Улавливание углекислого газа

Улавливание углекислого газа (также известное как секвестрация углерода, от англ. carbon capture and storage, CCS) — это совокупность технологических процессов, направленных на отделение диоксида углерода (CO₂) от источников его образования (например, промышленных выбросов или атмосферы), его сжатие, транспортировку и последующее долгосрочное хранение в геологических формациях или иное использование. Целью улавливания является предотвращение попадания CO₂ в атмосферу Земли, что рассматривается как один из методов смягчения последствий глобального изменения климата, вызванного парниковым эффектом. Технологии CCS часто рассматриваются в комплексе с технологиями использования уловленного углерода (CCUS — от англ. Carbon Capture, Utilization and Storage).

История развития

Идея улавливания CO₂ из промышленных газов возникла в середине XX века в контексте повышения нефтеотдачи пластов (EOR — от англ. Enhanced Oil Recovery). Первые промышленные проекты по закачке CO₂ в нефтяные пласты начались в США в 1970-х годах. Однако в качестве инструмента климатической политики CCS начал активно обсуждаться с 1990-х годов, после подписания Киотского протокола (1997).

Первым крупным проектом по захоронению CO₂ в глубоком солевом водоносном горизонте стал норвежский проект «Слейпнер» (Sleipner), запущенный в 1996 году компанией Statoil (ныне Equinor). Он продемонстрировал техническую возможность долгосрочного хранения CO₂ под морским дном Северного моря. В 2000-х годах были запущены проекты в Алжире (In Salah) и Канаде (Weyburn-Midale). К 2020-м годам интерес к CCS возрос в связи с ужесточением климатических целей, закреплённых в Парижском соглашении (2015).

Методы улавливания

Существует три основных технологических подхода к отделению CO₂ от других газов.

Постсжигательное улавливание

Этот метод применяется к дымовым газам, образующимся после сжигания топлива на электростанциях или промышленных предприятиях. CO₂ извлекается из смеси газов (в основном азота, водяного пара и кислорода) с помощью химических растворителей, чаще всего на основе аминов (например, моноэтаноламина). Процесс включает абсорбцию CO₂ растворителем с последующей регенерацией растворителя при нагреве, в результате которой выделяется чистый CO₂. Это наиболее зрелая и коммерчески доступная технология, но она требует значительных энергетических затрат на регенерацию растворителя.

Предсжигательное улавливание

Применяется на предприятиях, где топливо (например, природный газ или уголь) предварительно газифицируется. В результате газификации образуется синтез-газ (смесь CO и H₂). Затем в процессе паровой конверсии CO реагирует с водяным паром, образуя CO₂ и дополнительный водород. CO₂ отделяется от водорода (обычно с помощью физических растворителей или мембран), после чего водород используется как чистое топливо для выработки энергии. Этот метод позволяет получать высококонцентрированный поток CO₂, но требует сложной инфраструктуры газификации.

Сжигание в кислородной среде (оксифьюл)

При этом методе топливо сжигается не в воздухе, а в смеси чистого кислорода и рециркулируемого дымового газа. В результате дымовой газ состоит в основном из CO₂ и водяного пара. После конденсации воды остаётся практически чистый CO₂, готовый к сжатию. Этот метод устраняет необходимость в дорогостоящей стадии химической абсорбции, но требует установки воздухоразделительной установки для получения кислорода, что также энергозатратно.

Прямое улавливание из воздуха (DAC)

Технология прямого улавливания из воздуха (от англ. Direct Air Capture) отличается от промышленных методов тем, что извлекает CO₂ непосредственно из атмосферы (где его концентрация составляет около 0,04%), а не из концентрированных источников выбросов. Для этого используются твёрдые сорбенты или жидкие растворы (например, гидроксиды щелочных металлов). DAC является более энергоёмким и дорогим методом, но позволяет бороться с уже накопленными в атмосфере выбросами. Крупнейшие коммерческие установки DAC работают в Исландии (проект Orca компании Climeworks) и Швейцарии.

Транспортировка и хранение

Уловленный CO₂ сжимается до состояния, близкого к сверхкритическому (плотность, как у жидкости), и транспортируется по трубопроводам, танкерам или автоцистернами к месту хранения или использования. Наиболее распространённый способ хранения — закачка в геологические формации на глубине более 800 метров, где давление и температура обеспечивают нахождение CO₂ в сверхкритическом состоянии. Основные типы хранилищ:

• Истощённые нефтяные и газовые месторождения — обладают доказанной герметичностью и геологической информацией.
• Глубокие солёные водоносные горизонты — пористые породы, заполненные солёной водой, непригодной для использования. Считаются наиболее ёмкими потенциальными хранилищами в мире.
• Неразрабатываемые угольные пласты — CO₂ может адсорбироваться углём, вытесняя метан (технология CO₂-ECBM).

Использование уловленного CO₂

Углекислый газ может использоваться в различных отраслях промышленности, что объединяется термином CCUS. Основные направления:

• Повышение нефтеотдачи пластов (EOR) — закачка CO₂ в нефтяные пласты для вытеснения остаточной нефти. Это наиболее экономически оправданное применение, однако оно не приводит к полному захоронению CO₂, так как часть его возвращается на поверхность с добытой нефтью.
• Производство химических продуктов — синтез мочевины (карбамида), метанола, полимеров (поликарбонатов).
• Производство синтетического топлива — в сочетании с «зелёным» водородом CO₂ может быть превращён в метан, бензин или керосин (технология Power-to-Liquid).
• Пищевая промышленность — карбонизация напитков, создание инертной среды для хранения продуктов, охлаждение.
• Теплицы — подача CO₂ в теплицы для ускорения фотосинтеза растений.

Экономика и масштабирование

Основным барьером для широкого внедрения CCS является высокая стоимость. Улавливание CO₂ из дымовых газов электростанции может увеличивать стоимость вырабатываемой электроэнергии на 50–100%. Стоимость улавливания варьируется в зависимости от концентрации CO₂ в источнике и применяемой технологии: от 15–25 долларов США за тонну CO₂ на заводах по производству этанола (высокая концентрация) до 100–200 долларов и более на угольных электростанциях. Стоимость прямого улавливания из воздуха (DAC) значительно выше — от 250 до 600 долларов за тонну.

Для стимулирования развития CCS правительства ряда стран вводят налоговые льготы и субсидии. В США действует налоговый кредит 45Q, предоставляющий до 85 долларов за тонну захороненного CO₂. В Европейском союзе проекты CCS финансируются из Инновационного фонда. По состоянию на 2024 год в мире действует около 40 крупных коммерческих проектов CCS общей мощностью улавливания около 50 миллионов тонн CO₂ в год, что составляет лишь около 0,1% от глобальных антропогенных выбросов.

Критика и ограничения

Технологии CCS подвергаются критике по нескольким причинам:

• Высокая стоимость и энергоёмкость — установка улавливания потребляет значительное количество энергии (так называемые «энергетические штрафы»), что снижает общий КПД электростанции.
• Риски утечек — существует опасность медленной или аварийной утечки CO₂ из геологических хранилищ, что может привести к локальному закислению почв и грунтовых вод, а при высоких концентрациях — к удушью (CO₂ тяжелее воздуха).
• Сохранение зависимости от ископаемого топлива — критики утверждают, что CCS продлевает жизнь угольной и нефтегазовой промышленности, отвлекая инвестиции от развития возобновляемой энергетики и повышения энергоэффективности.
• Недостаточные темпы внедрения — по оценкам Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), для достижения целей Парижского соглашения к 2050 году необходимо улавливать несколько миллиардов тонн CO₂ в год, однако текущие мощности ничтожно малы.

Проекты в России

В России технологии CCS находятся на стадии пилотных проектов и научных исследований. Основные инициативы связаны с ПАО «Газпром», ПАО «Новатэк» и другими крупными компаниями. В 2022 году был запущен проект по созданию полигона для испытаний технологий улавливания и хранения CO₂ на территории Оренбургской области. Рассматривается возможность закачки CO₂ в истощённые газовые месторождения в Западной Сибири. Также ведутся работы по созданию подземных хранилищ CO₂ в районе города Кингисепп (Ленинградская область). В 2023 году правительство РФ утвердило план мероприятий по развитию технологий CCS до 2030 года. Однако коммерческих проектов полного цикла (улавливание — транспортировка — закачка) в России на 2024 год не реализовано.

Источники

1. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК). Специальный доклад по улавливанию и хранению углерода (2005).
2. Global CCS Institute. Global Status of CCS Reports (2020–2024).
3. International Energy Agency (IEA). CCUS in Clean Energy Transitions (2020).
4. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA). Данные по концентрации CO₂ в атмосфере.
5. Публичные отчёты компаний Equinor (Sleipner), Climeworks (Orca), Министерства энергетики США (DOE) по проектам CCS.