Прямой захват воздуха - это процесс втягивания воздуха из атмосферы и последующего использования химических реакций для выделения углекислого газа (CO2). Уловленный CO2 может храниться под землей или использоваться для производства долговечных материалов, таких как цемент и пластмассы.
Целью прямого улавливания воздуха является использование технологического решения для снижения общей концентрации CO2 в атмосфере. Таким образом, прямой захват воздуха может работать вместе с другими инициативами, чтобы помочь смягчить разрушительные последствия климатического кризиса.
По данным Международного энергетического агентства, организации, занимающейся моделированием энергетики, в США, Европе и Канаде функционируют 15 установок прямого улавливания воздуха. Ежегодно эти установки улавливают более 9 000 тонн CO2. Соединенные Штаты также разрабатывают установку прямого улавливания воздуха, которая будет способна удалять из воздуха 1 миллион тонн CO2 в год.
Межправительственная группа экспертов ООН по изменению климата (МГЭИК) предупредила, что глобальные выбросы CO2 необходимо сократить на 30%-85% до 2050 года, чтобы уровень CO2 в атмосфере не превышал 440 частей на миллион по объему, а глобальная температура не повысилась более чем на 2 градуса Цельсия (3,6 градуса по Фаренгейту). Может ли прямой улавливатель воздуха способствовать такому сокращению?
Для того чтобы замедлить прогрессирование изменения климата, ученые и экономисты из МГЭИК согласны с тем, что необходимы долгосрочные меры по снижению объемов антропогенных выбросов парниковых газов.
Прямое улавливание воздуха подвергается широкой критике, поскольку само по себе оно недостаточно эффективно для снижения количества вредного CO2 в атмосфере. Кроме того, улавливание одной тонны CO2 обходится дороже, чем другие стратегии смягчения последствий климатического кризиса.
Сколько CO2 содержится в воздухе?
CO2 составляет около 0,04% атмосферы Земли. Однако его способность задерживать тепло делает рост его концентрации особенно опасным.
Исследователи из Института океанографии Скриппса при Калифорнийском университете в Сан-Диего регистрируют концентрацию CO2 в атмосфере Земли в обсерватории Мауна-Лоа на Гавайях с 1958 года. В то время уровень CO2 в атмосфере составлял менее 320 частей на миллион (ppm) и увеличивался примерно на 0,8 ppm в год. За последнее десятилетие темпы роста ускорились до тревожных 2,4 промилле в год.
По данным Института океанографии Скриппса, в мае 2020 года уровень CO2 достиг пика в 417,1 промилле, что является самым высоким сезонным пиком за 61 год зарегистрированных наблюдений.
Как работает прямое улавливание воздуха?
Прямое улавливание воздуха использует два различных способа удаления CO2 непосредственно из атмосферы. В первом случае для поглощения CO2 используется так называемый твердый сорбент. Примером твердого сорбента может служить основное химическое вещество, которое находится на поверхности твердого материала.
Когда воздух проходит над твердым сорбентом, происходит химическая реакция, которая связывает кислотный газ CO2 с основным веществом. Когда твердый сорбент заполнен CO2, его либо нагревают до температуры от 80 до 120 C (176 - 248 F), либо используют вакуум для поглощения газа из твердого сорбента. Затем твердый сорбент можно охладить и использовать снова.
Другой тип системы прямого улавливания воздуха использует жидкий растворитель, и это более сложный процесс. Он начинается с большого контейнера, в котором основной жидкий раствор гидроксида калия (KOH) течет по пластиковой поверхности.
Воздух втягивается в контейнер с помощью больших вентиляторов, и когда воздух, содержащий CO2, вступает в контакт с жидкостью, два химических вещества вступают в реакцию и образуют тип соли с высоким содержанием углерода.
Соль перетекает в другую камеру, где происходит еще одна реакция, в результате которой образуется смесь твердых гранул карбоната кальция (CaCO3) и воды (H2O). Затем смесь карбоната кальция и воды фильтруется для разделения этих двух компонентов.
Последний этап процесса заключается в использовании природного газа для нагрева гранул твердого карбоната кальция до 900 C (1 652 F). При этом выделяется высокочистый газ CO2, который затем собирается и сжимается.
Оставшиеся материалы возвращаются в систему для повторного использования. После улавливания CO2 его можно постоянно закачивать под землю в скальные породы, чтобы вернуть к жизни устаревшие нефтяные скважины, или использовать для производства долговечных продуктов, таких как пластмассы и строительные материалы.
Прямой улавливание воздуха против улавливания и хранения углерода
Многие эксперты считают, что и прямое улавливание воздуха, и системы улавливания и хранения углерода (УХУ) являются важными частями головоломки по смягчению последствий климатического кризиса. На фундаментальном уровне обе технологии уменьшают количество CO2, которое может попасть в атмосферу.
Однако, в отличие от прямого улавливания воздуха, CCS использует химические вещества для улавливания CO2 непосредственно у источника выбросов. Это предотвращает попадание CO2 в атмосферу. Например, УХУ может быть использовано для улавливания и сжатия всего CO2 в выбросах из трубы угольной электростанции.
С другой стороны, прямой захват воздуха позволяет улавливать CO2, который уже был выброшен в атмосферу угольной электростанцией или другими предприятиями, сжигающими ископаемое топливо.
Прямое улавливание воздуха и УХУ используют основные химические соединения, такие как гидроксид калия и аминные растворители, для отделения CO2 от других газов.
После улавливания CO2 оба процесса должны сжимать, перемещать и хранить газ. Хотя УХУ является несколько более старым процессом, чем прямое улавливание воздуха, обе эти технологии являются относительно новыми и могут выиграть от дальнейшего развития.
Поскольку CCS удаляет CO2 в месте его образования, она может использоваться только там, где происходит сжигание ископаемого топлива, например, на промышленных предприятиях и электростанциях. Теоретически, прямой улавливатель воздуха может использоваться где угодно, хотя размещение его вблизи источников электроэнергии или мест хранения CO2 повысит его эффективность.
По данным Института мировых ресурсов, в мире существует три ведущие компании по прямому улавливанию воздуха: Climeworks, Global Thermostat и Carbon Engineering. Две из этих компаний используют для удаления CO2 технологию твердого сорбента, а третья - углеродный инжиниринг с жидким растворителем.
Количество действующих и пилотных установок варьируется от года к году, но первая в мире установка DAC коммерческого уровня в настоящее время удаляет 900 тонн CO2 в год, и в стадии строительства находится несколько коммерческих установок.
В течение последних 15 лет пилотная установка прямого улавливания воздуха в Сквамише, Британская Колумбия, Канада, использует возобновляемое электричество и природный газ для питания процесса жидкого растворителя, который может удалять одну тонну CO2 в день. Эта же компания в настоящее время строит еще одну установку прямого улавливания воздуха, которая сможет улавливать 1 миллион тонн CO2 в год.
Другая установка прямого улавливания воздуха, строящаяся в Исландии, сможет улавливать 4 000 тонн CO2 в год, а затем будет постоянно хранить сжатый газ под землей. Компания, строящая этот завод, в настоящее время имеет 15 небольших установок прямого улавливания воздуха по всему миру.
Плюсы и минусы
Наиболее очевидным преимуществом прямого улавливания воздуха является его способность снижать концентрацию CO2 в атмосфере. Он не только может использоваться более широко, чем CCS, но и занимает меньше места для улавливания того же количества углерода, чем другие методы секвестрации углерода.
Кроме того, прямой улавливание воздуха можно использовать для создания синтетического углеводородного топлива. Но для того, чтобы технология была эффективной, она должна быть устойчивой, недорогой и масштабируемой. Пока что технология прямого улавливания воздуха недостаточно развита, чтобы соответствовать этим требованиям.
Плюсы
Компании, специализирующиеся на технологии прямого улавливания воздуха, в настоящее время разрабатывают новые, более крупные установки прямого улавливания воздуха, способные улавливать до 1 миллиона тонн CO2 в год.
Если будет произведено достаточное количество небольших установок прямого улавливания воздуха, они смогут улавливать до 10% CO2, вырабатываемого человеком. Закачивая и храня CO2 под землей, углерод навсегда исключается из цикла.
Поскольку улавливание CO2 происходит из атмосферы, а не непосредственно из выбросов ископаемого топлива, прямое улавливание воздуха может функционировать независимо от электростанций и других предприятий, сжигающих ископаемое топливо. Это позволяет более гибко и повсеместно размещать установки прямого улавливания воздуха.
По сравнению с другими методами улавливания углерода, прямое улавливание воздуха не требует такого большого количества земли на тонну удаленного CO2.
Кроме того, прямой улавливание воздуха может сократить необходимость добычи ископаемого топлива и еще больше уменьшить количество CO2, выбрасываемого в атмосферу, путем объединения уловленного CO2 с водородом для производства синтетического топлива, например, метанола.
Минусы
Прямое улавливание воздуха стоит дороже, чем другие методы улавливания углерода, такие как лесовосстановление и лесоразведение. Стоимость некоторых установок прямого улавливания воздуха в настоящее время составляет от 250 до 600 долларов США за тонну уловленного CO2, при этом оценки варьируются от 100 до 1000 долларов США за тонну.
По мнению исследователей из Европейского института экономики и окружающей среды RFF-CMCC, будущие затраты на прямое улавливание воздуха являются неопределенными, поскольку они будут зависеть от скорости развития технологии. Напротив, лесовосстановление может стоить всего 50 долларов США за тонну.
Высокая цена прямого улавливания воздуха обусловлена количеством энергии, необходимой для удаления CO2. Процесс нагрева жидкого растворителя и твердого сорбента для прямого улавливания воздуха невероятно энергоемкий, поскольку требует химического нагрева до 900 C (1 652 F) и от 80 C до 120 C (от 176 F до 248 F), соответственно.
Если установка прямого улавливания воздуха не использует для производства тепла исключительно возобновляемые источники энергии, она все равно использует некоторое количество ископаемого топлива, даже если в конечном итоге процесс является углеродно-негативным.