Эти машины очищают воздух от парниковых газов, Клаус Лакнер объясняет, как работает технология.
За два столетия сжигания ископаемого топлива в атмосферу было выброшено больше углекислого газа, мощного парникового газа, чем природа может удалить. По мере того, как этот CO2 накапливается, он удерживает избыточное тепло у поверхности Земли, вызывая глобальное потепление. Сейчас в атмосфере так много CO2, что большинство сценариев показывают, что одних только прекращения выбросов недостаточно для стабилизации климата - человечеству также придется удалять CO2 из воздуха.
Министерство энергетики США поставило перед собой новую цель - расширить масштабы прямого захвата воздуха, технологии, использующей химические реакции для улавливания CO2 из воздуха. В то время как федеральное финансирование улавливания углерода часто вызывает критику, поскольку некоторые люди видят в нем оправдание для продолжения использования ископаемого топлива, удаление углерода в той или иной форме, вероятно, все еще будет необходимо, как показывают отчеты IPCC. Технология механического удаления углерода находится в стадии разработки и работает в очень небольших масштабах, отчасти потому, что современные методы чрезмерно дороги и энергоемки. Но в этом году тестируются новые методы, которые могут помочь снизить потребность в энергии и стоимость.
Мы спросили профессора Аризонского государственного университета Клауса Лакнера, пионера в области прямого улавливания воздуха и хранения углерода, о состоянии технологии и о том, куда она движется.
Что такое прямое удаление углерода и почему оно считается необходимым?
Когда в начале 1990-х я заинтересовался управлением выбросами углерода, меня побудило наблюдение, что углерод накапливается в окружающей среде. Природе требуются тысячи лет, чтобы удалить этот CO2, и мы находимся на пути к гораздо более высоким концентрациям CO2, намного превышающим все, что когда-либо испытывали люди.
Человечество не может позволить себе увеличивать количество избыточного углерода, плавающего в окружающей среде, поэтому мы должны вернуть его обратно.
Не все выбросы происходят из крупных источников, таких как электростанции или фабрики, где мы можем улавливать CO2 по мере его поступления. Так что нам нужно иметь дело с другой половиной выбросов - от автомобилей, самолетов, принятия горячего душа, пока ваша газовая печь выбрасывает CO2. Это означает вытягивание CO2 из воздуха.
Как работает прямой захват воздуха
Поскольку СО2 быстро смешивается с воздухом, не имеет значения, где в мире удаляется СО2 - удаление имеет тот же эффект. Таким образом, мы можем разместить технологию прямого улавливания воздуха там, где мы планируем использовать или хранить CO2.
Способ хранения также важен. Хранить CO2 всего 60 или 100 лет недостаточно. Если через 100 лет весь этот углерод вернется в окружающую среду, все, что мы сделали, это позаботились о себе, и нашим внукам придется снова это понять. Тем временем потребление энергии в мире растет примерно на 2% в год.
Одним из недостатков прямого захвата воздуха, помимо стоимости, является его энергоемкость. Можно ли уменьшить потребление энергии?
Два основных вида использования энергии при прямом улавливании воздуха включают в себя работу вентиляторов для всасывания воздуха и затем нагрев для удаления CO2. Есть способы снизить потребность в энергии для обоих.
Например, мы наткнулись на материал, который притягивает CO2, когда он сухой, и выделяет его, когда он влажный. Мы поняли, что можем подвергнуть этот материал воздействию ветра, и он будет содержать CO2. Затем мы могли бы сделать его мокрым, и он выделял бы CO2 таким образом, который требует гораздо меньше энергии, чем другие системы. Добавление тепла, создаваемого возобновляемыми источниками энергии, повышает давление CO2 еще выше, поэтому у нас есть газ CO2, смешанный с водяным паром, из которого мы можем собирать чистый CO2.
Мы можем сэкономить еще больше энергии, если захват будет пассивным - нет необходимости, чтобы вентиляторы обдували воздух; воздух движется сам по себе.
Моя лаборатория разрабатывает для этого метод, называемый механическими деревьями. Это высокие вертикальные колонны дисков, покрытых химической смолой, около 5 футов в диаметре, с дисками на расстоянии около 2 дюймов друг от друга, как стопка пластинок. При прохождении воздуха поверхности дисков поглощают CO2. Примерно через 20 минут диски заполняются и погружаются в бочку внизу. Мы посылаем воду и пар, чтобы выпустить CO2 в закрытую среду, и теперь у нас есть смесь водяного пара и CO2 низкого давления. Мы можем восстановить большую часть тепла, которое ушло на нагрев коробки, поэтому количество энергии, необходимое для нагрева, довольно мало.
Climeworks продает CO2 по цене от 500 до 1000 долларов за тонну. Это слишком дорого. С другой стороны, при 50 долларах за тонну мир мог бы это сделать. Я думаю, мы сможем добраться туда.
Используя влагу, мы можем сократить потребление энергии примерно наполовину, а в остальном использовать возобновляемые источники энергии. Для этого нужна вода и сухой воздух, так что не везде это будет идеально, но есть и другие способы.
Можно ли безопасно хранить CO2 в течение длительного времени, и достаточно ли такого типа хранения?
Я начал работать над концепцией секвестрации полезных ископаемых в 1990-х годах, возглавляя группу в Лос-Аламосе. Мир может на самом деле избавиться от CO2 навсегда, воспользовавшись тем фактом, что это кислота, а некоторые породы являются щелочными. Когда CO2 реагирует с минералами, богатыми кальцием, он образует твердые карбонаты. Минерализуя таким образом CO2, мы можем постоянно хранить практически неограниченное количество углерода.
Например, в Исландии много базальта - вулканической породы, которая вступает в реакцию с CO2 и превращает его в твердые карбонаты за несколько месяцев. Исландия могла бы продавать сертификаты об улавливании углерода остальному миру, потому что это убирает CO2 для остального мира.
Есть также огромные подземные резервуары от добычи нефти в Пермском бассейне в Техасе. Имеются крупные соленые водоносные горизонты. В Северном море, в километре ниже дна океана, энергетическая компания Equinor улавливает CO2 на газоперерабатывающем заводе и хранит миллион тонн CO2 в год с 1996 года, избегая норвежского налога на выбросы CO2. Количество подземных хранилищ, где мы можем улавливать минералы, намного больше, чем нам когда-либо понадобится для CO2. Вопрос в том, сколько можно перевести в доказанные запасы.
Клаус Лакнер тестирует технологии прямого захвата воздуха в своей лаборатории. Изображение предоставлено Университетом штата Аризона.
Мы также можем использовать прямой улавливание воздуха, чтобы закрыть углеродный цикл, то есть CO2 повторно используется, улавливается и снова используется, чтобы не производить больше. Прямо сейчас люди используют углерод из ископаемого топлива для извлечения энергии. Вы можете преобразовать CO2 в синтетическое топливо - бензин, дизельное топливо или керосин - в котором нет нового углерода, смешивая захваченный CO2 с зеленым водородом, полученным с помощью возобновляемых источников энергии. Это топливо можно легко транспортировать по существующим трубопроводам и хранить годами, поэтому вы можете производить тепло и электричество в Бостоне зимней ночью, используя энергию, которая была собрана в виде солнечного света в Западном Техасе прошлым летом. Полный бак «синтоплива» стоит недорого, и это более рентабельно, чем батарея.
Министерство энергетики поставило перед собой новую цель: сократить затраты на удаление углекислого газа до 100 долларов за тонну и быстро увеличить их в течение десяти лет. Что должно произойти, чтобы это стало реальностью?
DOE пугает меня, потому что звучит так, будто технология уже готова. После 30 лет пренебрежения технологиями мы не можем просто сказать, что есть компании, которые знают, как это делать, и все, что нам нужно сделать, это продвигать их вперед. Мы должны предположить, что это зарождающаяся технология.
Climeworks - крупнейшая компания, занимающаяся прямым улавливанием на коммерческой основе, и она продает CO2 по цене от 500 до 1000 долларов за тонну. Это слишком дорого. С другой стороны, при 50 долларах за тонну мир мог бы это сделать. Я думаю, мы сможем добраться туда.
США потребляют около 7 миллионов тонн CO2 в год в виде торгового CO2 - подумайте, газированные напитки, огнетушители, зернохранилища используют его для контроля зернового порошка, который представляет опасность взрыва. Средняя цена 60-150 долларов. Так что ниже 100 долларов у вас есть рынок.
Что вам действительно нужно, так это нормативно-правовая база, которая говорит, что мы требуем убрать CO2, и тогда рынок перейдет от улавливания килотонн CO2 сегодня к улавливанию гигатонн CO2.
Как вы видите развитие этой технологии через 10 лет?
Я вижу мир, который отказывается от ископаемого топлива, вероятно, постепенно, но имеет мандат на улавливание и хранение всего CO2 в долгосрочной перспективе.
Наша рекомендация заключается в том, что когда углерод выходит из-под земли, он должен быть согласован с равным удалением. Если вы производите 1 тонну углерода, связанного с углем, нефтью или газом, вам нужно отложить 1 тонну. Это не обязательно должна быть та же самая тонна, но должно быть свидетельство о секвестре, подтверждающее, что оно было убрано, и оно должно действовать более 100 лет. Если весь углерод сертифицирован с момента его извлечения из земли, обмануть систему будет сложнее.
Большой неизвестностью является то, насколько сильно промышленность и общество будут стремиться стать углеродно-нейтральными. Отрадно видеть, что такие компании, как Microsoft и Stripe, покупают углеродные кредиты и сертификаты для удаления CO2 и готовы платить довольно высокие цены.
Новым технологиям может потребоваться десятилетие или два, чтобы проникнуть, но если есть экономическая тяга, все может пойти быстро. Первый коммерческий самолет появился в 1951 году. К 1965 году они были повсеместно распространены.