Диоксид углерода может быть полезным

Особенно привлекательным сегодня кажется применение CO2 для выпуска карбамида, с помощью которого получают азотные удобрения. Фото Pixabay

Захват и применение диоксида углерода для создания продуктов, обладающих экономической ценностью, может привести к снижению затрат на сокращение эмиссий или содержания этого газа в атмосфере. К такому выводу пришли авторы доклада «Технологические и экономические перспективы применения и изъятия СО2», который был опубликован в научном журнале Nature. Они выделяют десять наиболее реалистичных вариантов утилизации углекислоты.

Традиционные варианты

Один из основных способов – использование диоксида углерода для изготовления химической продукции. Его можно преобразовать в целый ряд веществ, но только несколько вариантов имеют смысл с точки зрения масштаба производства, технологического потенциала и экономической эффективности.

Особенно активно СО2 сейчас применяется для выпуска карбамида (с помощью которого получают азотные удобрения, гербициды, смолы для скрепления материалов, чистящие средства и пищевые добавки) и поликарбонатных полиолов (для создания изоляционных материалов, твердых и эластичных покрытий). Подобная трансформация уже сегодня кажется экспертам рентабельной. При этом существуют варианты технологически возможные, но не получившие широкого распространения, такие как производство метанола. Потенциал использования диоксида углерода для выработки химической продукции к 2050 году авторы исследования видят в диапазоне от 0,3 до 0,6 Гт/год.

Другой путь ведет к топливу и микроводорослям. Опция с топливом из СО2 (на базе метанола, метана, диметилового эфира и реакции Фишера–Тропша) достаточно затратная, но привлекает экологов, так как этот ресурс вносит свой собственный вклад в процесс декарбонизации. Ведь его можно использовать в существующей транспортной системе и даже в сегментах, которые особенно тяжело декарбонизировать, например, в авиации. Долгосрочная перспектива такого применения СО2 для достижения углеродной нейтральности экономики будет зависеть от вовлечения возобновляемых источников энергии в производство, снижения себестоимости такого топлива и его конкуренции с водородом и аммиаком. Из-за этого потенциал использования СО2 в данном случае высокий, но не очень определенный – 1–4,2 Гт/год.

Между тем биотопливо и другие полезные продукты на основе микроводорослей выходят еще дороже, но и уровень фиксации диоксида углерода значительно выше – до 10%. Однако исследования в этом направлении еще ведутся, поэтому и ожидания по задействованию СО2 к 2050 году у экспертов ниже – 0,2–0,9 Гт/год.

СО2 постепенно приходит и в строительную отрасль. В долгосрочной перспективе за счет бетонных стройматериалов можно будет извлекать, использовать и хранить от 0,1 до 1,4 Гт/год. Среди прочих вариантов наиболее удачным ученым кажется применение диоксида углерода в качестве ускорителя застывания цемента.

Еще одним традиционным методом применения углекислого газа считается его подача в скважину под давлением для повышения нефтеотдачи. Так, в США он обеспечивает около 5% добычи черного золота. 1 тонна СО2 позволяет извлечь от 1,1 до 3,3 барр. нефти. Эксперты отмечают, что такой метод подходит для 90% нефтяных скважин в мире. А значит, этим способом можно задействовать и хранить максимум 140 Гт СО2, однако прогноз к 2050 году – 0,1–1,8 Гт/год. В докладе подчеркивается, что, если производители будут ставить целью не максимальную добычу нефти, а максимальную фиксацию диоксида углерода, можно добиться более значительного снижения его концентрации в атмосфере. Но это опять же недешево.

Нестандартный подход

Первым из нестандартных аспектов утилизации СО2 авторы исследования называют биоэнергетику, которая подразумевает сжигание растительного топлива со связыванием и сохранением выделяемого углерода. В то же время эксперты сомневаются в достаточности ресурсов для полномасштабного внедрения таких технологий, так как невозможно бездумно выделять земли под выращивание растений для биотоплива в ущерб продуктам питания. Так или иначе потенциальный уровень устранения СО2 этим методом может варьироваться в диапазоне от 0,5 до 5 Гт/год.

Далее идет геоинжениринг, а именно ускоренное выветривание силикатных и карбонатных горных пород. Таким образом можно захватить двуокись углерода (в перспективе 2–4 Гт/год) из атмосферы, а заодно повысить плодородность почвы через поглощение ею питательных веществ, которое ускоряется за счет изменения pH.

В случае лесоразведения и восстановления лесных массивов углекислый газ забирается из атмосферы благодаря процессу фотосинтеза и хранится непосредственно в растущих лесах. При устойчивом развитии лесного хозяйства часть этой углекислоты участвует в производственных процессах и после небольших энергетических потерь переходит в готовую древесную продукцию. И эта продукция, и растущие леса обладают экономической ценностью, а значит, такой процесс может считаться вариантом использования СО2, говорят эксперты. По их расчетам, к 2050 году потенциал его улавливания в этом секторе будет 0,5–3,6 Гт/год.

Также среди способов применения диоксида углерода ученые называют землепользование и удобрение биоуголем, но только когда в результате увеличиваются объемы получаемой сельскохозяйственной продукции, которая обладает экономической ценностью. СО2, что попадает в землю, либо идет на увеличение урожайности, либо сохраняется в почве. Эксперты отмечают, что это два взаимоисключающих варианта развития событий. Применение техник по управлению земельными ресурсами может привести к использованию 2,3–5,3 Гт СО2, а конкретно внесение в почву биоугля – 0,3–2 Гт СО2.

Препятствия в распространении

На пути широкомасштабного внедрения всех этих вариантов множество проблем. Главные связаны со стоимостью, технологиями и энергией. И надо учитывать, что, даже если тот или иной метод станет конкурентоспособным исходя из затрат на него, это еще не значит, что он получит коммерческое распространение. Его могут затормозить, например, политические, социальные опасения и задачи или географический фактор.

Однако большинство технологий все еще слишком затратные. Так себестоимость топлива с применением СО2 пока значительно превышает среднерыночные показатели в этом секторе. В то же время представители бизнеса уверены, что те технологии, которые уже сейчас рациональные с экономической точки зрения, будут становиться все более выгодными. Особенно это относится к закреплению цемента и производству поликарбонатных полиолов.

Что касается энергии, иногда она требуется в больших количествах для проведения химических реакций при трансформации, а иногда чтобы увеличить концентрацию СО2 от 0,04% до 100%. В свою очередь, для естественных процессов нужна энергия солнца, которая собирается в процессе фотосинтеза, чтобы преобразовать двуокись углерода и воду в карбогидраты. И хотя фотосинтез, по словам ученых, процесс в данном случае неэффективный, биологические варианты утилизации СО2 необязательно более дорогие.

В заключение стоит сказать, что потенциалы разных вариантов использования двуокиси углерода нельзя суммировать. Эксперты предупреждают, что выход на первый план той или иной технологии может затормозить или вообще исключить внедрение другой. Также надо понимать, что они не всегда идут на пользу замедления глобального потепления, а в некоторых случаях при изменении условий могут даже добавить парниковых газов в атмосферу. Например, так может произойти в случае повышения нефтеотдачи скважин с помощью СО2 без прямого захвата воздуха и при определенном уровне декарбонизации атмосферы. Чем дальше зайдет процесс декарбонизации, тем менее эффективными и полезными будут многие из этих методов.

Статья подготовлена на основе доклада «Технологические и экономические перспективы применения и изъятия СО2» Кэмерона Хэпберна, Эллы Адлен, Джона Беддингтона и др., напечатанного в еженедельном международном журнале Nature (№ 575, 2019, стр. 87–97).