Способы поглощения углекислого газа

Основные поглотители и источники углекислого газа в атмосфере нашей планеты

Углекислый газ выполняет важную функцию в атмосфере Земли. Он вовлечен в процессы появления и разложения всех живых организмов и образования органических соединений из неорганических.
В биосфере СО₂ поддерживает процесс фотосинтеза, который образовывает растительный мир суши и поверхности океана.
Совместно с молекулами воды, метана и озона он формирует «парниковый эффект».

Диоксид углерода — это парниковый газ, который в воздухе воздействует на теплообмен земли и является ключевым элементом в формировании земного климата.
На сегодняшний день прослеживается повышение концентрации двуокиси углерода в атмосфере из-за появления новых искусственных и естественных его источников. Это значит, что климат планеты будет меняться.

Источники углекислоты

Большая часть диоксида углерода планеты естественного происхождения. Но также источниками СО₂ являются промышленные предприятия и транспорт, которые обеспечивают выброс в атмосферу углекислого газа искусственного происхождения.

Природные источники

При перегнивании деревьев и травы каждый год выделяется 220 миллиардов тонн углекислого газа. Океанами выделяется 330 миллиардов тонн. Пожары, которые образовались в связи с природными факторами приводят к выбросу СО₂, равному по количеству антропогенной эмиссии.

Естественными источниками углекислоты являются:

• Дыхание флоры и фауны. Растения и животные поглощают и вырабатывают СО₂, так устроено их дыхание.
• Извержение вулканов. Вулканические газы содержат двуокись углерода. В тех регионах, где есть активные вулканы, углекислый газ способен выходить из земных трещин и разломов.
• Разложение органических элементов. Когда органические элементы горят и перегнивают появляется СО₂.

Диоксид углерода хранится в углеродных комбинациях: угле, торфе, нефти, известняке. В качестве резервных хранилищ можно назвать океаны, в которых содержатся большие резервы углекислоты и вечную мерзлоту. Однако, вечная мерзлота начинает таять, это можно заметить по уменьшению снежных шапок самых высоких гор мира. При разложении органики наблюдается рост выделения в атмосферу углекислого газа. В результате чего хранилище преобразуется в источник.

• 

Северные районы Аляски, Сибири и Канады — это в основном вечная мерзлота. В ней содержится много органического вещества. Из-за нагрева арктических регионов вечная мерзлота тает и происходит гниение ее содержимого.

Антропогенные источники

Главными искусственными источниками CO₂ считаются:

• Выбросы предприятий, которые происходят в процессе сгорания. Результатом является значительное повышение концентрации углекислого газа в атмосфере планеты.
• Транспорт.
• Превращение хозяйственных земель из лесов в пастбища и пахотные земли.

В мире растет количество экологических машин, но их процент по отношению к машинам внутреннего сгорания очень мал. Стоимость электрокаров выше обычных машин, поэтому многие не имеют финансовой возможности приобрести такой вид транспорта.

Интенсивное сокращение лесов для промышленности и сельского хозяйства относится к антропогенным источникам CO₂ не в прямом смысле. Деятельность по уменьшению лесных массивов является причиной неучастия диоксида углерода в процессе фотосинтеза. Что приводит к его накоплению в атмосфере.

Поглотители двуокиси углерода

Поглотителями называют любые искусственные или природные системы, которые впитывают из воздуха углекислый газ. Поглотитель — это структура, которая вбирает из воздуха больше CO₂ чем выбрасывает в него.

Природные поглотители

Леса способны воздействовать на количество двуокиси углерода в воздухе. Они могут быть и поглотителями, и источниками выбросов параллельно (при вырубке). Когда деревья увеличиваются, а лес растет, то углекислый газ поглощается. Данный процесс считается основой развития биомассы. Выходит, что прогрессирующий лес выступает поглотителем.

Лес северного полушария

При сжигании и уничтожении леса основная доля накопленного углерода опять преобразуется в углекислый газ. В итоге лес снова является источником СО₂.
Фитопланктон также является поглотителем углекислого газа на земле. При этом большая часть поглощенного углерода, передаваясь по пищевой цепочке, остается в океане.

Искусственные поглотители

Самыми известными поглотителями СО₂ считаются: раствор едкого калия, натронная известь и асбест, едкий натр.
Эти соединения при протекании химических реакций связывают углекислоту, преобразовывая ее в другие соединения. Существуют установки, которые улавливают углекислый газ из выбросов электростанций и преобразуют его в жидкое или твердое состояние с последующим применением в промышленности. Производятся испытания закачки углекислого газа, растворенного в воде, в базальтовые породы под землей. В процессе реакции образуется твердый минерал.

Станция закачки углекислого газа под землю

Взаимодействие с океаном

В океанах углекислота по наличию превышает атмосферное содержание, если пересчитать на углерод, то выйдет примерно 36 триллионов тонн. Растворенный в океане CO₂ находится в виде гидрокарбонатов и карбонатов. Эти соединения образуются в процессе химических реакций между подводными скальными породами, водой и двуокисью углерода. Реакции эти обратимы, они вызывают образование известняковых и других карбонатных пород с высвобождением половины гидрокарбонатов в виде диоксида углерода.

Круговорот углекислого газа в океане

Протекая сотни миллионов лет, этот круговорот реакций привёл к связыванию в карбонатных породах большей части диоксида углерода из атмосферы Земли. По итогу большинство двуокиси углерода, полученной в результате интенсивных выбросов углекислого газа в атмосферу человеком, будет растворено в океанах. Но скорость, с которой будет протекать этот процесс в дальнейшем, остается неизвестной.
Наличие фитопланктона на поверхности океанов помогает поглощать СО₂ из воздуха в океан. Некоторое количество углекислого газа фитопланктон поглощает при фотосинтезе, приобретая энергию и источник для развития клеток. Когда он погибает и спускается на дно, углерод остается с ним.

Взаимодействие с землей

Углекислый газ воздуха на генетическом уровне взаимосвязан с землей. Постоянно протекающие почвенные движения увеличивают резервы СО₂ в воздухе, где он используется растениями на образование органических элементов. Углекислота выполняет важную функцию в формировании и проветривании почвы. Он принимает участие в разрушении основных минералов, увеличении растворяемости, перемещении карбонатов и фосфатов.

Значительная доля диоксида углерода грунтового воздуха появляется в результате деятельности почвенных организмов, во время распада и окисления органического элемента. До 1/3 части СО₂ вырабатывается корнями высоких растений. Также происходит поступление углекислого газа с газами ювенильного и вадозного происхождения из глубочайших шаров земли. В почвах, сформированных на известковых породах, СО₂ способен выступать продуктом разрушения углекислого кальция почвенными кислотами.

СО₂ грунтового воздуха имеет огромную биологическую значимость. Ее излишек (больше 1%) подавляет проращивание семян и рост корневой системы. Если убрать углекислоту все равно ее кратковременный излишек приведет к медленному росту семян.

В почвах с большим содержанием органического вещества концентрация СО₂ летом и весной увеличивается до 3-9 %. Черноземные грунты вырабатывают от 2 до 6 кг углекислого газа на протяжении 24 часов. В почвенном воздухе на глубине 75-150 см в два раза больше содержание СО₂ нежели в верхних слоях. В теплые времена содержание СО₂ в почвенном воздухе в два раз больше чем в зимний период. Объяснить это можно увеличением активности организмов в грунте.
Необходимо понимать, что многочисленные способы земледелия приводят к повышению концентрации углекислоты в грунте. Среди них можно выделить:

1. органические удобрения;
2. травосеяние;
3. сжатие катками.

Безусловно, не стоит говорить, что плодородность и качество земли зависит исключительно от углекислоты, есть и другие факторы, влияющие на это.
Чтобы регулировать динамику СО2 в почве и увеличивать его содержание до требуемого количества для извлечения хорошего урожая необходимо:

• активировать жизненные процессы в грунте при помощи аэрации;
• осуществлять правильное травосеяние для того чтобы поддерживался и обновлялся резерв органического вещества;
• делать сидерацию и вносить органические удобрения.

Заключение

Несомненно, что без углекислого газа существование на нашей Земле кардинально отличалось бы. Он вовлечен в важнейшие биологические, химические, геологические и климатические процессы. О них важно знать для объяснения многих явлений, происходящих вокруг нас.

Источник

Экология или заработок: двуликий тренд по улавливанию СО2

Внедрением технологий по улавливанию, утилизации и хранению углерода (CCUS) сейчас интересуются многие страны и нефтегазовые компании. Причина состоит не в том, что «захват» и использование СО2 резко стали прибыльными за счет каких-то революционных технологий, которые стали массово внедрять во всем мире. CCUS постепенно становится необходимостью, поскольку все больше государств намерены ограничить максимально допустимый объем выбросов СО2. Превышение таких норм будет приводить к штрафам и необходимости покупать дополнительные квоты на выбросы.

Хорошим примером можно считать политику Qatar Petroleum, руководство которого просто сложило «2+2». Во-первых, конечный продукт в виде СПГ провоцирует при производстве больше выбросов СО2, чем трубопроводный газ. Во-вторых, улавливать углекислый газ дешевле всего в процессе газопереработки. Итог — инвестируя в технологии CCUS, Катар сделает (максимально дешевым способом) свой СПГ конкурентоспособным в Европе, где в перспективе могут принять углеродный налог.

8 февраля 2021 года Qatar Petroleum сообщила, о принятии окончательного инвестиционного решения по проекту разработки восточной части месторождения North Field East, включающего строительство крупнейшего в мире завода по производству СПГ. Особенность объекта — он будет использовать технологии CCUS. Как уверяют представители Qatar Petroleum, мощность установки по улавливанию составит около 2,1 млн т CO2 в год. Гендиректор компании (по совместительству — глава Минэнерго Катара) Саад Шерида аль-Кааби уверяет, что к 2025 году производство СПГ в Катаре к 2025 году будет улавливать более 5 млн т CO2 в год.

Интерес проявляет и Китай. В феврале закончилась постройка завода по улавливанию СО2, который находится на территории угольной электростанции Guohua Jinjie в провинции Шэньси. Задача объекта — предотвратить выбросы 15 тыс. т углекислого газа в год (до 90% выбросов электростанции).

Технология CCUS всячески рекламируется и в масс-медиа США. Напомним, Илон Маск заявил, что готов выделить $100 млн из личных средств человеку или организации, разработавшему технологию CCUS, которую можно масштабировать и применять к различным отраслям экономики.

Технологии CCUS все активнее применяются по причине усиления «зеленого тренда», диктуемого Парижским соглашением по климату. По этой же причине все больший интерес появляется у нефтегазовых компаний к методам увеличения нефтеотдачи (МУН) за счет закачки в пласт СО2.

Разумеется, такой процесс становится привлекательным не потому, что это какая-то новая технология, а благодаря возможности утилизировать углекислый газ, за выбросы которого теперь приходится платить.

В США такие технологии больше всего используют в бассейне Permian, где ведется добыча сланцевой нефти и газа. Это видно на примере работы Occidental Petroleum.

Компания добывает СО2 на месторождениях McElmo и Doe Canyon fields (в Колорадо), и транспортирует его по трубопроводам Cortez transports и Bravo Pipeline в штат Техас — в распределительный центр в Денвер-сити и напрямую в месторождение Bravo Dome. Этот СО2 используется для повышения нефтеотдачи. В целом система транспортирует 1,2 млрд кубических футов (33,9 млн кубометров) CO2 в день.

Если компания готова годами оплачивать расходы по эксплуатации трубопровода длиной в три американских штата, значит, технологии CCUS де-факто приносят коммерческую выгоду при добыче, по крайней мере, в рамках работы крупной нефтегазовой компании.

Occidental Petroleum намерена к 2022 году построить в Техасе завод, способный захватывать до 1 т углекислого газа в год. Впрочем, она не единственная, кто активно использует CCUS в США. В паре с Occidental Petroleum теперь готова работать и ExxonMobil. Как пишет Forbes, ExxonMobil занимается улавливанием СО2 уже 30 лет, она «несет ответственность за захват и хранение около 40% всего СО2, который когда-либо улавливался».

Напомним, руководство ExxonMobil, в отличие от многих нефтегазовых гигантов США и Европы, не было замечено в ВИЭ-лихорадке, которая охватила весь мир. Исполнительный директор и председатель правления ExxonMobil Даррен Вудс не раз открыто говорил, что не видит смысла в переходе на солнечную или ветряную генерацию, а миру нужны газ и нефть. Если подобная компания занимается улавливанием СО2, значит технологии CCUS — это не только экология и исполнение требований Греты Тунберг, а еще и коммерческая выгода. Добавим лишь, что в начале февраля представители ExxonMobil заявили о намерении инвестировать до 2025 года $3 млрд в энергетические технологии, снижающие выбросы СО2.

Этим уже занимаются и в Китае. Комплекс компании Yanchang Petroleum, который захватывает 500 тыс. СО2 в год с близлежащего завода, работающего на угле в городе Юйлинь (провинция Шэньси), намерен отправлять углекислый газ для повышения нефтеотдачи на месторождения в крупнейшем нефтегазовом бассейне Ордос (охватывает части трех провинций: Шэньси и Ганьсу).

В исследовании МЭА за ноябрь 2020 года говорится, что после нескольких лет снижения объемов инвестиций, наблюдаемых с 2017 года, были объявлены планы строительства более чем 30 новых объектов CCUS. Подавляющее большинство из них находится в Соединенных Штатах и Европе, но проекты также планируются в Австралии, Китае, Корее, на Ближнем Востоке и в Новой Зеландии. Если все эти проекты реализуют, то объем глобальных мощностей по улавливанию CO2 увеличится более чем втрое и составит около 130 млн т в год.

Пока что в мире насчитывается всего около 20 коммерческих проектов: в США, Бразилии, Норвегии, Канаде, Китае, ОАЭ, Саудовской Аравии, Австралии. Несмотря на кризис COVID-19, в 2020 году правительства и частный бизнес из разных стран мира, как утверждают аналитики МЭА, выделили на технологии и постройку объектов CCUS около $4,5 млрд.

В опубликованных в декабре 2020 года журналом Earth System Science Data исследованиях говорится, что количество углекислого газа, попавшего в атмосферу за 2020 год, по сравнению с предыдущим годом уменьшилось на 7%. Разумеется, такой эффект спровоцировали пандемия и теплая зима 2020 года. Но объем выбросов замедлился и до этого аномального года. В отчете МЭА за 2019 год говорилось, что выбросы CO2 перестали расти впервые за три года, оставшись на уровне 33,3 гигатонн (Гт) в 2019 году.

Ирония в том, что именно при Дональде Трампе, который вывел свою страну из Парижского соглашения по климату, выбросы CO2 в 2019 году в США уменьшились сильнее, чем в других государствах — на 2,9% (4,8 Гт).

Однако этих достижений, судя по действиям правительств и компаний из некоторых стран, похоже, недостаточно. Инвестиции в технологии CCUS продолжают расти, а амбициозные стратегии по увеличению объемов улавливания СО2 появляются у все большего количества стран.

«В период до 2030 года на долю Китая может выпасть около половины увеличения объема по улавливанию CO2 во всем мире, главным образом за счет модернизации недавно построенных угольных электростанций и промышленных предприятий. В Европе и Северной Америке также ожидается увеличение развертывания CCUS — до 11% к 2030 году и до 21% — к 2070 году», — сообщается в докладе МЭА за сентябрь 2020 года.

При этом инициативу проявляет не только бизнес, как в случае с ExxonMobil, но и правительства некоторых стран. Власти Великобритании, США, Австралии и Норвегии в 2020 году заявили, что потратят на гранты и инвестиции в сегмент CCUS около $3,2 млрд.

Примечательно, что из ТОП-5 стран, которые лидируют по объему выбросов СО2, только США и Китай намерены инвестировать крупные суммы в CCUS.

Индия и Россия, находящиеся на 3 и 4 местах антирейтинга соответственно, на своей территории крупных объектов по улавливанию СО2 не имеют, а проекты по постройке новых запланированы ими только через несколько лет. Например, «Роснефть» планирует запустить пилотный проект по улавливанию, хранению и использованию СО2 только в 2028 году.

В отдельных случаях инвестиции и проекты с использованием CCUS можно считать выгодными, особенно в перспективе, поскольку они позволят нефтегазовым компаниям и странам-экспортерам углеводородов предлагать, скажем, немецкому покупателю углеродно нейтральный энергоноситель. Такой продукт в ФРГ, очевидно, будет иметь серьезное конкурентное преимущество. Напомним, за 1 т выбросов CO2 в Германии взимается налог в €25. Подобные отчисления запланированы для всех, кто сжигает ископаемое топливо в ФРГ, причем такой налог к 2025 году увеличится до €55 за 1 т СО2.

Более того, пока что не совсем понятно, в каком объеме нефтегазовым компаниям придется платить недавно одобренный Европарламентом углеродный налог, что делает использование CCUS еще более актуальным.

Есть еще одно направление по «захвату» углекислого газа с целью удержать его от попадания в атмосферу — это его долгосрочное, а в большинстве случаев даже бессрочное, хранение. При таком методе, в отличие от применения СО2 для увеличения нефтеотдачи, углекислый газ вообще никак не используется. Его просто складируют, как при захоронении химического оружия или отработанного ядерного топлива.

На долю США приходится около 60% глобальных мощностей по улавливанию углекислого газа, плюс половина всех запланированных в мире новых производств наверняка будут подкреплены различными стимулами со стороны нового президента Джо Байдена. В МЭА утверждают, что 85% выбросов приходится на заводы, расположенные в пределах 100 км от участков, где можно производить захоронение СО2.

В Китае, как уверены аналитики из МЭА, существует огромный потенциал для хранения CO2 в западных и северных провинциях страны, а также на шельфе. При этом около 65% выбросов CO2 из энергетических и энергоемких отраслей промышленности находится в пределах 100 км от потенциальных подземных хранилищ.

Что касается Европы, то в Северном море уже есть два объекта захоронения, куда каждый год закачивают около 1,7 млн т СО2. Также в ЕС находятся в стадии разработки 11 новых проектов с совокупной мощностью почти 30 млн т захвата СО2. Около 70% выбросов от производства электроэнергии и промышленности расположены в пределах 100 км от потенциального места хранения. Правда, как отмечает МЭА, большинство этих объектов в ЕС находятся на суше, где общественное недовольство может препятствовать их развитию.

Но есть один нюанс, на котором западная пресса и экспертное сообщество стараются не заострять внимание. В понятии CCUS расшифровка «S» как «хранение» — это де-факто захоронение. Напомним, что в МЭА часто говорится о «хранении СО2 на шельфе», т. е. в море или океане. Вот только закачка СО2 в отработанные месторождения, скажем, в Северном море под воздействием температуры и давления, заставит диоксид углерода вступить в физико-химическую реакцию с горной породой и минерализоваться. Такой СО2 в итоге становится непригодным для дальнейшего использования. Выходит, захоронение — это односторонний процесс, который приводит к коммерчески безвозвратным затратам.

Более того, инициативы КНР, США и стран ЕС недостаточно, чтобы серьезно сократить объем выбросов только за счет CCUS. Для сравнения: по данным МЭА, в 2019 году 19 крупных промышленных объектов во всем мире имели потенциальную мощность улавливания 34 млн т СО2, а объем мировых выбросов в 2020 году — около 30,6 Гт.

Выходит, правительства стран и бизнес продолжают инвестировать в CCUS по двум причинам, которые в итоге сводятся в первую очередь к минимизации расходов, а не к сохранению чистого воздуха на Земле.

Первая причина — это Парижское соглашение по климату, которое объективно вынуждает крупный бизнес считаться с экологической повесткой и даже быть готовым к введению углеродного налога. Кстати, он в скором будущем может появиться не только в ЕС, где Еврокомиссия активно разрабатывает специальные законы. Как пишет Politico, администрация Байдена возродила идею облагать налогом выбросы СО2 для борьбы с изменением климата, а Конгресс уже готовит соответствующие законопроекты.

Вторая причина инвестирования в CCUS — желание сделать эти технологии максимально выгодными. В беседе с «НиК» аналитик по газу Центра энергетики Московской школы управления «Сколково» Сергей Капитонов заявил, что лучше всего это получается в секторах газопереработки, производствах этанола и водорода, чуть реже — в секторе электрогенерации.

«В газопереработке проще уловить СО2, т. к. „выход“ углекислого газа является частью технологического процесса, в электрогенерации — сложнее, т. к. СО2 получается уже после сжигания топлива. Соответственно, в рамках производства этанола стоимость улавливания может составлять $20-30/тонну СО2. Такие цифры уже можно покрыть в рамках текущих схем торговли выбросами, например, в ЕС.

Для электростанций, сталелитейной промышленности и производства цемента диапазон уже составляет $60-150/тонну СО2, а такие проекты без государственных инвестиций сегодня нерентабельны»,

Среди последующего использования СО2, как отметил Сергей Капитонов, сегодня наиболее популярным является повторная закачка в пласт для повышения внутрипластового давления, что видно на примере нефтяников Техаса. Есть применение СО2 в пищевой, сахарной промышленности, фармакологии. Но если говорить об отраслях промышленности, где популярность CCUS может «взлететь», то это, по мнению аналитика «Сколково», производство СПГ и «голубого» водорода.

Сегодня в мире наиболее интересные исследования в области применения СО2 связаны с потенциальным использованием углекислого газа в качестве топлива.

Место исследований

Предложения ученых

Германия, Институт технологии в Карлсруэ

Построили компактную установку, на которой в четыре этапа из СО2, воды и «зеленой» электроэнергии производится экологически нейтральное топливо.

Великобритания, разработки Кембриджского и Оксфордского университетов

Преобразование CO2 непосредственно в реактивное топливо с использованием катализатора на основе железа

США, Национальная лаборатория имени Лоуренса в Беркли при Минэнерго

Превращение СО2 в углеводороды с помощью медного катализатора

США, Аргоннская национальная лаборатория и Университет Северного Иллинойса

Открыли новый электрокатализатор, преобразующий СО2 в воду и в этанол, который входит в состав почти всех бензинов США

Австралия, Университет Нового Южного Уэльса

Производство водорода и монооксида углерода (нужны для синтетического дизтоплива, метанола) из СО2 за счет технологии пламенного пиролиза

Все эти проекты, как признают сами разработчики, либо на стадии доработок, либо, в большинстве случаев, крайне дороги, причем пока не известно, исправит ли эту проблему масштабирование производства.

Использование уже проверенных технологий CCUS далеко не всегда дает выгоду и вообще может считаться целесообразным. К примеру, в Австралии Центр энергетической политики и университет штата Виктория опубликовали доклад, в котором сделали вывод, что угольные электростанции, оснащенные улавливанием СО2, не имеют экономического смысла. Цена вырабатываемой ими энергии в несколько раз дороже, чем электричество ветровых и солнечных станций.

Не каждый проект по улавливанию и транспортировке СО2 для увеличения нефтеотдачи может выжить при скачке цен на углеводороды. Это наглядно показала история завода Petra Nova (США) по улавливанию углерода стоимостью $1 млрд.

Детище NRG Energy и японской JX Nippon Oil & Gas Exploration Corp работало с 2016 года в 46 км от Хьюстона, ежегодно улавливая около 1,6 т СО2 с угольной станции W.A. Parish. «Захваченный» СО2 направился по трубопроводу к нефтяному месторождению West Ranch, где газ использовался для повышения нефтеотдачи. Минэнерго США даже предоставляло проекту гранты на $160 млн в рамках программы «Чистой угольной энергетики». Но кончилось все тем, что в мае 2020 года завод закрылся, заявив, что падение цен на нефть сделало его работу невыгодной.

Технологии CCUS, если использовать их для генерации энергии и при добыче, серьезно зависят от конъюнктуры на рынке нефти. Зато в плане газопереработки, особенно если смотреть на нее через призму будущего, когда в Европе введут углеродный налог, технологии CCUS, возможно, окажутся более выгодными. В этом плане действия Qatar Petroleum выглядят вполне оправданно. Впрочем, желание сделать СПГ более «зеленым» есть даже в России.

На презентации прогноза LNG Outlook 2021 компании Royal Dutch Shell начальник управления экспорта СПГ «Газпром экспорта» Павел Седов заявил, что компания намерена осуществить свою первую полностью углеродно-нейтральную партию СПГ в Европу. Можно предположить, что в этом процессе будут применяться технологии улавливания СО2. Также в феврале 2020-го звучали сообщения от представителей Sakhalin Energy, оператора проекта «Сахалин-2», о стратегии «озеленения» СПГ по всей цепочке производства и поставок. О конкретных датах, как в Qatar Petroleum, в российских компаниях не говорят, но, похоже, что хотя бы общая тенденция все же просматривается.

Источник