Стефан Василев
Установка для производства биочара. Фото РИА Новости
Запущенный в последние годы амбициозный глобальный проект по достижению углеродной неитральности к середине века и, таким образом, ограничению глобального потепления и изменения климата предполагал с самого начала взаимодополняемую комбинацию между сокращением выделения выбросов путем ускоренного перехода на возобновляемые источники энергии (ВИЭ), повышением энергоэффективности и внедрением разнообразных систем поглощения двуокиси углерода.
Текущая ситуация с энергоносителями на мировых рынках, характерная замедлением перехода на зеленую энергию и сохранением ископаемых источников в большом объеме, вносит коррекции и уже существенно изменила пропорцию между упомянутыми выше тремя основными компонентами, в частности, в направлении необходимости увеличения объемов улавливания, использования и хранeния углерода (УИХ) (Carbon Capture, Use and Storage – CCUS).
Возможности и перспективы CCUS
В более тесном смысле под CCUS обычно подразумевают набор технологий, с помощью которых СО2 улавливается в основном либо напрямую из воздуха (Direct Air Capturing – DAC), либо в процессе его выделения при горении (или при схожих химических и промышленных процессах). Появляется все больше технологий, позволяющих применение последующего полезного использования СО2, в том числе для создания синтетических горючих или для долгосрочного хранения, обычно в отработанных нефтяных или газовых месторождениях в недрах или на глубинах более 1000 м под водой.
Основная проблема с перечисленными технологиями – это их дороговизна и преобладающий пока еще экспериментальный характер. Часто используются разного рода реагенты, абсорбенты и т.д., которые, в свою очередь, тоже надо утилизовать экологически сообразным способом.
Поэтому такие технологии занимают пока только символическое место в общем балансе, но скорее это вопрос времени для их более массового внедрения. Более строгое законодательное ограничение на выбросы и введение их предельных потолков, увеличение цен и штрафов на выбросы в национальном и региональном масштабах, ввод разных систем трансграничного налога и т.д. определенно тоже будут способствовать этому. Не отстает и сектор развития технологий, который представляется как потенциальный крупный сегмент рынка.
С другой стороны, самые масштабные и намного более дешевые способы улавливания заключаются в поглощающей способности растительности на Земле и в Мировом океане, которые входят в рамки широкого смысла CCUS.
Увеличение площади растительности является самым простым способом наращивания этих поглощающих способностей. В то же время есть и серьезный изъян. Например, деревья поглощают СО2 по мере своего роста в достаточно длинном временном отрезке, но начинают выделять его обратно с началом процесса умирания и гниения или при пожарах.
На этот баланс тоже можно позитивно влиять путем применения ряда мер, например, путем более оптимального и устойчивого управления лесоводством, своевременной замены деревьев, работой по заболоченным территориям, предотвращением пожаров и т.д., которые могут заметно расширить потенциал лесоклиматических и схожих проектов.
Примечательно и другое сравнение между широким и более тесным наборами средств поглощения и хранения. Более технологически и финансово емкие решения дают возможность постоянного хранения/захоронения СО2. Менее технологические и дешевые варианты не дают такой длительности хранения. Но их способности тоже неравностойные.
Так, например, к 2030 году планируется (при наличии достаточных средств и технологических прорывов), что узкий набор CCUS, то есть без лесоклиматического измерения, может достичь поглощающую способность в 550 млн т СО2 в год. Потенциал лесов в мире на конец 2022 года (без учета другой флоры) исчисляется в 7,5 млрд т в год.
На фоне этого ожидаемо сильный толчок получили исследования возможностей более дешевого улавливания СО2 с увеличенным сроком хранения.
Другие формы CCUS – суть, терминология, проблемы и перспективы
В связи с этим интерес (особенно с точки зрения уменьшения необходимых инвестиций) представляют подходы и решения, позволяющие поглощение и сохранение СО2 за счет древесины, например, путем ее превращения в разные материалы, используемые преимущественно в строительстве, в сочетании с долгосрочной консервацией, предотвращающей гниение (к примеру, через импрегнирование и т.д.).
В последние годы все больше набирает популярность и другое применение древесины (а также и другой биомассы, что существенно расширяет круг применимых поглощающих структур). Это производство биоугля и биочара.
Очень часто понятия «древесный уголь» (charcoal), «биоуголь» (biocoal), «биочар» (biochar), «пироуголь» (pyrocoal) и др. используются как взаимозаменяющие. Это не совсем корректно.
Преобладает мнение, что биоуголь является наиболее широкой (коренной) категорией для этой группы продуктов. Современный биоуголь как понятие и продукт появился сравнительно недавно, хотя исторически опыт его создания и использования в сельском хозяйстве существовал под одной или другой форме еще в древности. Сегодня биоуголь обычно связывают с процессами торрефикации или карбонизации. Исходное сырье – разного рода биомасса с содержанием углерода до 65% (что также обусловлено и ограниченным запасом древесины), подверженная пиролизу (процесс интенсивного нагрева при ограниченном доступе кислорода), или (реже) путем гидротермической карбонизации.
Пиролизация применяется и для производства древесного угля, но как исходное сырье используются преимущественно твердые породы деревьев.
Биочар (пироуголь), со своей стороны, также продукт пиролиза и своего рода уголь растительного происхождения. Сырье – от древесины любой породы до практически очень широкого спектра отходов лесопромышленного комплекса и сельского хозяйства. Биочар имеет очень высокую степень содержания углерода (90–99%). Одно из основных требований для его производства – это отсутствие вредных и токсичных примесей в исходном сырье, что, например, сразу исключает ряд отходов деревообрабатывающей промышленности из-за загрязненности лаками, красителями и другими химическими веществами. Учитывается также и возможность наличия и соответственно недопущение привнесения в биочар тяжелых металлов или других токсинов, которые при наличии в почве растительность могла усвоить в процессе роста.
Таким образом, общее всей группы основано на использовании разного рода биомассы и процесса пиролиза. В то же время, как было упомянуто выше, исходное сырье ожидаемо определяет и конечный продукт. Разница есть как в использовании, так и в параметрах пиролизации. Самый древний и естественный способ пиролиза можно наблюдать в обычном костре, когда часть недогоревших древесных кусков засыпается в процессе горения пеплом, изолируя доступ кислорода к ним и при этом поддерживая внешнюю высокую температуру за счет горения верхнего слоя костра. А знакомые синие огоньки, которые появляются, – это не что иное, как сгорающий древесный газ, который выделяется в процессе.
Современные методы пиролиза, конечно, основаны на тех же принципах, но с применением новых технологий. Условно процесс пиролизации может основываться как на более примитивном – «костерном» – уровне и принципе, описанном в утрированном виде наверху, так и на более совершенном – «ретортном» – принципе, где используется специальная емкость (реторта), в которой и происходит процесс нагревания и карбонизации. При этом получение ретортным методом древесного угля и биоугля требует подвержения материала более низким температурам – до 300–350 градусов Цельсия (так называемая мягкая пиролиза) против 800–900 градусов Цельсия в случае биочара. Разные температурные режимы позволяют получение более разнообразного продукта, ограниченного опять-таки параметрами исходного сырья.
Технологии «ретортного» пиролиза как таковые тоже имеют варианты отличия, иногда существенные. Сам «ретортный» метод, который первоначально был однотактным, и весь процесс «загрузка–подогрев–охлаждение–очистка» происходил поочередно в одной емкости, постепенно эволюционировал в «револьверный», или многотактный, с применением на каждом этапе отдельной процедуры. Эффективность, экологичность и безопасность заметно повышаются в переходе от однотактных к многотактным решениям, но и последние оставляют многое еще желать в плане улучшений.
В последнее время в связи с повышением экологических, энергосберегающих и здравоохранительных требований популярность набирают технологии непрерывной пиролизации. Хотя и более технологически сложный, такой процесс дает множество преимуществ как по линии эффективности и качества конечного продукта, так и по линии безопасности и экологичности.
Здесь вместо нескольких реторт обычно используется комбинированный единый реактор или связка реактора и утилизатора газа, замещающие функции реторта на каждом этапе процесса. Применяются полностью автоматизированные модули и системы осушки и загрузки, выделения и сортировки продуктов. Соблюдаются оптимальный температурный режим и ограничение доступа кислорода.
Подобные системы намного эффективнее управляют и выделяемым газом, очищая его и возвращая для автоподдержки процесса нагревания, а также для производства побочной зеленой энергии. Если считать, что кроме изложенного разница между биоуглем и древесным углем, с одной стороны, и биочаром – с другой состоит в том числе и в чистоте продукта, то технология непрерывного автоматизированного действия не имеет конкуренции.
Разница есть и в основном применении описываемых продуктов. Так, например, биоуголь служит прежде всего в качестве горючего (теплотворная способность до 25 МДж/кг), как средство очистки жидкостей, средство предоставления углерода для синтетических и органических реакций разных процессов и т.д.
Использование биочара в основном пока направлено на улучшение свойств почв, их здоровья, фертильности и производительности. Биочар, конечно, может употребляться и как горючее, и в производстве активированного угля, особенно при создании новых продуктов, для которых особенно важны чистота и экологичность. Ряд научных исследований также указывает, что высокое качество (чистота) углерода, достижимое при применении высшей технологической схемы (до 99% чистого углерода), позволяет его применение как прекурсора для производства ряда углеродных или углеродосодержащих продуктов.
По последним публикациям, он может использоваться для изготовления более широкого спектра углеродных волокон, применяться в 3D-печати, служить в качестве адсорбента для систем контроля выбросов, а также для обогащения углеродом в металлургии и получения карбидов вольфрама, кремния и других, в дополнение – в качестве источника углерода при производстве шин, резины и пластмасс. Ведутся и исследования возможности добавления биочара в качестве добавок в корма в сельском хозяйстве, которые показывают обещающие результаты.
Изменение климата
Биочар имеет уникальное свойство поглощать и на практике секвестировать СО2 на многие столетия, находясь в почве, придавая ей при этом лучшие качества и способствуя ее устойчивому использованию и развитию. Как уже отмечалось, деревья и другая растительная биомасса поглощают двуокись углерода в процессе фотосинтеза, но в конечном этапе своего естественного жизненного цикла выпускают ее обратно в атмосферу. Подобным образом работает и основной процесс превращения биомассы (в качестве древесного и биоуголя) в горючее и его использование: при его прямом сгорании выделяется соответствующее количество СО2 и другие вредные газы и частицы.
Поэтому связка биомасса–биочар является одним из наилучших кандидатов для целей климата. Превращение биомассы в биочар позволяет практически безотходную утилизацию остаточной или целевой биомассы, создает продукт, укрепляющий и повышающий свойства почвы; является прекурсором для новых материалов, вдобавок как побочный продукт (за счет синтез-газа, выделяемого в процессе пиролизы) является и экоэнергоносителем.
Такой тройной положительный результат делает биочар и технологии его производства очень перспективными в плане климатической повестки и уже позволяет формирование отдельного направления, а именно – пирогенное улавливание и хранение (Pyrogenic carbon capture and storage – PyCCS).
Растущий рынок
Очевидно, что биочар дешевле, чем узкие формы CCUS, но дороже лесоклиматических проектов. В то же время он позволяет сравнимые по времени с первыми хранение и использование CO2.
По последним расчетам, сделанным в начале 2023 года аналитическим центром Precedence Research, рынок биочара в 2022 году составлял 220 млрд долл. Ожидается, что в рамках следующих 10 лет – к 2032 году – его доля будет более 633 млрд долл.
Цены на биочар в зависимости от качества, географии рынка и торгуемых объемов может достигать от нескольких десятков до нескольких сотен долларов за тонну. Средняя окупаемость установки по производству биочара варьирует в зависимости от требований и рынков поставки от пяти до девяти лет. Дальнейшее развитие технологий приведет и к сокращению сроков возврата капитала. При этом налицо и возможности дополнительной рыночной реализации остаточного газа или произведенной им энергии.
Американский Университет Вашингтона провел широкое исследование и оценил, что потенциал поглощения СО2 к 2050 году при использовании биочара может достичь уровня 0,5–2 Гт CO2 секвестра в год при цене от 30 до 120 долл. за тонну CO2.
Использование результатов производства биочара в качестве эмиссионных кредитов уже находится в центре внимания профильных организаций. Так, например, уже есть принятая методология учета применения биочара в рамках Программы верифицированного углеродного стандарта (Verfied Cabon Standard Programme – VCS). Надо ожидать, что подобные развития приведут и к более тесному интегрированию биочара в системе торговли выбросами, взаимозачетов и т.д., обеспечивая дополнительную монетизацию.
С точки зрения климатической повестки важно также учитывать и эквивалентный потенциал биочара для предотвращения выбросов метана, оксидов азота и сажей.
Российский опыт
Биочар как продукт и технологии его производства хорошо известны в России. В последнем десятилетии увеличились исследования его воздействия как регенерующее средство для почв, биодобавки для корма и т.д. именно в российских условиях.
Несмотря на это, его распространение пока не отвечает его реальному потенциалу. Негативно влияет отсутствие общей системы классификации и сертификации (госстандартов) биочара как продукта и регулирования его производства и использования.
Создание качественного биочара и его продвижение также требуют немалых вложений, а рыночная цена в России, как правило, ниже мировой. Поглощающая способность биочара, как отмечалось, очень высокая и с высокой степенью секвестра, но в России есть огромные лесоресурсы поглощения, которые более дешевые. Оживление могут привнести избыток древесных ресурсов, использованных для производства пеллет, например, чей экспорт уменьшился значительно в последние годы, дополнительная монетизация поглощения, энергоэффективная утилизация энергии, которая используется при производстве биочара, государственная поддержка сектора как дальнейший вклад в озеленение и устойчивость сельского хозяйства и т.д.
Панацея или компонент решения проблемы
Роль биочара в решении климатических задач определяется прежде всего уровнем и качеством его способностей для купирования выбросов путем секвестра, влиянием на устойчивость и урожайность почв, создание новых углеродно-нейтральных продуктов, выделением побочной зеленой энергии и т.д.
Вышеизложенное не следует воспринимать как предложение биочара в качестве универсальной панацеи. Как и многие другие методы и средства, биочар имеет и свои недостатки. Например, полезные его качества задержки в себе влаги, минеральных и питательных веществ, уменьшение кислотности и т.д. при передозировке или использовании в более специфических почвах и климатических условиях могут привести к отрицательным последствиям. В некоторых случаях биочар приводит и к нейтрализации или уменьшению действия пестицидов. Некачественный биочар чреват привнесением в почву токсинов и тяжелых металлов. Следовательно, применение биочара должно производиться с нужным учетом местных условий и ограничиваться, где это необходимо.
В процессе производства биочара происходит горение синтез-газа, что приводит к некоторым выбросам. Их можно улавливать, но это приведет к увеличению инвестиций. В любом случае баланс между секвестром и выделяемым объемом выбросов в разы в пользу секвестра, но его конкретные параметры надо учитывать в конечном результате.
Не на последнем месте стоит и вопрос об общем потенциале и обоснованности производства биочара. Очевидно, что производство будет определяться прежде всего потребностью. Массовое превращение биомассы в биочар только из-за целей секвестра вряд ли оправдано, и его не стоит ожидать.
На основе этого будет формироваться и потенциал предельного общего объема секвестра биочаром как функция его практической потребности, эффективности на условную тонну, инвестиционные расходы и др.
Таким образом, можно заключить, что биочар не является универсальным решением, но постепенно занимает значимую нишу в решении широкого спектра климатических вызовов и создании, например, новых углеродно-нейтральных материалов при условии его рационального производства и применения.
