Улавливание из воздуха

Улавливание из воздуха (также прямой захват воздуха, англ. Direct Air Capture, DAC) — это технология извлечения углекислого газа (CO₂) непосредственно из атмосферного воздуха с помощью специальных химических или физических процессов. В отличие от традиционных методов улавливания CO₂ на промышленных источниках (например, на электростанциях или цементных заводах), DAC работает с фоновой концентрацией газа, которая составляет около 0,04 % (400 ppm) и не зависит от локализации выбросов. Технология рассматривается как один из инструментов для достижения целей Парижского соглашения по климату и снижения концентрации парниковых газов в атмосфере.

История

Первые теоретические работы по извлечению CO₂ из воздуха относятся к середине XX века, однако практическая реализация началась лишь в 2000-х годах. В 2007 году швейцарская компания Climeworks AG запустила первый прототип установки DAC на базе фильтрации через твёрдые сорбенты. В 2011 году канадская компания Carbon Engineering (признана нежелательной организацией в РФ) продемонстрировала технологию с использованием жидких растворов гидроксидов. К 2023 году в мире действовало около 18 коммерческих установок DAC, суммарная мощность которых не превышала 10 000 тонн CO₂ в год — менее 0,001 % от глобальных выбросов.

Принцип работы

Технология DAC основана на химическом связывании CO₂ из воздуха с последующим выделением чистого газа. Основные этапы процесса:

1. Забор воздуха: вентиляторы прогоняют большие объёмы атмосферного воздуха через контактные устройства (абсорберы или адсорберы).
2. Связывание CO₂: молекулы углекислого газа вступают в реакцию с сорбентом — твёрдым (например, аминами на пористых носителях) или жидким (растворы гидроксидов калия или натрия).
3. Регенерация: сорбент нагревают до 80–900 °C (в зависимости от типа), что приводит к выделению концентрированного CO₂.
4. Утилизация или хранение: полученный CO₂ может быть закачан в геологические формации (подземное хранение) или использован в промышленности (например, для синтеза топлива, в теплицах, в производстве газированных напитков).

Типы сорбентов

• Твёрдые сорбенты: пористые материалы (цеолиты, металлоорганические каркасы, аминированные полимеры), работающие при температурах 80–120 °C. Преимущество — низкие энергозатраты на регенерацию, недостаток — ограниченная ёмкость и деградация при циклировании.
• Жидкие сорбенты: растворы гидроксидов (KOH, NaOH), которые при реакции с CO₂ образуют карбонаты. Регенерация требует нагрева до 800–900 °C, что увеличивает энергопотребление, но позволяет достичь высокой степени извлечения.

Классификация установок

По масштабу и назначению установки DAC делятся на:

• Пилотные: мощность до 100 тонн CO₂ в год, используются для отработки технологий.
• Демонстрационные: 100–10 000 тонн CO₂ в год, например, установка Climeworks в Хеллисхейди (Исландия) мощностью 4000 тонн/год.
• Коммерческие: проектируются для мощностей от 100 000 тонн/год, но к 2025 году ни одна не введена в эксплуатацию.

Энергопотребление и стоимость

Основной недостаток DAC — высокие энергозатраты. Для извлечения 1 тонны CO₂ требуется от 1,5 до 8 МДж тепловой энергии (в зависимости от типа сорбента) и 0,2–0,6 МДж электрической. При использовании ископаемого топлива для нагрева часть выбросов компенсируется, что снижает эффективность.

Стоимость улавливания варьируется от 100 до 600 долларов США за тонну CO₂ (по данным на 2024 год). Прогнозируется снижение до 50–100 долларов к 2050 году при масштабировании и развитии технологий.

Применение

Хранение CO₂

Наиболее распространённый вариант — закачка CO₂ в глубокие геологические формации (соляные аквиферы, истощённые нефтяные и газовые месторождения). Пример: проект CarbFix (Исландия), где CO₂ растворяют в воде и закачивают в базальтовые породы, где он минерализуется в течение нескольких лет.

Использование в промышленности

• Синтез синтетического топлива: CO₂ + H₂ (полученный электролизом воды) → метанол, керосин, диметиловый эфир.
• Производство строительных материалов: карбонизация бетона, где CO₂ связывается в карбонат кальция.
• Тепличное хозяйство: подача CO₂ для ускорения фотосинтеза растений.
• Пищевая промышленность: газирование напитков, производство сухого льда.

Критика и ограничения

• Энергоёмкость: для работы DAC требуется значительное количество низкоуглеродной энергии (атомная, солнечная, ветровая), что ограничивает масштабирование в регионах с угольной генерацией.
• Скорость: даже при полномасштабном развёртывании DAC способен удалить лишь 1–2 % от текущих глобальных выбросов (около 40 млрд тонн CO₂ в год).
• Эффективность: концентрация CO₂ в воздухе в 300 раз ниже, чем в дымовых газах, что требует переработки огромных объёмов воздуха.
• Экологические риски: утечки CO₂ при хранении, потребление воды и земли для установок.
• Экономическая нецелесообразность: при текущих ценах на углерод (20–30 долларов за тонну) DAC нерентабельна без субсидий.

Крупнейшие проекты

• Climeworks AG (Швейцария): установка «Orca» в Исландии (4000 тонн/год, 2021), проект «Mammoth» (36 000 тонн/год, 2024).
• Carbon Engineering (Канада): совместно с Occidental Petroleum строит завод в Техасе (США) мощностью 500 000 тонн/год (планируемый запуск — 2025).
• Global Thermostat (США): пилотные установки в Колорадо и Алабаме.
• Россия: в 2023 году Институт катализа СО РАН (Новосибирск) разработал лабораторный прототип DAC на основе цеолитов, мощность — 1 кг CO₂ в час. Промышленных проектов в РФ не заявлено.

Перспективы

Согласно сценариям Международного энергетического агентства (МЭА), к 2050 году для достижения целей Парижского соглашения потребуется удалять 1–2 млрд тонн CO₂ в год с помощью DAC. Это потребует строительства тысяч установок и инвестиций в размере 1–2 трлн долларов. Технология рассматривается как дополнение к сокращению выбросов, а не как замена.

Источники

• IPCC, 2022: Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change. Contribution of Working Group III to the Sixth Assessment Report.
• IEA, 2023: Direct Air Capture 2023. International Energy Agency.
• National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine, 2019: Negative Emissions Technologies and Reliable Sequestration.
• Climeworks AG, 2024: Annual Report on DAC Operations.
• Институт катализа СО РАН, 2023: Отчёт о разработке прототипа DAC.