Поймать и обезвредить

Как улавливание и хранение СО₂ может помочь человечеству в борьбе с глобальным потеплением

Согласно последним данным Межправительственной группы экспертов по изменению климата, уровень углекислого газа в атмосфере продолжает расти, что приводит к опасным климатическим изменениям. Чтобы ограничить повышение температуры на уровне 1,5 °C (согласно Парижскому соглашению), необходимо снизить выбросы диоксида углерода на 45% к 2030 году по сравнению с уровнем 2010 года и достичь углеродной нейтральности к 2050 году. Развитие и применение технологий улавливания и хранения CO₂ — один из путей достижения этой цели. Рассказываем, что означает понятие «улавливание и хранение углекислого газа», которое является зонтичным и включает в себя целый ряд направлений и технологий.

Автор:
Екатерина Грушевенко, старший аналитик, Проектный центр по энергопереходу, Сколтех

Технологии CCUS: захват на месте

Технологии CCUS (Carbon Capture, Utilization, and Storage — улавливание, использование и хранение) — это совокупность методов, которые предлагают возможность уменьшить выбросы, улавливая углекислый газ непосредственно из источников выбросов и храня его или используя для производства различных продуктов.

Данный метод является эффективным инструментом в борьбе с изменением климата, не требующим радикальной перестройки промышленных предприятий и позволяющим сократить негативное воздействие на окружающую среду прямо у источника загрязнения.

Отдельно стоит выделить улавливание и полезное использование диоксида углерода (Carbon Capture and Utilization, CCU) — комплекс методов и процессов, направленных на захват углекислого газа из различных источников выбросов и его последующее использование в промышленных или коммерческих целях.

Технологическая цепочка CCUS включает в себя несколько этапов. Первый этап — это улавливание диоксида углерода. Этот процесс заключается в захвате CO₂, который эмитируется, например, на электростанциях или заводах в процессе сжигания ископаемых видов топлива. Существуют разные технологии для улавливания, одним из наиболее распространенных методов является метод аминовой очистки дымовых газов.

Далее следует транспортировка CO₂. Она может осуществляться различными методами: от цистерн до трубопроводов и танкеров. Транспортируемый CO₂ может быть направлен на производство для полезного использования или в подземные резервуары на долгосрочное хранение.

После улавливания CO₂ можно применять для создания различных продуктов. Например, углекислый газ можно преобразовать в синтетическое топливо и использовать для автомобилей или в промышленности. В строительной отрасли CO₂ применяется для производства бетона. Диоксид углерода может служить сырьем для производства пластмасс и других химических веществ. Также CO₂ нужен в пищевой промышленности и сельском хозяйстве.

Если CO₂ не используется, он может быть закачан под землю в истощенные нефтегазовые коллекторы, угольные шахты или соленосные пласты (аквиферы). Также углекислый газ может быть использован для увеличения нефтеотдачи на старых месторождениях.

Технологии CDR: почистить атмосферу

Суть технологий удаления диоксида углерода (Carbon Dioxide Removal, CDR) заключается в активном антропогенном удалении CO₂ из атмосферы с целью снижения концентрации парниковых газов, что, в свою очередь, помогает бороться с изменением климата. CDR охватывает широкий спектр методов, включая как естественные процессы, такие как лесоразведение и восстановление экосистем, так и технологические решения. Эти технологии могут быть разделены на несколько основных категорий.

Одной из наиболее перспективных технологий CDR является прямое улавливание CO₂ из воздуха (Direct Air Capture, DAC). Эта технология представляет собой подход к извлечению углекислого газа непосредственно из атмосферы с использованием сложных химических процессов. Специально разработанные установки оснащены мощными фильтрами, которые пропускают через себя огромные объемы воздуха, эффективно улавливая CO₂. Захваченный таким образом углекислый газ может быть закачан под землю либо использован для создания различных полезных продуктов.

Другой важной технологией в арсенале CDR является BECCS (Bioenergy with Carbon Capture and Storage). Этот метод представляет собой симбиоз производства биоэнергии и процесса улавливания и хранения углекислого газа. В основе BECCS лежит использование растительных культур, которые в процессе своего роста активно поглощают CO₂ из атмосферы. Затем эти культуры сжигаются для получения энергии, а выделяющийся при этом углекислый газ улавливается. Захваченный CO₂ может быть использован в различных промышленных процессах или закачан под землю для долговременного хранения.

Ускоренная минерализация CO₂ представляет собой еще один перспективный метод в области CDR. Этот процесс, эффективно удаляющий CO₂ из атмосферы на длительный срок, основан на природных геологических процессах, но значительно ускоренных благодаря технологиям. В ходе ускоренной минерализации CO₂ вступает в реакцию с определенными минералами, в результате чего образуются стабильные карбонатные соединения. Эти соединения способны хранить углерод в течение тысячелетий.

Возможно использование океанов в качестве естественных поглотителей углекислого газа. Океаны играют ключевую роль в глобальном углеродном цикле, поглощая значительную часть атмосферного CO₂, и некоторые технологии CDR направлены на увеличение способности океанов поглощать углекислый газ. Это может достигаться путем внесения питательных веществ в определенные участки океана для стимулирования роста фитопланктона, который поглощает CO₂ в процессе фотосинтеза. Также разрабатываются искусственные методы, направленные на усиление природных процессов поглощения CO₂ океанами, такие как использование специальных плавучих устройств для увеличения площади контакта воды с атмосферой.

Важно подчеркнуть, что технологии CDR не являются панацеей и не могут полностью заменить необходимость сокращения выбросов CO₂ в атмосферу. Они должны рассматриваться как дополнительный инструмент в комплексной стратегии по борьбе с изменением климата. Технологии CDR призваны дополнять усилия по ограничению выбросов CO₂, создавая необходимый баланс и помогая достичь целей по сокращению концентрации парниковых газов в атмосфере.

Экономические аспекты: дорого, но перспективно

Важной частью технологий улавливания и хранения CO₂ является экономическая составляющая. Эти технологии требуют значительных инвестиций в исследования и разработки, а также в инфраструктуру. Не все области применения технологий улавливания и хранения, а также не все элементы технологической цепочки имеют одинаковую стоимость.

Если говорить об улавливании диоксида углерода, то стоимость может сильно варьироваться в зависимости от источника CO₂: от $15–25 за тонну CO₂ для промышленных процессов, производящих высококонцентрированные потоки CO₂ (например, производство этанола или переработка природного газа), до $40–120 за тонну CO₂ для процессов с низкоконцентрированными газовыми потоками, таких как производство цемента и выработка электроэнергии [1].

Улавливание CO₂ непосредственно из воздуха в настоящее время является наиболее дорогостоящим. Правда, оценки разнятся и варьируются от $100 до $1000 за тонну. Так, согласно недавней оценке IEAGHG [2], стоимость удаления CO₂ с помощью DAC находится в диапазоне $200–700 за тонну CO₂.

Если говорить о стоимости транспортировки и хранения, то она также может сильно различаться в каждом конкретном случае, в основном в зависимости от объемов CO₂, расстояния транспортировки и условий хранения. Например, в США стоимость наземного трубопроводного транспортирования находится в диапазоне $2–14 за тонну, в то время как стоимость подземного хранения имеет еще более широкий разброс. Однако более половины мощностей хранилищ могут быть доступны по цене ниже $10 за тонну. В некоторых случаях затраты на хранение могут быть даже отрицательными, если CO₂ закачивается в нефтяные месторождения (и постоянно хранится в них) для увеличения добычи и, таким образом, способствует получению большего дохода от продажи нефти [3].

Существует значительный потенциал для снижения затрат по всей цепочке создания стоимости CCUS, особенно в связи с тем, что многие технологии все еще находятся на ранних стадиях коммерциализации [4]. Опыт показывает, что CCUS должен стать дешевле по мере роста рынка, развития технологий, снижения затрат на финансирование, достижения экономии за счет масштаба и накопления опыта строительства и эксплуатации объектов CCUS. Эта модель уже наблюдалась для технологий возобновляемой энергии в последние десятилетия.

Снижение затрат уже было достигнуто в крупномасштабных проектах CCUS. Например, стоимость улавливания CO₂ в энергетическом секторе снизилась на 35% в процессе эволюции от первого до второго крупномасштабного объекта CCUS (с 2014 по 2017 г.), и эта тенденция должна продолжиться по мере расширения рынка в следующие два-три года [5].

Барьеры: как преодолеть?

Широкое внедрение технологий CCUS сталкивается с рядом барьеров и проблем, которые необходимо решить. Одним из основных препятствий для внедрения CCUS являются значительные первоначальные инвестиции, необходимые для улавливания, транспортировки и хранения CO₂. Затраты, связанные со строительством и эксплуатацией инфраструктуры CCUS, включая специализированное оборудование для улавливания, транспортные трубопроводы и безопасные хранилища, могут быть огромными.

Экономической целесообразности проектов по улавливанию, использованию и хранению диоксида углерода препятствует отсутствие надежных финансовых механизмов, которые стимулировали бы компании инвестировать в эту технологию. Эффективным экономическим стимулом для внедрения CCUS может стать ценообразование, которое устанавливает денежную стоимость выбросов CO₂. Однако схемы такого ценообразования еще не получили широкого распространения, а существующие схемы часто не содержат необходимого ценового сигнала, чтобы сделать технологии CCUS экономически привлекательными. Так, в 2024 году только 24% антропогенной эмиссии покрывалось углеродными налогами и системами торговли квотами на выбросы [6]. При этом средняя цена за тонну CO₂ составила $32, тогда как для достижения целей Парижского соглашения она должна находиться в диапазоне $40–80 за тонну.

Несмотря на то, что за последние годы технологии CCUS значительно продвинулись вперед, необходимы дальнейшие исследования и разработки для повышения их зрелости, эффективности и масштабируемости. Повышение эффективности процессов улавливания CO₂, расширение спектра вариантов утилизации CO₂ и оптимизация методов хранения имеют решающее значение для повышения экономической эффективности и конкурентоспособности технологий CCUS.

Отсутствие четкой и упорядоченной нормативно-правовой базы может привести к неопределенности и задержкам в разработке проектов. Навигация по сложным нормативным процедурам и получение необходимых разрешений могут отнимать много времени и средств. Разработка комплексных нормативных актов, учитывающих вопросы безопасности, мониторинга и ответственности, необходима для создания предсказуемой и благоприятной нормативной среды для проектов CCUS.

Потенциал: промышленность и электроэнергетика

Наиболее перспективными сферами применения технологий CCUS являются отрасли промышленности. Но достижение глубокой декарбонизации в тяжелой промышленности (производство цемента, стали и химикатов) — сложная задача по ряду причин.

Во-первых, промышленные объекты служат 30–40 лет. Досрочное закрытие для перехода на новые технологии слишком дорого. Во-вторых, многие процессы требуют температур 1000–1500 °C, что обычно обеспечивается сжиганием ископаемого топлива. Электрические альтернативы пока непрактичны. В-третьих, при некоторых процессах неизбежно выделяется CO₂ (например, при производстве цемента). И в-четвертых, многие промышленные товары торгуются на конкурентных глобальных рынках. Переход на более дорогие низкоуглеродные технологии затруднен из-за риска потери конкурентоспособности.

Однако улавливание, использование и хранение диоксида углерода является относительно передовым и экономически конкурентоспособным вариантом для значительного сокращения выбросов CO₂ при производстве этих важнейших материалов. Также может быть более экономически эффективным модернизировать существующие объекты с помощью CCUS, чем строить новые мощности с использованием альтернативных технологий [7]

CCUS в настоящее время является самым дешевым вариантом для сокращения выбросов при производстве некоторых важных химических веществ, таких как аммиак, который широко используется в удобрениях. Предполагаемые затраты на производство аммиака и метанола с использованием CCUS на основе природного газа примерно на 20–40% выше, чем без использования, в то время как стоимость производства на основе электролитического водорода, по оценкам, выше на 50–115%.

CCUS также может быть экономически эффективной стратегией для решения проблемы выбросов от существующих угольных и газовых электростанций. Около трети сегодняшних угольных и газовых станций были построены только в последнее десятилетие; модернизация с помощью CCUS может позволить им продолжать работу и избежать затрат на досрочный вывод из эксплуатации.

CCUS может поддерживать интеграцию возобновляемых источников энергии в энергосистемы. Растущая доля энергии от переменных возобновляемых источников приводит к большей потребности в мощностях, доступных «по требованию»для обеспечения стабильной работы энергосистем. Угольные или газовые электростанции, оснащенные CCUS, могут обеспечить эту мощность и поставлять электроэнергию в любое время.

---

[1] Осипцов А., Гайда И., Грушевенко Е., Капитонов С.  Технологии по улавливанию, хранению и использованию углерода (CCUS) — технологическая основа декарбонизации тяжелой промышленности в Российской Федерации. — Сколтех, 2022.

[2] https://ieaghg.org/publications/technical-reports

[3] Is carbon capture too expensive? / IEA. Paris, 2021. URL: https://www.iea.org/commentaries/is-carbon-capture-too-expensive

[4] Грушевенко Е.В., Капитонов С.А., Ляшик Ю.А., Гайда И.В., Осипцов А.А. Анализ конкурентоспособности технологий CCUS: технологическая готовность и экономика // PROНЕФТЬ. Профессионально о нефти. — 2023. — Т. 8. — № 1. — С. 158-176. — URL: https://doi.org/10.51890/2587-7399-2023-8-1-158-176

[5] Осипцов А., Гайда И., Грушевенко Е., Капитонов С.  Технологии по улавливанию, хранению и использованию углерода (CCUS) — технологическая основа декарбонизации тяжелой промышленности в Российской Федерации. — Сколтех. — 2022.

[6] World Bank. 2024. State and Trends of Carbon Pricing 2024. Washington, DC: World Bank. DOI: 10.1596/978-1-4648-2127-1. License: Creative Commons Attribution CC BY 3.0 IGO.

[7] The challenge of reaching zero emissions in heavy industry / IEA. — Paris, 2020.