Основную часть электроэнергии человек получает, сжигая ископаемое топливо. Как следствие, в атмосферу выделяется немало углекислого газа. Использование технологии улавливания и хранения углекислого газа (УХУ, или CCS, от англ. сarbon capture and storage) – один из самых прямых и коротких путей, ведущих к эффективному снижению эмиссии СО₂.

Схема процесса следующая. Вначале углекислота выделяется из дымов крупных источников загрязнения – электростанций, газодобывающих платформ и промышленных предприятий. Далее газ по трубопроводу или транспортом доставляется к назначенному месту и закачивается в лежащие на большой глубине слои пористых пород, где и будет храниться в течение тысячелетий. Так можно предотвратить накопление СО₂ в атмосфере до концентраций, способных спровоцировать изменение глобального климата и повышение кислотности океанских вод.

Чем опасен СО₂?

Выделение углекислоты антропогенными источниками настолько велико, что оно уже нарушило естественный круговорот углерода на планете. В индустриальную эру содержание СО₂ в атмосфере и поверхностных водах океана многократно возросло. В результате воздушная оболочка Земли стала задерживать больше тепла, создавая так называемый парниковый эффект, что уже привело к изменению климата во многих регионах.

Согласно последним научным исследованиям, повышение температуры на поверхности земного шара на 2 градуса Цельсия к 2100 году станет неизбежным. Некоторые учёные не исключают, что потеплеет на целых 5 градусов.

Кроме того, наметилась ещё одна, не столь очевидная, но не менее серьёзная угроза – закисление Мирового океана. При взаимодействии СО₂ с водой образуется угольная кислота. Уровень кислотности морских вод оставался неизменным в течение 20 миллионов лет, но учёные предсказывают, что к 2100 году он увеличится в четыре раза. Для океанских экосистем, а также всех связанных с ними видов, в том числе и человека, последствия будут катастрофическими.

На полпути к катастрофе

Слишком много СО₂ в атмосфере – это сколько? Точно не знает никто. Зато известно, что, согласно климатическим моделям, общее потепление на земном шаре на 2 градуса повлечёт за собой серьёзные последствия – от частых природных катаклизмов до снижения урожаев. И можно вычислить концентрацию углекислого газа, достаточную для такого подъёма температуры: она равна примерно 0,045 процента.

Для большей наглядности можно подсчитать массу углерода, которую нужно сжечь, чтобы достичь критического порога, – это около 1 триллиона тонн (или 3,6 триллиона тонн СО₂). Такой подход помогает оценить, какую часть данного углеродного «бюджета» мы уже израсходовали, а также понять, как скоро он будет исчерпан, учитывая перспективы дальнейшего использования угля, нефти и газа.

Результаты расчётов таковы: мир уже наполовину истратил дозволенный лимит, а свою триллионную тонну мы сожжём в ближайшие 20–30 лет.

Справка NNN: По подсчётам Международного энергетического агентства, если не принять срочных мер, к 2050 году мир будет выделять в атмосферу 57 гигатонн СО₂ в год. Оптимальным подходом к решению проблемы признан тот, при котором на долю CCS приходится 20 процентов от общего объёма снижения.

Что делать?

По всем прогнозам, ископаемые виды топлива ещё в течение многих лет будут обеспечивать до 80 процентов энергетических нужд.

Разработка программ по повышению энергоэффективности и переход на возобновляемые источники требуют времени. Одна из идей – в течение следующих 30–60 лет снижать выделение СО₂ в атмосферу методом улавливания и хранения углерода.

Не панацея, конечно, но эти методы могут внести существенный вклад в сокращение выбросов. Специалисты Международного энергетического агентства сошлись во мнении, что по сравнению с другими методами схема CCS наиболее выгодна экономически, и к 2050 году доля углекислого газа, устраняемого с её помощью, должна составлять 1/5 от общего объёма снижения выбросов.

По этой причине методы CCS занимают особое место в низкоуглеродных стратегиях Австралии, стран ЕС, Канады, Норвегии, США и других индустриально развитых государств. Важность данной технологии признают и в развивающемся мире, например в Бразилии, Китае и ЮАР.

Для улавливания и хранения углерода на угольных электростанциях и промышленных предприятиях необходимо устанавливать специальное оборудование, крупногабаритное и очень сложное. Чтобы достичь желаемых результатов, начинать повсеместное внедрение этой методики следует уже сегодня. При этом масштабы и стоимость такой работы трудно даже представить.

Как выловить СО₂?

Содержание СО₂ в выбросах обычной угольной электростанции составляет около 10 процентов, и, прежде чем закачивать углекислоту в хранилище, необходимо отделить её от остальных компонентов смеси. Отправлять под землю все продукты сгорания целиком было бы делом нереальным хотя бы потому, что их общий объём чрезвычайно велик. Однако извлечение углекислого газа – самая дорогая стадия процесса, и учёные занимаются поиском оптимального решения этой проблемы.

Известные на сегодня методы улавливания углерода требуют больших энергозатрат, поэтому исследователи постоянно ищут альтернативы, которые позволили бы эффективнее расходовать ресурсы.

Сейчас для захвата СО₂ применяются химические вещества амины, вступающие с ним в реакцию и выделяющие его обратно при нагревании. Недавно разработаны новые типы этих соединений, высвобождающие углекислый газ при достаточно низких температурах и устойчивые к воздействию других продуктов сгорания, что продлевает срок их службы. Важно и то, что всё это не вносит в технологию дорогостоящих изменений.

В стадии разработки захват углерода с помощью металлорганических каркасных структур – кристаллических образований, обладающих большой внутренней поверхностью относительно своего веса. Под определённым давлением они либо избирательно поглощают СО₂, либо высвобождают его. Такая система очистки самая компактная и энергосберегающая по сравнению с остальными.

Ещё один вариант – использование специальных мембран, отфильтровывающих CO₂. Они уже широко применяются для отделения углекислого газа от водорода. Однако к отделению СO₂ от других газов они пока не совсем готовы: надо многократно увеличивать размеры плёнок, приспособить их для эксплуатации при более высокой температуре и повысить их избирательность.

Есть предложение попробовать пустить в дело морские водоросли: помещать в специальные резервуары и подавать туда продукты сгорания. При этом СО₂ поглощался бы в ходе фотосинтеза. В итоге должна получаться биомасса, в свою очередь пригодная на роль топлива. Правда, пока непонятно, как быть с постоянной потребностью растений в солнечном свете и микроэлементах.

Возможно, самое эффективное решение – перейти на принципиально иную технологию сжигания топлива, например окисление не кислородом воздуха, а твёрдыми оксидами металлов. В результате такой реакции оксид становится чистым металлом, из других продуктов образуются только углекислый газ и водород. Последний можно было бы использовать в качестве горючего. Процесс требует энергозатрат, однако они во многом полностью компенсируются при регенерации чистого металла до его оксида кислородом воздуха – этот процесс идёт с выделением тепла. В общей сложности расходы на улавливание СО₂ составляли бы лишь 2 процента от всей произведённой энергии (для сравнения: сейчас это примерно 25 процентов).

Полный текст читайте в новом номере New Scientist ru № 7, июнь 2011 года.