Улавливание и захоронение углекислого газа

Улавливание и захоронение углекислого газа (англ. Carbon Capture and Storage, CCS; также — секвестрация углерода) — это совокупность технологических процессов, направленных на отделение диоксида углерода (CO₂) от источников его выбросов, транспортировку к месту хранения и долгосрочную изоляцию от атмосферы. CCS рассматривается как один из методов снижения антропогенных выбросов парниковых газов и смягчения последствий изменения климата. Технология включает три основных этапа: улавливание, транспортировку и захоронение.

История

Идея улавливания и хранения углерода в геологических формациях впервые была высказана в середине XX века. В 1972 году в США началась первая промышленная закачка CO₂ в нефтяные пласты для повышения нефтеотдачи (метод EOR — Enhanced Oil Recovery). Однако систематическое изучение CCS как меры борьбы с изменением климата началось в 1990-х годах. В 1996 году в Норвегии был запущен первый крупный проект по захоронению CO₂ в подводном водоносном горизонте (проект Sleipner). С тех пор число действующих и строящихся объектов CCS постоянно растёт, хотя масштабы внедрения остаются значительно ниже необходимых для достижения климатических целей.

Улавливание CO₂

Улавливание CO₂ может осуществляться как из крупных стационарных источников (электростанции, цементные заводы, металлургические комбинаты, нефтехимические производства), так и непосредственно из атмосферы (технология Direct Air Capture, DAC).

Методы улавливания

Существует три основных подхода к улавливанию CO₂ из дымовых газов:

Постсжигательное улавливание (Post-combustion capture). CO₂ извлекается из дымовых газов после сжигания топлива. Наиболее распространённый метод — химическая абсорбция с использованием аминовых растворов (например, моноэтаноламина). Дымовые газы пропускаются через абсорбер, где CO₂ связывается с растворителем, после чего растворитель регенерируется в десорбере, выделяя концентрированный CO₂. Метод применим для модернизации существующих электростанций, но требует значительных энергетических затрат на регенерацию растворителя.
Предсжигательное улавливание (Pre-combustion capture). Топливо (например, природный газ или уголь) предварительно газифицируется или реформируется в синтез-газ (смесь CO и H₂). Затем CO в реакции с водяным паром превращается в CO₂ и H₂. CO₂ отделяется (обычно с помощью физической абсорбции или мембран), а чистый водород используется как топливо для выработки электроэнергии или в промышленности. Метод более эффективен, чем постсжигательное улавливание, но требует принципиально иной конструкции энергоблока.
Оксифюельное сжигание (Oxy-fuel combustion). Топливо сжигается не в воздухе, а в чистом кислороде. В результате дымовые газы состоят в основном из CO₂ и водяного пара. После конденсации водяного пара остаётся практически чистый CO₂, готовый к сжатию и транспортировке. Метод позволяет избежать сложной стадии отделения CO₂, но требует дорогостоящей установки по разделению воздуха (воздухоразделительной установки).

Улавливание из воздуха (DAC)

Технология Direct Air Capture (DAC) предполагает извлечение CO₂ непосредственно из атмосферного воздуха. Для этого используются либо твёрдые сорбенты (фильтры, которые при нагреве выделяют CO₂), либо жидкие растворы (например, гидроксиды щелочных металлов). DAC является более энергоёмкой и дорогой, чем улавливание из концентрированных источников, но позволяет компенсировать выбросы от распределённых источников (транспорт, сельское хозяйство) и может быть размещена в любом месте. Крупнейшие проекты DAC реализуются в Исландии (Climeworks) и Канаде (Carbon Engineering).

Транспортировка

После улавливания CO₂ сжимается до сверхкритического состояния (давление выше 73,8 бар, температура выше 31,1 °C), что позволяет транспортировать его в жидкоподобной фазе с высокой плотностью. Основные способы транспортировки:

Трубопроводы. Наиболее экономичный способ для больших объёмов на суше и на море. Сеть трубопроводов для CO₂ в основном развита в США (более 8000 км), где она используется для EOR.
Морские перевозки. Используются танкеры-рефрижераторы, аналогичные танкерам для сжиженного природного газа, но для CO₂. Применяются для транспортировки на большие расстояния, где строительство трубопровода нецелесообразно.
Автомобильный и железнодорожный транспорт. Используется для небольших объёмов или на начальных этапах проектов.

Захоронение (хранение)

Захоронение CO₂ осуществляется путём закачки в глубокие геологические формации (обычно на глубине более 800 метров), где давление и температура обеспечивают нахождение CO₂ в сверхкритическом состоянии. Основные типы геологических резервуаров:

Глубокие солёные водоносные горизонты. Наиболее распространённый и потенциально самый ёмкий тип хранилищ. CO₂ закачивается в пористые породы (песчаники), насыщенные солёной водой, где он растворяется, вступает в химические реакции с минералами или остаётся в виде отдельной фазы под непроницаемым слоем породы (покрышкой).
Истощённые нефтяные и газовые месторождения. Уже изучены, имеют герметичную структуру и инфраструктуру. Закачка CO₂ в такие месторождения может одновременно повышать нефтеотдачу (EOR), что частично компенсирует затраты на CCS. Однако при EOR значительная часть закачанного CO₂ может быть извлечена вместе с нефтью, что снижает эффективность захоронения.
Угольные пласты, непригодные для разработки. CO₂ может адсорбироваться на поверхности угля, вытесняя метан (CBM — Coal Bed Methane), который может быть извлечён как дополнительный ресурс.

Механизмы удержания CO₂ в недрах

Структурное (стратиграфическое) удержание. CO₂ удерживается под непроницаемой покрышкой (глина, соль), препятствующей его вертикальной миграции.
Капиллярное удержание. CO₂ застревает в порах породы в виде отдельных капель (пузырьков) под действием капиллярных сил.
Растворение. CO₂ растворяется в пластовой воде (рассоле). Растворённый CO₂ тяжелее чистой воды, поэтому он опускается вниз, что снижает риск утечки.
Минеральная карбонизация. CO₂ вступает в химическую реакцию с минералами породы (например, с силикатами кальция и магния), образуя стабильные карбонатные минералы (кальцит, доломит). Этот процесс наиболее надёжен, но протекает очень медленно (сотни и тысячи лет).

Применение и значение

CCS рассматривается как критически важная технология для достижения целей Парижского соглашения по климату. Она позволяет:

Снижать выбросы от существующих промышленных объектов. CCS может быть установлена на электростанциях, цементных, сталелитейных и химических заводах, которые невозможно быстро перевести на возобновляемые источники энергии.
Создавать «отрицательные выбросы». В сочетании с биоэнергетикой (BECCS — Bioenergy with Carbon Capture and Storage) или DAC (DACCS) CCS позволяет удалять CO₂ из атмосферы, компенсируя выбросы из других секторов.
Производить водород с низким углеродным следом. Предсжигательное улавливание позволяет получать «голубой водород» из природного газа с захоронением CO₂.

Критика и ограничения

Технология CCS подвергается критике по ряду причин:

Высокая стоимость. Улавливание, сжатие, транспортировка и закачка CO₂ требуют значительных капитальных и эксплуатационных затрат, что увеличивает стоимость электроэнергии или продукции.
Энергетические потери. Процесс улавливания (особенно постсжигательного) требует большого количества тепла и электроэнергии, что снижает КПД электростанции на 10–30% (так называемое «энергетическое наказание»).
Риски утечки. Существует потенциальная опасность утечки CO₂ из хранилищ в атмосферу или в грунтовые воды. Хотя геологические формации выбираются с учётом герметичности, долгосрочное поведение CO₂ в недрах изучено недостаточно. Внезапный крупный выброс CO₂ может представлять угрозу для здоровья и жизни людей (как в случае с природным лимнологическим выбросом на озере Ниос в Камеруне).
Отвлечение ресурсов от возобновляемой энергетики. Критики утверждают, что инвестиции в CCS задерживают переход на возобновляемые источники энергии и энергоэффективность, а также продлевают жизнь ископаемому топливу.
Проблема хранения. Не все регионы имеют подходящие геологические структуры для безопасного и долгосрочного хранения CO₂. Оценка ёмкости хранилищ часто является неточной.

Проекты и масштабы

По состоянию на 2024 год в мире действует около 40 крупных проектов CCS (включая проекты с EOR), суммарной мощностью по улавливанию порядка 50–60 миллионов тонн CO₂ в год. Для сравнения, глобальные антропогенные выбросы CO₂ составляют около 37 миллиардов тонн в год. Крупнейшие проекты расположены в США, Канаде, Норвегии, Австралии и Саудовской Аравии. В России также ведутся исследования и пилотные проекты по CCS, в том числе на месторождениях природного газа и в рамках проектов по повышению нефтеотдачи.

Источники

IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage (2005).
Global CCS Institute. Global Status of CCS Reports (ежегодные).
International Energy Agency (IEA). Energy Technology Perspectives (разделы по CCS).
Научные статьи в журналах: International Journal of Greenhouse Gas Control, Energy & Environmental Science, Environmental Science & Technology.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →