO₂ может вызывать микроземлетрясения, хотя обычно они незначительны. Также существует риск загрязнения подземных вод при нарушении герметичности пласта.

Интересные факты

• Первый патент на улавливание CO₂ из дымовых газов был получен в 1930 году.
• В Норвегии с 1991 года действует налог на выбросы CO₂, который сделал CCS экономически оправданным для проекта Sleipner.
• Технология CCS используется в пищевой промышленности для производства газированных напитков — CO₂ улавливается на заводах и затем продаётся.
• В Исландии реализуется проект CarbFix, в рамках которого CO₂ закачивается в базальтовые породы, где в течение двух лет превращается в твёрдый карбонат кальция.

Источники

• Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК). Специальный доклад «Улавливание и хранение диоксида углерода», 2005.
• Global CCS Institute. Global Status of CCS Report, 2023.
• International Energy Agency (IEA). CCUS in Clean Energy Transitions, 2020.
• Федеральный закон от 14.07.2023 № 296-ФЗ «О захоронении диоксида углерода в геологических формациях» (Россия).
• Научные статьи: Rubin E.S. et al. «The cost of CO2 capture and storage», 2015; Bui M. et al. «Carbon capture and storage (CCS): the way forward», 2018.