Швейцарская компания Climeworks запустила установку Mammoth («Мамонт») — крупнейшее в мире предприятие по извлечению углекислого газа из воздуха. Цель ее работы, разумеется, борьба с глобальным потеплением.
Подавляющее большинство климатологов сходятся в том, что климат меняется из-за антропогенных выбросов углекислого газа. По оценкам ученых, нынешний уровень CO2 — рекордный за последние 3 млн лет. При этом количество углекислого газа в атмосфере продолжает расти быстрее, чем когда-либо за предыдущие 50 000 лет.
Проблему можно решать двумя способами — сжигать меньше углеводородов или улавливать выделяющийся углекислый газ. Всеобщий отказ от ископаемого топлива не выглядит реальным. Но и на втором пути встречаются немалые трудности.
Консервы от мамонта
«Мамонт» использует технологию прямого захвата CO2 из воздуха (direct air capture или DAC). Вентиляторы гонят поток воздуха через химический фильтр, поглощающий углекислоту. Когда фильтр насыщается, его герметизируют и нагревают до 100°C. Выделяющийся при этом углекислый газ растворяют в воде и закачивают в подземное хранилище, где он со временем может стать частью природных минералов. Фильтр же начинает новый цикл работы.
«Мамонт» примечателен не технологией DAC (она известна давно), но масштабами. После выхода на полную мощность он будет консервировать 36 000 т CO2 в год, а в отдаленных планах компании уже фигурируют мега- и гигатонны.
Первый очевидный вопрос: сколько топлива нужно сжечь, чтобы обеспечить это предприятие энергией? Поглощает ли оно хотя бы тот углерод, что требуется для его работы? В Climeworks гордо отвечают, что их детище расположено в Исландии и запитано от геотермальной электростанции.
Это решение красивое, но локальное. Компания не раскрывает мощность установки, но в 2020 году вся геотермальная энергетика Исландии выработала 6 гигаватт-часов, и почти половина мощности приходилась на электростанцию Хетлисхейди, питающую «Мамонт». Предположим, что предприятие на полной мощности будет потреблять 1% мощности электростанции. Между тем глобальные выбросы углекислого газа в 2022 году составляли 37 млрд т. Чтобы компенсировать ежегодную эмиссию CO2, потребовался бы миллион таких установок, как «Мамонт». Или, по нашей приблизительной оценке, около 30 тераватт-часов безуглеродной электроэнергии в год. При этом мировая электрогенерация в 2020 году составляла всего 27 ТВт⋅ч.
Если верить этим грубым прикидкам, чтобы забрать из воздуха весь выбрасываемый CO2, нужно всего ничего — удвоить мировую электрогенерацию за счет безуглеродных источников. Если бы это было возможно, проще было бы отказаться от ископаемого топлива, заменив его чистой электроэнергией.
Следующий вопрос: за чей счет этот банкет? Climeworks работает по контракту с Министерством энергетики США, то есть отбор углекислого газа над Исландией оплачивают американские налогоплательщики. Но трудно даже предположить, во сколько может обойтись декарбонизация, ощутимая в масштабах планеты.
Углеродная прибыль
Складировать углекислоту под землей как бесполезный балласт не слишком экономично. Уже давно существуют технологии синтеза топлива и химического сырья из углекислого газа и воды. Коммерческий продукт может хотя бы отчасти окупить затраты на сбор CO2. Особенно если это такой востребованный товар, как, например, бензин.
Но какой смысл делать из углекислого газа топливо, которое при сжигании превратится обратно в углекислый газ? Дело в том, что мы возвращаем в атмосферу ее «родной» CO2, а не добавляем новый, как при сжигании нефти. Такова концепция углеродно-нейтрального топлива.
Еще в 2018 году специалисты американской компании Carbon Engineering опубликовали в научном журнале Joule подробное технико-экономическое обоснование для установки, перерабатывающей 1,5 млн т CO2 в год. Конечный продукт — бензин и дизельное топливо. Технология была опробована на опытной установке, перерабатывающей одну тонну углекислого газа в сутки и запитанной от гидроэлектростанции.
Потребности мегатонной установки в тепле и электроэнергии предлагается закрывать, сжигая природный газ. При этом будет выделяться 480 000 т CO2 в год. Однако инженеры собираются не выбрасывать его в атмосферу, а тут же перерабатывать вместе с извлеченными из воздуха 980 000 т CO2. Эти 0,98 млн т в год и есть чистая «углеродная прибыль» от работы агрегата.
А что насчет экономической прибыли? В 2018-м авторы ожидали, что извлечение и переработка тонны CO2 обойдется в $95 – $230, что позволило бы им не только окупить расходы, но и заработать на продаже топлива. Заметим, что с тех пор цены как на бензин, так и на природный газ в США испытывали резкие колебания. Топливный рынок вряд ли будет стабильным в эпоху геополитических бурь, так что рентабельность технологии под вопросом. Во всяком случае, планы компании к 2021 году выпускать 200 баррелей топлива в сутки не реализовались. Сейчас на сайте Carbon Engineering сообщается о строительстве установки по улавливанию 500 000 т CO2 в год. Ввод в эксплуатацию запланирован на 2025 год, причем о судьбе углекислого газа говорится расплывчато. Его можно будет «хранить глубоко под землей или использовать для производства продуктов с низким углеродным следом».
Спирт из дымохода
До сих пор мы говорили об установках, отбирающих углекислый газ из атмосферного воздуха. Но проще вообще не выпускать углекислый газ в атмосферу, чем вылавливать его оттуда. Другими словами, CO2 надо изымать из продуктов сгорания топлива (дымовых газов), где его 15%, а не 0,03%-0,04%, как в воздухе.
Правда, извлечение углекислоты из дымовых газов тоже обходится недешево — $70–100 за тонну. Между тем большинство известных технологий переработки требует в качестве реагента чистого CO2. Это существенно увеличивает себестоимость конечного продукта: например, этилена — на 30%. К тому же приходится избавляться от примеси кислорода, которого в дымовых газах более 3%. Иначе 99% потребляемой процессом энергии расходуется на побочные реакции с участием кислорода.
Химики из Сингапура решили обе эти проблемы. Их технология представлена в двух статьях (первая и вторая), опубликованных в журнале Nature Communications. Ученые разработали метод производства этилового спирта и этилена. Как и в других технологиях, химическая реакция идет под действием электрического тока. Однако авторы использовали новую комбинацию из кислого электролита и композитного медно-никелевого катализатора. Это ноу-хау позволило использовать в качестве сырья дымовые газы, прошедшие лишь дешевую предварительную очистку. Новая методика оказалась сравнима по выходу продукта с более дорогими аналогами, использующими чистый CO2.
Тот же подход можно применить и для синтеза других продуктов, например, пропанола. Но прежде всего ученым предстоит масштабировать технологию и оценить ее рентабельность.
Можно еще долго перечислять идеи по использованию углекислого газа. Например, уже опробована экспериментальная тепловая электростанция, где уловленный CO2 вращает турбину вместо водяного пара. Разработчик технологии, компания NET Power, заявляет о рентабельности своего детища.
Но какими бы цифрами ни размахивали стартапы, очень трудно поверить, будто сделать литр бензина из дыма и тем более воздуха может быть дешевле, чем из нефти или даже угля. Пока на рынке есть доступные углеводороды, драйвером углеродно-нейтральных технологий будет не прибыль, а климатическая ответственность. За которую, естественно, кто-то должен платить.