Секвестрация парниковых газов
Секвестрация парниковых газов
Суть проблемы
Деятельность человека сопровождается выбросом парниковых газов, которые скапливаются в атмосфере и создают парниковый эффект. Под воздействием выбросов происходит изменение климата на планете. Главы ведущих стран на климатическом саммите СОР26 в Глазго заявили о том, что к 2050 году собираются достичь "углеродной нейтральности" и "минимизировать выбросы в атмосферу". Это необходимые шаги для замедления процессов климатических изменений на планете. Наряду с отдельными государствами, многие коммерческие компании также заявили о целях достижения углеродной нейтральности в ближайшем будущем. Один из эффективных способов достижения данных целей – использование технологий секвестрации парниковых газов.
Секвестрация парниковых газов или CCUS (Carbon capture, use, and storage) – это процесс улавливания СО2 из производственного цикла (до или после сжигания) и его последующее депонирование или утилизация.
В настоящее время технологии секвестрации очень востребованы, так как большинство производственных процессов все еще не являются углеродно-нейтральными. Период перехода на углеродную нейтральность может быть достаточно продолжительным, особенно в развивающихся странах. Кроме этого, в некоторых секторах экономики просто невозможно сократить выбросы до нуля, например, в нефтеперерабатывающей отрасли, которая будет оставаться востребованной до тех пор, пока есть спрос на пластмассу и каучук. В такой ситуации CCUS может сыграть важную роль в достижении углеродной нейтральности.
Для крупных промышленных предприятий CCUS – это, пожалуй, единственный способ на данный момент существенно сократить выбросы парниковых газов.
Глобальный институт CCS утвердил в своем отчете за 2020 год цель сокращения выбросов на 50% к 2030 году и еще на 50% от этого уровня к 2040 году, чтобы достичь чистого нуля к 2050 году. Это означает, что в ближайшее десятилетие и в последующие 30 лет потребуется резко сократить выбросы. В отчете организации рекомендуется расширить инфраструктуру и проекты CCUS для достижения этой цели. Особенно это касается нефтегазового сектора, так как он испытывает наибольшее давление со стороны правительств и инвесторов с целью выполнения обязательств по достижению углеродной нейтральности.
Технологии CCUS помогают улавливать до 90% выбросов СО2, образующихся при производстве электроэнергии и в промышленных процессах. CCUS может сыграть ключевую роль в снижении выбросов СО2 без отрицательного воздействия на экономический рост. Однако, при этом следует помнить, что выбросы, образующиеся в результате сжигания ископаемого топлива составляют лишь 30-40% от общего объема выбросов СО2.
Способы секвестрации
Улавливание углерода. Оно может происходить естественным образом посредством биологических, химических и физических процессов, а также посредством искусственных процессов, таких как секверстрация промышленно произведенного СО2.
Существует четыре способа, которыми может быть осуществлена эта секвестрация:
Связывание углерода – это процесс улавливания углерода и его долгосрочное хранение. К данным процессам относятся:
Биосеквестрация – это улавливание и хранение атмосферных парниковых газов посредством непрерывных или усиленных биологических процессов. Эта форма поглощения углерода происходит за счет увеличения скорости фотосинтеза с помощью методов землепользования, таких как лесовосстановление, устойчивое лесопользование и генная инженерия.
Лесное хозяйство. Леса – эффективные поглотители углекислого газа.
Облесение - это создание леса на территории, где ранее не было древесного покрова.
Лесовосстановление - это практика выращивания существующего леса в нетронутом виде для достижения его полного экологического потенциала.
Городские леса. Растения, произрастающие в городах, также принимают участие в процессе улавливания СО2.
Департамент лесного хозяйства Министерства сельского хозяйства США собрал данные по 10 крупным городам. Согласно этим источникам, городские деревья в США в настоящее время хранят около 700 миллионов тонн углерода.
В европейских странах идет активная высадка крошечных лесов с целью борьбы с климатическими изменениями. Миниатюрные леса растут в 10 раз быстрее, чем те, которые были посажены традиционными способами. Молодые деревья высаживаются близко друг к другу, используются местные сорта, адаптированные к определенным климатическим условиям, а также поддерживается широкое разнообразие видов растений.
Карбоновые фермы. Карбоновая ферма — это специальная природная (естественная) или сельскохозяйственная территория, на которой происходит поглощение углекислого газа из атмосферы биологическим способом.
Карбоновые фермы нужны для того, чтобы максимально активно поглощать углекислый газ при помощи растительного мира, экосистем, как естественных (леса), так и созданных человеком плантаций специальных растений. Карбоновыми фермами также могут быть сельскохозяйственные угодья, на которых применяют особые агротехнологии, чтобы не только выращивать обычную продукцию, но одновременно "закачивать" углерод в почву на длительное хранение.
Торфяники и водно-болотные угодья. Торфяные болота являются природным поглотителем углерода, поскольку в них накапливается частично разложившаяся биомасса, которая в противном случае продолжала бы полностью разлагаться. Существуют различия в том, в какой степени торфяники действуют как поглотитель углерода или источник углерода, что может быть связано с различными климатическими условиями в разных районах мира и в разное время года. За счет создания новых болот или улучшения существующих, количество углерода, поглощаемого болотами, способно увеличиться.
Поглощенный таким образом углерод известен как голубой углерод. Почва водно-болотных угодий, особенно в прибрежных районах, таких как мангровые заросли, морские травы и солончаки, является важным резервуаром углерода. Примерно 20-30% почвенного углерода в мире содержится в водно-болотных угодьях. Исследования показали, что восстановленные водно-болотные угодья могут стать продуктивными поглотителями CO2.
Xимические способы секвестрации
Карбонизация минералов. Углерод в форме СО2 может быть удален из атмосферы при помощи химических процессов и сохранен в стабильных карбонатных минеральных формах. Этот процесс называется связыванием углерода путем карбонизации минералов. Процесс включает взаимодействие диоксида углерода с широко доступными оксидами металлов – либо оксидом магния (MgO), либо оксидом кальция (CaO) – с образованием стабильных карбонатов. Эти реакции являются экзотермическими и происходят естественным путем.
При закачивании СО2 в глубоководные пласты он смешивается с морской водой и затем вступает в химическую реакцию с базальтом. Эта реакция приводит к высвобождению ионов Ca 2+ и Mg 2+, образующих стабильные карбонатные минералы.
Электрокатализ. В Нидерландах разработан такой химический способ как электрокатализ с помощью комплекса меди. Данный способ помогает восстановить углекислый газ до щавелевой кислоты. Диоксид углерода используется в качестве исходного сырья для получения щавелевой кислоты.
Электрохимический способ заключается в использовании жидкометаллического катализатора и жидкости-электролита, в которой растворяется СО2. Затем он превращается в твердые хлопья углерода.
Нейтрализация кислоты. Углекислый газ образует углекислоту при растворении в воде, поэтому подкисление океана является значительным следствием повышенного уровня углекислого газа и уменьшает скорость поглощения СО2 океаном. Такой способ как добавление измельченного известняка в океаны нейтрализует кислоту и усиливает поглощение углекислого газа.
Физические способы секвестрации
К физическим способам секвестрации относятся: биоэнергетика с использованием биомассы, использование биоугля.
Биоэнергетика с улавливанием и хранением углерода BECCS — это процессы извлечения биоэнергии из биомассы с последующим улавливанием и хранением углерода. Таким образом СО2 удаляется из атмосферы. Энергия извлекается в полезных формах (электричество, тепло, биотопливо и т.д.), так как биомасса используется путем сжигания, ферментации, пиролиза или других методов преобразования. Часть углерода в биомассе преобразуется в CO2 или биоуголь, которые затем могут храниться путем геологической секвестрации или использования почвы, соответственно, это позволяет удалять двуокись углерода и превращать BECCS в технологию с отрицательными выбросами.
Биоуголь — это древесный уголь, полученный путем пиролиза отходов биомассы. Полученный материал добавляется на свалку или используется в качестве улучшителя почвы. Добавление пирогенного органического углерода (биоугля) является новой стратегией увеличения запасов углерода в почве в долгосрочной перспективе и смягчения последствий глобального потепления. В почве углерод недоступен для окисления до формы СО2 и последующего выброса в атмосферу. Механизмы, связанные с биоуглем, называются биоэнергией с накоплением углерода.
Возможные риски
Экологические риски. Ученые не исключают, что процессы секвестрации несут в себе некоторые экологические риски, связанные с возможностью утечки углерода во время его закачивания и транспортировки. Эти утечки могут оказать влияние на окружающую среду: воду, воздух, почву или грунтовые воды, а также на сейсмическую активность.
Подводная вулканическая активность в морях и океанах несет в себе риск внезапного выброса секвестированного углерода на поверхность воды и в атмосферу, что может существенно ускорить процесс глобального потепления.
Экономические и политические риски. Для многих политиков и крупных промышленных предприятий CCUS является излюбленным вариантом сокращения выбросов, так как при его использовании переход на другой источник топлива не предполагается (например, на возобновляемые источники энергии). Многие производители нефти и газа полагают, что CCUS обладает большим потенциалом для помощи в достижении углеродной нейтральности. При неоспоримых преимуществах данного способа, его стоит рассматривать как вспомогательный, а основной упор необходимо делать на сокращении прямых выбросов СО2.
Деятельность человека сопровождается выбросом парниковых газов, которые скапливаются в атмосфере и создают парниковый эффект. Под воздействием выбросов происходит изменение климата на планете. Главы ведущих стран на климатическом саммите СОР26 в Глазго заявили о том, что к 2050 году собираются достичь "углеродной нейтральности" и "минимизировать выбросы в атмосферу". Это необходимые шаги для замедления процессов климатических изменений на планете. Наряду с отдельными государствами, многие коммерческие компании также заявили о целях достижения углеродной нейтральности в ближайшем будущем. Один из эффективных способов достижения данных целей – использование технологий секвестрации парниковых газов.
Секвестрация парниковых газов или CCUS (Carbon capture, use, and storage) – это процесс улавливания СО2 из производственного цикла (до или после сжигания) и его последующее депонирование или утилизация.
В настоящее время технологии секвестрации очень востребованы, так как большинство производственных процессов все еще не являются углеродно-нейтральными. Период перехода на углеродную нейтральность может быть достаточно продолжительным, особенно в развивающихся странах. Кроме этого, в некоторых секторах экономики просто невозможно сократить выбросы до нуля, например, в нефтеперерабатывающей отрасли, которая будет оставаться востребованной до тех пор, пока есть спрос на пластмассу и каучук. В такой ситуации CCUS может сыграть важную роль в достижении углеродной нейтральности.
Для крупных промышленных предприятий CCUS – это, пожалуй, единственный способ на данный момент существенно сократить выбросы парниковых газов.
Глобальный институт CCS утвердил в своем отчете за 2020 год цель сокращения выбросов на 50% к 2030 году и еще на 50% от этого уровня к 2040 году, чтобы достичь чистого нуля к 2050 году. Это означает, что в ближайшее десятилетие и в последующие 30 лет потребуется резко сократить выбросы. В отчете организации рекомендуется расширить инфраструктуру и проекты CCUS для достижения этой цели. Особенно это касается нефтегазового сектора, так как он испытывает наибольшее давление со стороны правительств и инвесторов с целью выполнения обязательств по достижению углеродной нейтральности.
Технологии CCUS помогают улавливать до 90% выбросов СО2, образующихся при производстве электроэнергии и в промышленных процессах. CCUS может сыграть ключевую роль в снижении выбросов СО2 без отрицательного воздействия на экономический рост. Однако, при этом следует помнить, что выбросы, образующиеся в результате сжигания ископаемого топлива составляют лишь 30-40% от общего объема выбросов СО2.
Способы секвестрации
Улавливание углерода. Оно может происходить естественным образом посредством биологических, химических и физических процессов, а также посредством искусственных процессов, таких как секверстрация промышленно произведенного СО2.
Существует четыре способа, которыми может быть осуществлена эта секвестрация:
- улавливание после сжигания, т.е. улавливание СО2 после сжигания ископаемого топлива
- улавливание перед сжиганием, т.е. извлечение СО2 из углеводородов перед сжиганием
- кислородное сжигание, т.е. сжигание углеводородов в чистой кислородной среде
- прямое улавливание, т.е. улавливание СО2 из атмосферы при помощи химических реакций.
Связывание углерода – это процесс улавливания углерода и его долгосрочное хранение. К данным процессам относятся:
- удаление углерода из атмосферы и осаждение его в резервуарах
- естественный круговорот углерода между атмосферой и природными резервуарами, например, в результате выветривания горных пород.
Биосеквестрация – это улавливание и хранение атмосферных парниковых газов посредством непрерывных или усиленных биологических процессов. Эта форма поглощения углерода происходит за счет увеличения скорости фотосинтеза с помощью методов землепользования, таких как лесовосстановление, устойчивое лесопользование и генная инженерия.
Лесное хозяйство. Леса – эффективные поглотители углекислого газа.
Облесение - это создание леса на территории, где ранее не было древесного покрова.
Лесовосстановление - это практика выращивания существующего леса в нетронутом виде для достижения его полного экологического потенциала.
Городские леса. Растения, произрастающие в городах, также принимают участие в процессе улавливания СО2.
Департамент лесного хозяйства Министерства сельского хозяйства США собрал данные по 10 крупным городам. Согласно этим источникам, городские деревья в США в настоящее время хранят около 700 миллионов тонн углерода.
В европейских странах идет активная высадка крошечных лесов с целью борьбы с климатическими изменениями. Миниатюрные леса растут в 10 раз быстрее, чем те, которые были посажены традиционными способами. Молодые деревья высаживаются близко друг к другу, используются местные сорта, адаптированные к определенным климатическим условиям, а также поддерживается широкое разнообразие видов растений.
Карбоновые фермы. Карбоновая ферма — это специальная природная (естественная) или сельскохозяйственная территория, на которой происходит поглощение углекислого газа из атмосферы биологическим способом.
Карбоновые фермы нужны для того, чтобы максимально активно поглощать углекислый газ при помощи растительного мира, экосистем, как естественных (леса), так и созданных человеком плантаций специальных растений. Карбоновыми фермами также могут быть сельскохозяйственные угодья, на которых применяют особые агротехнологии, чтобы не только выращивать обычную продукцию, но одновременно "закачивать" углерод в почву на длительное хранение.
Торфяники и водно-болотные угодья. Торфяные болота являются природным поглотителем углерода, поскольку в них накапливается частично разложившаяся биомасса, которая в противном случае продолжала бы полностью разлагаться. Существуют различия в том, в какой степени торфяники действуют как поглотитель углерода или источник углерода, что может быть связано с различными климатическими условиями в разных районах мира и в разное время года. За счет создания новых болот или улучшения существующих, количество углерода, поглощаемого болотами, способно увеличиться.
Поглощенный таким образом углерод известен как голубой углерод. Почва водно-болотных угодий, особенно в прибрежных районах, таких как мангровые заросли, морские травы и солончаки, является важным резервуаром углерода. Примерно 20-30% почвенного углерода в мире содержится в водно-болотных угодьях. Исследования показали, что восстановленные водно-болотные угодья могут стать продуктивными поглотителями CO2.
Xимические способы секвестрации
Карбонизация минералов. Углерод в форме СО2 может быть удален из атмосферы при помощи химических процессов и сохранен в стабильных карбонатных минеральных формах. Этот процесс называется связыванием углерода путем карбонизации минералов. Процесс включает взаимодействие диоксида углерода с широко доступными оксидами металлов – либо оксидом магния (MgO), либо оксидом кальция (CaO) – с образованием стабильных карбонатов. Эти реакции являются экзотермическими и происходят естественным путем.
При закачивании СО2 в глубоководные пласты он смешивается с морской водой и затем вступает в химическую реакцию с базальтом. Эта реакция приводит к высвобождению ионов Ca 2+ и Mg 2+, образующих стабильные карбонатные минералы.
Электрокатализ. В Нидерландах разработан такой химический способ как электрокатализ с помощью комплекса меди. Данный способ помогает восстановить углекислый газ до щавелевой кислоты. Диоксид углерода используется в качестве исходного сырья для получения щавелевой кислоты.
Электрохимический способ заключается в использовании жидкометаллического катализатора и жидкости-электролита, в которой растворяется СО2. Затем он превращается в твердые хлопья углерода.
Нейтрализация кислоты. Углекислый газ образует углекислоту при растворении в воде, поэтому подкисление океана является значительным следствием повышенного уровня углекислого газа и уменьшает скорость поглощения СО2 океаном. Такой способ как добавление измельченного известняка в океаны нейтрализует кислоту и усиливает поглощение углекислого газа.
Физические способы секвестрации
К физическим способам секвестрации относятся: биоэнергетика с использованием биомассы, использование биоугля.
Биоэнергетика с улавливанием и хранением углерода BECCS — это процессы извлечения биоэнергии из биомассы с последующим улавливанием и хранением углерода. Таким образом СО2 удаляется из атмосферы. Энергия извлекается в полезных формах (электричество, тепло, биотопливо и т.д.), так как биомасса используется путем сжигания, ферментации, пиролиза или других методов преобразования. Часть углерода в биомассе преобразуется в CO2 или биоуголь, которые затем могут храниться путем геологической секвестрации или использования почвы, соответственно, это позволяет удалять двуокись углерода и превращать BECCS в технологию с отрицательными выбросами.
Биоуголь — это древесный уголь, полученный путем пиролиза отходов биомассы. Полученный материал добавляется на свалку или используется в качестве улучшителя почвы. Добавление пирогенного органического углерода (биоугля) является новой стратегией увеличения запасов углерода в почве в долгосрочной перспективе и смягчения последствий глобального потепления. В почве углерод недоступен для окисления до формы СО2 и последующего выброса в атмосферу. Механизмы, связанные с биоуглем, называются биоэнергией с накоплением углерода.
Возможные риски
Экологические риски. Ученые не исключают, что процессы секвестрации несут в себе некоторые экологические риски, связанные с возможностью утечки углерода во время его закачивания и транспортировки. Эти утечки могут оказать влияние на окружающую среду: воду, воздух, почву или грунтовые воды, а также на сейсмическую активность.
Подводная вулканическая активность в морях и океанах несет в себе риск внезапного выброса секвестированного углерода на поверхность воды и в атмосферу, что может существенно ускорить процесс глобального потепления.
Экономические и политические риски. Для многих политиков и крупных промышленных предприятий CCUS является излюбленным вариантом сокращения выбросов, так как при его использовании переход на другой источник топлива не предполагается (например, на возобновляемые источники энергии). Многие производители нефти и газа полагают, что CCUS обладает большим потенциалом для помощи в достижении углеродной нейтральности. При неоспоримых преимуществах данного способа, его стоит рассматривать как вспомогательный, а основной упор необходимо делать на сокращении прямых выбросов СО2.