Технологические фирмы, нефтяные компании и правительство США инвестируют миллиарды долларов в технологии улавливания углерода, чтобы удалить парниковые газы из атмосферы. Может ли это спасти мир от потепления?
Однажды вечером в конце 1997 года 11-летняя Клэр Лакнер зашла в кабинет своего отца в поисках идеи для эксперимента на уроке естествознания в шестом классе. Ее отец, Клаус Лакнер, был физиком, работавшим над термоядерным синтезом в Лос-Аламосской национальной лаборатории. Он скептически относился к тому, что термоядерный синтез может заменить грязное топливо, и начал думать о том, как вместо этого удалять парниковые газы из атмосферы. Поэтому он предложил Клэр попробовать улавливать углекислый газ из воздуха. Она купила аквариумный насос и пропускала воздух через пробирку с карбонатом натрия, основой, которая связывалась с кислым CO2 в воздушном потоке, удаляя около 10 процентов его за ночь. Клэр получила приз на окружной научной ярмарке, а ее отец позже написал статью, в которой утверждал, что извлечение CO2 из воздуха “имеет разумную вероятность успеха” в борьбе с глобальным потеплением.
С 1950-х годов ученые знали, как удалить CO2 из воздуха внутри подводных лодок и космических кораблей, чтобы экипажи не задохнулись. Но статья Лакнера была первой, в которой утверждалось, что мы могли бы удалить его из атмосферы, чтобы сохранить космический корабль "Земля" пригодным для жизни. Эксперимент Клэр, по его словам, показал, что “это не так уж и сложно”.
Несколько лет спустя Лакнер стал соучредителем компании Global Research Technologies, и в 2007 году она провела первую демонстрацию технологии извлечения CO2 из окружающего воздуха, которая теперь называется direct air capture (DAC). Устройство представляло собой высокую коробку из оргстекла, внутри которой лежали пластиковые листы, покрытые сухой смолой, поглощающей CO2. Дверца коробки открывалась, как у платяного шкафа, чтобы пропускать воздух через пластик. Когда дверца закрывалась, листы запотевали от воды, выделяя CO2, который накапливался в резервуаре для использования в промышленности или прятался под землей. В том же году владелец авиакомпании Virgin Atlantic Ричард Брэнсон объявил о присуждении премии в размере 25 миллионов долларов за “коммерчески жизнеспособную” технологию удаления парниковых газов из атмосферы.
Хотя химический состав, возможно, и не такой уж сложный, для DAC требуется много оборудования и энергии — и, следовательно, много денег. После финансового кризиса 2008 года у Global Research Technologies закончилось финансирование. Брэнсон так и не получил свою премию; в 2010 году пресс-секретарь заявил, что ни одна из 2500 заявок не была готова к значительному сокращению выбросов CO2, и он также признал растущее общественное “беспокойство” по поводу загрязнения атмосферы. Хотя несколько стартапов продолжили развивать свои технологии и открыли небольшие предприятия, в частности Climeworks в Швейцарии и Carbon Engineering в Канаде, DAC выпала из поля зрения.
Однако с 2000-х годов глобальные выбросы только продолжали расти, и на Земле стало еще жарче. Ученые все больше осознают, что ограничение потепления до достижения цели Парижского соглашения по Климату в 1,5 градуса Цельсия по сравнению с доиндустриальными температурами потребует не только резкого сокращения выбросов, но и удаления сотен миллиардов тонн CO2 из атмосферы в этом столетии. Самый очевидный способ - посадить деревья. Но даже триллиона деревьев было бы недостаточно, и деревья могут сгореть или погибнуть от болезней, выделяя накопленный ими углерод. В 2000-х годах мир не был готов к использованию DAC, говорит Лакнер. “Сейчас, я думаю, уже слишком поздно отказываться от него”.
Стремясь к достижению нулевого уровня выбросов к 2050 году, администрация Байдена пытается сократить выбросы углекислого газа за счет использования возобновляемых источников энергии, электрификации всего - от автомобилей до отопления домов, а также поощрения улавливания и связывания углерода на электростанциях. Но выбросы, которые трудно устранить, например, при авиаперелетах на большие расстояния, судоходстве, сельском хозяйстве, производстве цемента и стали, вероятно, придется удалять из атмосферы, поэтому правительство пытается увеличить DAC. Люди создали машины, которые устроили беспорядок; теперь мы построим еще машины, чтобы навести порядок. И если бы мир мог начать сокращать выбросы в атмосферу в большем объеме, чем они производят, — так называемые отрицательные выбросы, - удаление углерода могло бы даже немного снизить глобальную температуру.
К 2050 году США планируют сокращать и накапливать более миллиарда тонн CO2 в год, что составляет более одной пятой от того, что они выбрасывают в настоящее время. Чтобы это стало возможным, всего за несколько десятилетий отрасль по удалению углекислого газа должна стать одной из крупнейших в мире, расширяясь более чем на 40 процентов в год. Это намного быстрее, чем развивается большинство технологий, хотя это сопоставимо с темпами развития солнечных панелей и электромобилей.
Ключевые законы о климате, принятые в 2021 и 2022 годах, предусматривали значительные налоговые льготы для DAC и выделение 3,5 миллиардов долларов на строительство нескольких региональных центров DAC. Тем временем крупные компании начали искать возможности приобрести кредиты на удаление углерода, чтобы компенсировать свой углеродный след. Предприятие может получить кредит на одну метрическую тонну CO2, которую поглотила фирма DAC, вместо того чтобы сокращать свои собственные выбросы на эту величину. С этой целью в США было предложено более 130 коммерческих установок по производству ЦАП. Однако почти все эти установки планируются нефтяной компанией, которая закачивает CO2 под землю, чтобы выжать больше сырой нефти из старых месторождений. Министр энергетики США Дженнифер Грэнхолм (Jennifer Granholm) описала DAC как “гигантские пылесосы, которые могут высасывать накопившиеся за десятилетия выбросы углекислого газа прямо с неба”. Но теперь вопрос в том, может ли это в конечном итоге привести к новому выбросу углекислого газа в атмосферу?
Один из коммерческих ЦАП-завод ( стартап Heirloom Carbon из Кремниевой долины) был размещен на фермерских полях неподалеку от Трейси, Калифорния : внутри помещение напоминало огромную промышленную кухню. Сотни пластиковых лотков с чем-то похожим на белую муку были уложены в 12-метровые башни. Прямоугольные роботы перемещались вверх и вниз по вертикальным балкам между башнями, проверяя муку, которая на самом деле была измельченной известью. Известь поглощает CO2 из воздуха, проходящего над поддоном, образуя карбонат кальция — известняковый порошок - в течение примерно трех дней. Затем более крупный робот на колесах с вилочным погрузчиком поднимает лотки со дна штабеля и высыпает порошок в воздуховод, ведущий к печи с температурой 900 градусов Цельсия снаружи. При нагревании известняк выделяет CO2 и превращается обратно в известь. CO2 сжимается и закачивается в большой резервуар. Позже его закачивают под землю или смешивают с влажным бетоном, удерживая углерод на века. Известь возвращается в лотки, чтобы впитать больше CO2.
Доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) за 2018 год, в котором впервые говорится, что для поддержания глобального потепления на уровне 1,5 градусов по Цельсию, вероятно, потребуется удаление углерода, убедил его в том, что “у планеты нет будущего” без этой технологии. Два года спустя он основал компанию Heirloom вместе с Ноем Маккуином, аспирантом кафедры химической инженерии. Они разработали подход, который позволил им масштабировать производство на сотнях установок, отказавшись от химических растворителей, сложных фильтров и мощных вентиляторов других начинающих производителей DAC в пользу дешевого известняка и мягкого воздушного потока.
Примерно в то же время крупные технологические фирмы начали инвестировать в удаление углекислого газа, иногда с целью компенсировать свои собственные значительные выбросы. Через несколько месяцев после того, как Heirloom анонсировала свою технологию на бумаге, компании, предоставляющие онлайн-услуги розничной торговли, Stripe и Shopify обязались выплатить ей сотни тысяч долларов в счет будущих компенсаций за выбросы CO2, что стало их собственным стремлением стимулировать спрос на удаление углекислого газа. В следующем году Heirloom привлекла 53 миллиона долларов от группы инвесторов, в которую входила компания Билла Гейтса Breakthrough Energy Ventures, и выиграла предварительную награду в размере 1 миллиона долларов в конкурсе Илона Маска XPRIZE на 100 миллионов долларов, направленном на то, чтобы удалять 1000 метрических тонн CO2 в год и “показать путь” к увеличению выбросов на миллиарды. Компания приступила к строительству завода в Трейси. В августе 2023 года в США Министерство энергетики выделило компании Heirloom и Climeworks, управляющей единственным в мире коммерческим центром ЦАП, улавливающим CO2, на горном плато в Исландии, до 600 миллионов долларов на строительство центра ЦАП в западной Луизиане, а также руководителю проекта Баттеллу. Объединенный центр под названием Project Cypress предназначен для улавливания миллиона метрических тонн CO2 в год и закачки его под землю.
Цель как Министерства энергетики, так и технологических компаний, несколько из которых в настоящее время объединили 1 миллиард долларов для инвестиций в удаление углерода, состоит в том, чтобы снизить цену на DAC за счет увеличения производственных мощностей. В настоящее время кредит на удаление метрической тонны CO2 с помощью DAC стоит около 1000 долларов, что во много раз больше, чем эквивалентная посадка деревьев.
Новейшая технология Climeworks представляет собой куб диаметром 23 метра с сетчатыми стенками, закругленными углами и 16 вентиляторными насадками, торчащими сверху, приподнятый над землей на массивных бетонных опорах. Около 60 кубов будут расположены рядами, соединенные компрессорами и трубами. Внутри каждого куба в 16 вентилируемых ящиках будут установлены фильтры, покрытые сорбентом, полученным из аммиака, которые будут улавливать CO2 из воздуха, проходящего через сетчатые стенки вентиляторов. Когда ящики будут закрыты и заполнены 100-градусным паром, CO2 поступит в трубы для улавливания. Отобранный CO2 будет перекачан на расстояние около 11 километров в другую часть ранчо, где команда Stream закачает его глубоко под землю. Heirloom собиралась построить завод здесь, рядом с Climeworks.
Идея внедрить здесь выбросы углекислого газа пришла в голову Stream в 2018 году, после того как неправительственные организации, энергетические компании и сенаторы из штатов, добывающих ископаемое топливо, объединились, чтобы более чем удвоить налоговые льготы, известные как 45-й квартал. Это позволило таким компаниям, как производители природного газа и нефтехимической продукции на побережье Мексиканского залива, получить налоговую льготу в размере до 50 долларов США за каждую метрическую тонну CO2, которую они улавливают с помощью скрубберов на своих дымовых трубах и изолируют под землей - процесс, известный как улавливание и связывание углерода. В 2022 году коалиция, включающая сенатора Джо Манчина из Западной Вирджинии, главного получателя нефтегазовых пожертвований в Сенате, помогла увеличить объем выбросов CO2 в 45 квартале до 85 долларов за метрическую тонну, улавливаемую из дымовой трубы, и до 180 долларов за метрическую тонну, улавливаемую с помощью DAC. За каждую метрическую тонну, которую они добывают в рамках проекта Cypress, Climeworks и Heirloom могут претендовать на налоговую скидку, а также продавать углеродный кредит клиентам, которые хотят компенсировать свои выбросы, — и все это при том, что Министерство энергетики выделит до 600 миллионов долларов на их инвестиции в проект. Чтобы изолировать CO2, Climeworks заплатит компании Stream, чье ранчо расположено на “праздничном торте” из слоев горных пород, идеально подходящих для удержания его под землей.
В таких местах, как Грей-Ранч, слой сланца образует непроницаемый купол, который может изолировать CO2, поступающий через скважину в нижележащие поры песчаника. Такое расслоение делает побережье Мексиканского залива “Саудовской Аравией с поровым пространством”, где, по оценкам, содержится около 100 миллиардов метрических тонн CO2. Если Луизиана одобрит разрешение Стрима на бурение скважины, его команда пробурит скважину глубиной 2750 метров в сланцевом сланце и начнет закачивать сжатый CO2 в нижележащий песчаник. Геологи будут наблюдать с помощью приборов, как поток сверхплотного CO2 вытесняет соленую воду из пор и перемещается вверх в сланцевый купол, контролируя его, чтобы убедиться, что он не остается в ловушке. Они планируют закачать 100 миллионов метрических тонн сжатого CO2 на трех участках в течение 30 лет. Но моделирование подземных условий может оказаться сложной задачей. В рамках проекта по улавливанию углерода в Северном море шлейф пробился через восемь тонких слоев сланца, прежде чем был захвачен ранее не обнаруженным девятым слоем. В Луизиане также имеется 120 000 заброшенных нефтяных скважин, через которые потенциально может выходить CO2.
По оценкам Министерства энергетики, к тому времени, когда отрасль будет ежегодно удалять из атмосферы миллиард метрических тонн углерода, стоимость каждой тонны упадет ниже 100 долларов, что сделает ее прибыльной только за счет налогового кредита за 45 квартал. Однако апрельское исследование, проведенное учеными из ETH Zurich, показало, что DAC по-прежнему будет стоить около 360 долларов за метрическую тонну. При таких темпах затраты на переработку миллиарда метрических тонн могут составить более 1 процента от валового внутреннего продукта США. И трудно представить, что даже богатые технологические компании добровольно тратят сотни миллиардов долларов на кредиты каждый год. По словам Немета, правительству США — или, по крайней мере, многим отдельным штатам — вероятно, придется каким-то образом ограничить выбросы компаний и заставить загрязнителей платить за удаление CO2. В Калифорнии началось: компании, которые хотят продавать бензин и дизельное топливо в штате, должны либо сократить выбросы, либо приобрести кредиты. В случае одобрения Climeworks и Heirloom могут продать им часть этих кредитов.
Наряду с оборудованием, основными затратами являются затраты на электроэнергию. Проект Cypress мощностью в миллион метрических тонн будет потреблять столько же электроэнергии, сколько 230 000 домов в США. Для удаления миллиарда метрических тонн электроэнергии в 2023 году потребуется вдвое больше электроэнергии, чем США вырабатывали с помощью возобновляемых источников энергии. Даже без этого дополнительного спроса США не смогут достичь своих целей в области возобновляемых источников энергии. Критики утверждают, что инвестиции в DAC было бы лучше направить на замену природного газа и угля, которые по-прежнему вырабатывают большую часть электроэнергии в США. Согласно исследованию Марка З., проведенному в 2019 году. Джейкобсон, профессор гражданского строительства и экологической инженерии Стэнфордского университета, считает, что использование ветряной электростанции DAC в течение двух десятилетий приведет к выбросу CO2 в атмосферу на 42% больше, чем при замене угольной электростанции на ту же энергию ветра. И это не уменьшит количество загрязняющих веществ, содержащихся в угле, таких как диоксид серы.
Существуют также опасения, что DAC создает “моральный риск” для резкого сокращения использования ископаемого топлива, которое, по мнению ученых, необходимо: зачем прекращать сжигание углерода, если вы думаете, что позже сможете просто высосать его из воздуха? Мир значительно отстает в достижении цели по снижению температуры на 1,5 градуса по Цельсию, однако крупнейшие нефтегазовые страны, включая США, намерены увеличить добычу до 2050 года. “Зависимость от этих будущих спекулятивных технических решений задерживает реальные действия по борьбе с изменением климата прямо сейчас”, - говорит Лили Фур, аналитик Центра международного экологического права. Фактически, крупнейшим частным инвестором в DAC является крупная американская нефтяная компания Occidental Petroleum, или Oxy, генеральный директор которой заявил, что технология означает, что “нет причин отказываться от добычи нефти и газа вечно”.
В дополнение к проекту Cypress Министерство энергетики выделило до 600 миллионов долларов на проект DAC hub, который разрабатывается здесь компанией Oxy. Climeworks и Heirloom заявили, что DAC не должен быть причиной для расширения использования ископаемого топлива, но для Oxy это часть стратегии по продаже “чистой нефти с нулевым содержанием”. Идея заключается в том, что выбросы от сжигания недавно добытой нефти будут компенсированы за счет CO2, улавливаемого подразделениями Oxy DAC. Компания Oxy уже строит отдельный завод по производству ЦАП мощностью 500 000 метрических тонн в Западном Техасе под названием Stratos и будет закачивать часть улавливаемого там CO2 в старые нефтяные скважины, чтобы добывать больше сырой нефти. Эта практика известна как повышение нефтеотдачи пластов (EOR). В прошлом году генеральный директор Oxy Вики Холлаб (Vicki Hollub) заявила, что DAC “предоставляет нашей отрасли лицензию на продолжение деятельности в течение 60, 70, 80 лет, которые, я думаю, будут очень необходимы”.
Это будет комплекс длинных зданий с перфорированными черными стенами и рядом огромных круглых вентиляторов на металлических крышах. Вентиляторы будут всасывать воздух через проницаемые стенки, где гидроксид калия, стекающий по пластиковым листам в виде ячеек, будет связываться с CO2, образуя раствор карбоната калия. В сочетании с гидроксидом кальция в “гранулирующем реакторе” получаются известняковые гранулы, которые можно нагревать в печи для обжига с выделением CO2 в ряды резервуаров за зданиями.
Oxy откроет 130 заводов по производству DAC к 2035 году. Когда Министерство энергетики США выбрало свой центр DAC в Южном Техасе, Oxy купила канадскую технологическую компанию Carbon Engineering за 1,1 миллиарда долларов. Теперь у нее есть соглашение о поставке нефти с нулевым уровнем выбросов южнокорейскому нефтеперерабатывающему предприятию, и она продала углеродные кредиты, которые не будут привязаны к EOR, таким компаниям, как Microsoft, Airbus и Amazon.
Chevron и Shell инвестируют как в нефтяное бурение, так и в DAC, и они получили небольшие гранты для создания собственных центров DAC. Министерство энергетики заявляет, что это финансирование может помочь расширить масштабы использования технологий на благо всех, одновременно отвлекая компании от использования ископаемого топлива.