Стефан Василев
Фото freepik.com
Достижение углеродного «нуля» объявлено на самом высоком международном уровне как стратегическая, измеримая цель предотвращения критического потепления и климатического коллапса. Простого уменьшения выбросов «парниковых» газов путем перехода на без- и низко-углеродные источники энергии недостаточно. Остающаяся часть баланса должна покрываться за счет других мер, в т.ч. улавливания, использования и сохранения СО2 и других «парниковых» газов. Данная статья посвящена одному из менее исследованных разделов в этой области. Не претендуя на всеобъемлемость, ее цель скорее обозначить некоторые проблемы, тенденции и возможные решения, а также предложить авторскую оценку их плюсов и минусов.
Общая модель баланса глобального углеродного «нуля»
Глобальный проект по достижению углеродной нейтральности к середине века, и ограничению глобального потепления и изменения климата предполагал с самого начала взаимодополняемую комбинацию между сокращением выделения выбросов путем ускоренного перехода на возобновляемые источники энергии (ВИЭ), повышения энергоэффективности и внедрения систем поглощения двуокиси углерода.
Текущая ситуация с энергоносителями на мировых рынков, характерная замедленнием перехода на зеленую энергию и сохраненением ископаемых источников в большом объеме вносит коррекции и уже существенно изменила пропорцию между упомянутыми выше тремя основными компонентами, в частности – 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). Растет число технологий последующего полезного использования СО2, в т.ч. для создания синтетического топлива или для долгосрочного хранения, обычно в отработанных нефтяных или газовых месторождениях в недрах или на больших глубинах в океанах.
Основная проблема с такими технологиями – дороговизна и их преобладающий, пока еще преимущественно экспериментальный характер. Неудивительно, что они пока занимают символическое место в общем балансе. Ожидается, что более строгое законодательное ограничение на выбросы и введение их предельных потолков, увеличение цен и штрафов в национальном и региональном масштабе, ввод разных систем трансграничного налога и т.д. будут способствовать их более массовому применению. Сильный интерес проявляет и сектор развития соответствующих технологий с учетом формирования потенциально крупного сегмента 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» понятия CCUS. Увеличивание площади растительности является самым простым способом наращивания поглощающих способностей. В то же время есть и серьезный изъян. Деревья поглощают СО2 по мере своего роста в рамках длинного периода времени, но начинают выделять его обратно с началом процесса умирания и гниения или при пожарах. Применение ряда мер оптимизации и повышение устойчивости управления лесоводством, работа по заболоченным териториям, предотвращение пожаров и т.д., могут заметно увеличить потенциал лесоклиматических и схожих проектов.
Примечательно и другое сравнение между «широким» и более «тесным» набором средств поглощения и хранения. Более технологически- и финансовоемкие решения дают возможность постоянного хранения (секвестра) СО2. Менее технологические и дешевые варианты не дают такой длительности хранения.
Так, например, к 2030 г. планируется (при наличии достаточности средств и технологических прорывов), что «узкий» набор CCUS, т.е. без лесоклиматического измерения может достичь поглощающую способность в 550 миллионов тонн СО2 в год. Потенциал лесов в мире на конец 2022 г. (без учета другой флоры) исчисляется в 7,5 миллиардов тонн в год.
На фоне этого ожидаемо расширение практических исследований возможностей более дешевого улавливания СО2 с увеличенным сроком хранения.
Другие формы CCUS – суть, терминология, проблемы и перспективы
В этой связи интерес 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», что предотвращает гниение (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 т.ч. в сельском хозяйстве был в одной или другой форме еще в древности.
Биоуголь. 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), подверженной пиролизу (процес 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). Он – 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 др. химическими веществами. Учитывается также и возможность наличия и, соответствено, недопущение привнесения в биочар тяжелых металлов или других токсинов, которые при наличии в почве растительность могла усвоить в процессе роста.
Таким образом общность всей группы основана на использовании разного рода биомассы и процесс 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 древный и естественный способ пиролиза можно наблюдать в обычном костре, когда часть недогоревших древесных кусков засыпаются в процессе горения пеплом, изолируя доступ кислорода к ним, но при этом поддерживая внешнюю высокую температуру за счет горения верхнего слоя костра. В результате происходит простой процесс ипиролиза, а синие огоньки, которые появляются, это ничто другое 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 выше, так и на более совершенном – «ретортном» принципе, в котором используется специальная емкость (реторта), в которой и происходит процес нагревания и карбонизации. При этом получение ретортным методом древесного угля и биоугля требует подвержение материала температурам 300-350°С (т.н. «мягкий» пиролиз), против 800-900°С в случае биочара. Разные температурные режимы позволяют получение более разнообразного продукта, ограниченного параметрами исходного сырья.
Технологии «ретортного» пиролиза тоже имеют отличительные варианты, 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. Их эффективность и безопасность заметно повышаются в переходе от однотактных к многотактным решениям, однако, несравнимы с технологиями непрерывного пиролиза. Последние более пригодны в условиях повышения экологических, энергосберегающих и здравохранительных требований. Хотя, и более технологически сложные, такие технологии дают множество преимуществ. Здесь вместо несколько реторт обычно используется комбинированный единый реактор или связка реактора и утилизатора газа, замещающие функции реторт 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 автоподдержи 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 состоит в т.ч. 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, средством 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 (в т.ч. и из-за способности биочара аккумулировать влагу и азот в почве на длительные периоды). Биочар, конечно, может употребляться и как горючее, и в производстве активированного угля, и особенно при создании новых продуктов, для которых особенно важна чистота и экологичность. Ряд научных исследований также указывают, что высокое качество (чистота) углерода, достижимое при применении высшей технологической схемы (до 99% чистого углерода) позволяет также его применение как прекурсора для производства ряда углеродных или углеродо-содежащих 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 для получения карбидов вольфрама, кремния и других, и в дополнении – в качестве источника углерода при производстве шин, резины и пластмасс». Ведутся и исследования возможности добавления биочара в корма в сельском хозяйстве, которые показывают обещающие результаты.
Биочар и изменение климата
Биочар имеет уникальное свойство поглощать и секвестировать СО2 на многие столетия находясь в почве, придавая ей при этом лучшие качества и способствуя ее устойчивому использованию. Как уже отмечалось, деревья и другая 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.
По этому связка биомасса-биочар является одним из оптимальных кандидатов для решения климатических проблем. Превращение биомассы в биочар позволяет практически безотходную утилизацию остаточной или целевой биомассы, создает продукт, укрепляющий и повышающий свойства почвы, является прекурсором для новых материалов, и в добавок как побочный продукт (за счет синтез-газа выделяемого в процессе пиролизы) служит и как эко-энергоноситель. Такой «тройной» положительный результат делает биочар и технологии его производства очень преспективными в плане климатической повестки и уже позволяет формирование отдельного направления – Пирогенное улавливание и хранение (Pyrogenic carbon capture and storage – PyCCS).
Экономика Биочара
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 г. Precedence Research рынок биочара в 2022 г. составлял 220 миллиардов долларов США. Ожидается, что в рамках следующих 10 лет – к 2032 г., его доля будет более 633 миллиардов долларов.
Цены на биочар, в зависимости от качества, географии рынка и торгуемых объемов может достигать от несколько десятков до несколько сотен долларов США за тонну. Средняя окупаемость установки по производству биочара варьируется в зависимости от требований и рынков поставки от 5 до 9 лет. Дальнейшее развитие технологий приведут и к сокращению сроков возврата капитала. При этом налицо возможности дополнительной рыночной реализации остаточного газа или произведенной им энергии.
Американский университет Вашингтона провел широкое исследование и оценил, что потенциал поглощения СО2 к 2050 г. при использовании биочара может достичь уровня 0.5–2 GtCO2 секвестра в год при цене от 30 до 120 долларов США 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 (VCS). Подобные развития приведут 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.
Биочар в России
Биочар как продукт и технологии его производства хорошо известны в России. В последнем десятилетии увеличились исследования его воздействия как регенерирущее 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 (гос стандартов) биочара как продукта и четкого регулирования его производства и использования.
Создание качественного биочара и его продвижение требует немалые вложения, а рыночная цена в России как правило ниже мировых. Поглощающая способность биочара, как отмечалось, очень высокая и с выской степени 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 производства биочара, государственная поддержка сектора как дальнейший вклад в «озеленение» и устойчивость сельского хозяйства, и т.д. На наш взгляд пироугольная (биачарная) отрасль может быть экономически привлекательна для некоторых регионов России, в которых имеются значительные лесные массивы.
Биочар: панацея или компонент решения климатического вызова
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; созданием новых углеродно-нейтральных продуктов; выделеннием побочной зеленой энергии и т.д.
Вышеизложенное не следует воспринимать как предложение биочара в качестве универсального средства или панцеи. Как и многие другие 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 спесифических почвах и климатических условиях может 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 дожно производится с должным 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, конечно, баланс между секверстром 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 производство 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 биочара как функция его практической потребности, эффективности на условную тонну, инвестиционые 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 новых углеродно-нейтральных материалов, при условии его рационального производства и применения.
