Неизвестно, что останется от моды прошлого сезона на усилия по сокращению выбросов парниковых газов после резкого (и, похоже, необратимого) роста цен на углеводородное сырье. Во всяком случае, несколько месяцев назад считалось, что выбросы ведут человечество к климатической катастрофе глобального потепления. Один из постулатов этой религии гласит: можно увеличивать площадь лесов, можно даже отказаться от ископаемого топлива и всемерно сокращать выбросы парниковых газов, однако этого мало. Чтобы спасти мир от климатической катастрофы, пора переходить к активным действиям и приступить к изъятию из атмосферы СО₂.

В составе земной атмосферы этот газ занимает всего 416 ppm (миллионных долей). Он поглощает и выделяет куда меньше тепла, чем другие атмосферные газы, такие как метан и оксид азота. Однако его влияние велико, потому что, в отличие от других газов, СО₂ чрезвычайно устойчив. Уровень двуокиси углерода в атмосфере — часть стабилизирующего климат механизма, благодаря которому на Земле некогда возникли условия для жизни. Тем не менее адепты церкви борьбы с изменением климата видят один из путей к спасению планеты в создании систем прямого улавливания СО₂ из воздуха (Direct Air Capture, DAC) с последующим связыванием либо использованием в производстве.

В последние несколько лет наблюдается всплеск интереса инвесторов к DAC. Этот интерес не в последнюю очередь обусловлен повсеместным внедрением принципов ответственного инвестирования (PRI) и крупными вливаниями государственных денег в исследования, а также испытания технологий и коммерциализацию DAC. К примеру, принятый в 2021 году в США закон об инвестициях в инфраструктуру и рабочих местах (IIJA) включает $ 3,5 млрд для четырех проектов DAC, каждый из которых после завершения обещает улавливать несколько миллионов тонн CO₂ в год. Закон также предусматривает $ 2,1 млрд на льготные кредиты для транспортной инфраструктуры CO₂, $ 2,5 млрд — на геологическое или постоянное хранение захваченного CO₂ в естественных колодцах или водоносных горизонтах глубоко под землей и $ 310 млн — на гранты, выданные государственными и местными органами власти для развития рынка утилизации углерода. Эти суммы дают представление о масштабе средств, которые могут быть закачаны в исследования и строительство установок DAC. Триллионы!

Принцип технологий DAC довольно прост: закачиваемый в установку воздух контактирует с химическими средами — водным раствором щелочи или сорбентом, — которые, в свою очередь, реагируют с СО₂. Затем эти химические компоненты нагревают и очищают от СО₂, причем регенерированные химически среды можно использовать повторно. Уловленный углекислый газ дегидрируется и сжимается. Его в дальнейшем можно использовать для производства цемента или пластмасс, в тепличных хозяйствах, просто закачивать под землю, в определенные геологические формации, которые свяжут газ.

Сегодня все разработки технологий снижения содержания СО₂ в воздухе похожи на попытки вычерпать океан чайной ложечкой. Но кто знает, что будет завтра? Разработчики технологий DAC утверждают, что, в отличие от леса или океана, их установки могут улавливать большие количества CO₂ с минимальным использованием земли и воды. Еще одно отличие — в том, что DAC связывает двуокись углерода в геологических структурах, а не задерживает в биомассе. К тому же использование различных стратегий связывания СО₂ — от лесовосстановления и ограничения потребления углеводородного топлива до DAC — максимизирует их совместное воздействие. Кроме того, при запусках некоторых видов ракет возникает задача улавливания выбросов СО₂ из распределенного источника. И эта задача в общем виде решена с помощью DAC.

Подробности? Пожалуйста.
Процесс начинается с того, что воздух закачивают в контактор. Это огромная конструкция, похожая на промышленную градирню. Гигантский вентилятор втягивает воздух в контактор и прогоняет его над тонкими пластинами, по которым течет раствор гидроокиси калия или другой сорбент. Этот раствор химически связывает молекулы CO₂ в виде карбоната калия. Затем раствор карбонатов обрабатывают химически для повышения его концентрации, очистки и сжатия. Раствор подают на грануляционный аппарат, где карбонаты отделяются от него в виде мелких гранул.

Затем гранулы подают в печь-кальцинатор и нагревают. На выходе получаем обработанные гранулы и двуокись углерода в виде газа, готового для использования, переработки или хранения. Обработанные гранулы гидратируются, то есть «гасятся» в специальном аппарате. Получается исходное улавливающее химическое вещество, которое можно использовать снова.

Эту и подобные технологии уже применяют на практике, но широкого распространения они не получили. Вопрос, как всегда, в цене. Данные исследований касательно стоимости тонны удаляемого из атмосферы СО₂ расходятся в весьма широком диапазоне — от $ 200 до $ 1 тыс. (Тот же процесс методом лесовосстановления обходится в $ 50 за тонну СО₂.) В числе основных затрат на вычерпывание ложечкой атмосферного океана — энергия для вращения огромных вентиляторов и для нагрева печей-­кальцинаторов, производство химикатов для процесса DAC и строительство собственно установки DAC, которая ввиду масштабности тоже недешева.

Исследование пилотной установки компании Carbon Engineering, расположенной в Британской Колумбии (Канада), улавливающей тонну СО₂ в сутки, оценило стоимость захвата тонны СО₂ в $ 94−232. Однако это исследование проводила сама Carbon Engineering. Компания занимается коммерциализацией технологии DAC, поэтому сложно назвать ее оценку независимой и объективной. Тем не менее Carbon Engineering сумела убедить министерство энергетики США в перспективности своей технологии. В канадской компании утверждают, что две 150‑метровые градирни смогут улавливать 250 тыс. тонн СО₂ в год.

Для нагрева растворов требуется энергия, и стоит она дорого. Carbon Engineering предложила воспользоваться «даровым» отработанным теплом атомных электростанций. Для изучения технической и коммерческой жизнеспособности технологии Carbon Engineering министерство энергетики США частично финансирует два таких проекта при атомных станциях «Байрон» (штат Иллинойс) и «Фарли» (Алабама) в объеме $ 2,5 млн (общее финансирование проекта составляет $ 3,125 млн). АЭС состоит из двух энергоблоков с водо-водяными реакторами и, соответственно, имеет две градирни. К водяному пару, проходящему через главный конденсатор, добавят химикаты. Поступая в градирни, этот раствор будет улавливать СО₂. Затем газ будет экстрагирован из раствора и утилизирован.

Предмет исследования — использование массивного потока чистого водяного пара из градирен атомных станций для извлечения из воздуха выбросов двуокиси углерода. Этот проект — он продлится как минимум до 2023 года — послужит основой для будущих решений касательно интеграции установок DAC с АЭС. Исследования, несомненно, пригодятся консорциуму, планирующему возвести установку при британской атомной станции «Сайзуэлл С» с реактором EPR. Консорциум, в который входят Ноттингемский университет, компании Strata Technology, Atkins, Doosan Babcock, работает с компанией Sizewell C (SZC Co) над проектным исследованием уникальной системы DAC, использующей тепло станции. Небольшая демонстрационная система DAC сможет улавливать 100 тонн CO₂ в год, а полноразмерная версия, работающая на тепле водяного пара, отбираемого из турбины АЭС, — до 1,5 млн тонн СО₂ в год. Это чуть меньше, чем суммарные ежегодные выбросы британской железнодорожной сети. Влияние работы установки на выработку электроэнергии будет минимальным, зато выбросы «Сайзуэлл С» приобретут отрицательные значения. В долгосрочной перспективе SZC Co рассматривает возможность создания низкотемпературной системы DAC на жидких и твердых сорбентах, с тепловым приводом от пара из турбины АЭС с температурой около 280 °C или ниже.

В числе других проектов извлечения СО₂ из воздуха можно назвать партнерство швейцарской компании Climeworks и Microsoft. Разработанная Climeworks система называется Orca («Косатка»). Это восемь контейнеров, в каждом из которых установлены мощные вентиляторы, нагнетающие воздух. Фильтры улавливают углекислый газ, нагревают его и смешивают с водой, а «газировку» закачивают в глубокие подземные хранилища (бывшие шахты). «Косатка» расставила свои контейнеры в 20 км от Рейкьявика и питается от геотермальных источников с очень незначительными выбросами парниковых газов. Это почти «зеленый» проект: оборудование при эксплуатации практически не оставляет углеродного следа. По крайней мере, так утверждают его руководители.

Напомним: добыть двуокись углерода из воздуха — лишь полдела. Неиспользованный газ надо ­где-то хранить. В Иллинойсе его предполагают закачивать по трубопроводу в подземную геологическую формацию для постоянного хранения. Дальше всего в методах хранения СО₂ продвинулось исландское научно-­промышленное партнерство Carbfix. Оно разработало способ преобразования СО₂ в стабильные карбонатные минералы — или, проще говоря, в камень — под названиями Carbfix и Carbfix2. Воду с растворенной в ней двуокисью углерода закачивают, например, в базальты, на глубину 750 метров и ниже. В земных недрах газированные воды вступают в реакцию с кальцием и магнием, присутствующими в породе. Большая часть закачиваемых газов фиксируется в виде стабильных минеральных фаз менее чем за год. В июле 2021 года правительства Швейцарии и Исландии договорились о совместной разработке «технологий с отрицательными выбросами», включая извлечение СО₂ из атмосферы и его хранение под землей с использованием методов Carbfix и Climeworks.

Этот надежный и безопасный способ используется уже несколько десятилетий. Сейчас под землей по всему миру хранится более 200 млн тонн СО₂. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) оценила эту практику и утверждает, что при надлежащем регулировании, выборе мест хранения и управлении ими СО₂ может постоянно храниться в течение миллионов лет с очень низким риском.

Считается, что топливо из СО₂ стабилизирует общий баланс углекислого газа в воздухе: выбросы не снижаются, но и не растут. Поэтому эксперты полагают, что синтетическое топливо из СО₂ со временем может заменить ископаемое и обеспечить нулевые выбросы углерода. Если мы повнимательнее рассмотрим пилотную установку Carbon Engineering в Британской Колумбии, выяснится, что из выбросов СО₂ она производит синтетическое топливо с низкой углеродоемкостью по процессу Air-to-fuels. Компания утверждает, что «истинно зеленое» топливо пригодно для самолетов и дизельных ­двигателей. Свою ­технологию компания продвигает как «замкнутый углеродный цикл», в котором выбросы СО₂ незначительны или отсутствуют.

Завод DAC мощностью 1 млн тонн в год (эквивалент «работы» 40 млн деревьев) строится на юго-западе США и, как ожидается, будет введен в эксплуатацию в конце 2024 года. Создаются компании по производству растворителей, сорбентов и других химикатов, обеспечивающих процессы DAC. Но насколько «зелены» применяющиеся в этих производствах технологии? Совсем недавно ученые из Научно-­технологического университета им. короля Абдаллы в Саудовской Аравии подсчитали, что количество жидкого или твердого сорбента, необходимого DAC для достижения целей по сокращению выбросов углерода в атмосфере, установленных МГЭИК, составит от 45% до 191% от общего мирового энергоснабжения. Если для обеспечения этой энергии используется ископаемое топливо, то DAC не будет углеродно-­нейтральным или углеродно-­отрицательным процессом. И даже напротив…

По девятибалльной шкале технологической готовности DAC в настоящее время получает твердую «шестерку». Это значит, что технология находится на стадии крупномасштабного создания прототипа и не готова для коммерческого развертывания. Но это означает и то, что возможны повышение производительности и снижение затрат.