Что такое улавливание и хранение углерода (CCS)?

Улавливание и хранение углерода (англ. Carbon capture and storage, или CCS) – это процесс прямого улавливания углекислого газа (CO₂) от угольных электростанций или других промышленных процессов. Его основная цель – не допустить попадания CO₂ в атмосферу Земли и дальнейшего усиления воздействия избыточных парниковых газов. Уловленный CO₂ транспортируется и хранится в подземных геологических формациях.

Существует три типа CCS: улавливание перед сжиганием, улавливание после сжигания и кислородное сжигание. В каждом процессе используется совершенно другой подход к снижению количества CO₂, образующегося при сжигании ископаемого топлива (1).

Что такое углерод?

Диоксид углерода (CO₂) – это бесцветный газ без запаха при нормальных атмосферных условиях. Он вырабатывается дыханием животных, грибов и микроорганизмов, и используется большинством фотосинтезирующих организмов для создания кислорода. Он также производится при сжигании ископаемого топлива, такого как уголь и природный газ.

CO₂ является самым распространенным парниковым газом в атмосфере Земли после водяного пара. Его способность удерживать тепло помогает регулировать температуру и делать планету пригодной для обитания. Однако в результате деятельности человека, например, сжигания ископаемого топлива, выделяется слишком много парниковых газов. Избыточный уровень CO₂ является основным фактором глобального потепления.

Международное энергетическое агентство, которое собирает данные об энергии со всего мира, оценивает, что мощность улавливания CO₂ может достичь 130 миллионов тонн CO₂ в год, если планы по новой технологии CCS будут продвигаться вперед. По состоянию на 2021 год планируется построить более 30 новых объектов CCS в США, Европе, Австралии, Китае, Корее, на Ближнем Востоке и в Новой Зеландии (2).

Как работает CSS?

Есть три пути достижения улавливания углерода в точечных источниках, таких как электростанции. Поскольку примерно одна треть всех выбросов CO₂, производимых человеком, приходится на эти предприятия, проводится большое количество исследований и разработок, направленных на повышение эффективности этих процессов (3).

В каждом типе системы CCS используются разные методы для достижения цели по сокращению выбросов CO₂ в атмосфере, но все они должны следовать трем основным этапам: улавливание, транспортировка и хранение углерода.

Улавливание углерода

Первым и наиболее широко используемым типом улавливания углерода является улавливание после сжигания. В этом процессе топливо и воздух объединяются на электростанции для нагрева воды в котле. Образующийся пар вращает турбины, вырабатывающие энергию. Когда дымовой газ выходит из котла, CO₂ отделяется от других компонентов газа. Некоторые из этих компонентов уже были частью воздуха, используемого для горения, а некоторые являются продуктами самого горения.

В настоящее время существует три основных способа отделения CO₂ от дымового газа при улавливании после сжигания. При улавливании на основе растворителя, CO₂ абсорбируется жидким носителем, например раствором амина. Затем абсорбирующая жидкость нагревается или сбрасывается давление, чтобы высвободить CO₂ из жидкости. Затем жидкость используется повторно, в то время как CO₂ сжимается и охлаждается в жидкой форме, чтобы его можно было транспортировать и хранить (4).

Использование твердого сорбента для улавливания CO₂ включает физическую или химическую адсорбцию газа. Затем твердый сорбент отделяется от CO₂ путем снижения давления или повышения температуры. Как и при улавливании на основе растворителя, CO₂, который выделяется при улавливании на основе сорбента, сжимается (5).

При мембранном улавливании CO₂ дымовой газ охлаждается и сжимается, а затем подается через мембраны, сделанные из проницаемых или полупроницаемых материалов. Отводимый вакуумными насосами дымовой газ проходит через мембраны, которые физически отделяют CO₂ от других компонентов дымового газа (6).

При улавливании CO₂ перед сжиганием топливо на основе углерода вступает в реакцию с паром и газообразным кислородом (O₂) с образованием газообразного топлива, известного как синтез-газ. Затем CO₂ удаляется из синтез-газа с использованием тех же методов, что и улавливание после сжигания (7).

Удаление азота из воздуха, который используется для сжигания ископаемого топлива, является первым шагом в процессе сжигания кислородного топлива. Остается почти чистый O₂, который используется для сжигания топлива. Затем CO₂ удаляется из дымовых газов с использованием тех же методов, что и улавливание после сжигания (8).

Транспортировка

После улавливания и сжатия CO₂ в жидкую форму его необходимо транспортировать на площадку для подземной закачки. Это постоянное хранение или секвестрация в истощенные нефтяные и газовые месторождения, угольные пласты или солевые образования необходимо для безопасного и надежного удержания CO₂. Транспортировка чаще всего осуществляется по трубопроводу, но для небольших проектов могут использоваться грузовики, поезда и корабли (9).

Место хранения

Чтобы добиться успеха, хранение CO₂ должно происходить в определенных геологических формациях. Министерство энергетики США изучает пять типов пластов, чтобы выяснить, являются ли они безопасными, устойчивыми и доступными способами постоянного хранения CO₂ под землей. Эти пласты включают угольные пласты, которые невозможно добыть, залежи нефти и природного газа, базальтовые образования, соляные образования и сланцы, богатые органическими веществами. CO₂ должен быть превращен в сверхкритическую жидкость, то есть его необходимо нагреть и создать под давлением до определенных спецификаций для хранения. Это сверхкритическое состояние позволяет ему занимать гораздо меньше места, чем если бы он хранился при нормальных температурах и давлении. Затем CO₂ закачивается через глубокую трубу, где он оказывается захваченным в слоях породы (10).

В настоящее время в мире существует несколько промышленных хранилищ CO₂. В хранилище CO₂ Слейпнер в Норвегии и в рамках проекта CO₂ в Вейбурне-Миделе в течение многих лет успешно закачивается более 1 миллиона метрических тонн CO₂. Также активно ведутся работы по хранению в Европе, Китае и Австралии (11).

Примеры CCS

Первый проект коммерческого хранилища CO₂ был построен в 1996 году в Северном море у побережья Норвегии. Блок обработки и улавливания CO₂ от Sleipner удаляет CO₂ из природного газа, добываемого на месторождении Sleipner West, а затем закачивает его обратно в пласт песчаника толщиной 183 метра. С начала проекта более 15 миллионов тонн CO₂ было закачано в формацию Утсира, которая в конечном итоге может удерживать 600 миллиардов тонн CO₂. Последняя стоимость закачки CO₂ на объекте составила около 17 долларов за тонну CO₂ (12).

В Канаде, по оценкам ученых, в рамках проекта мониторинга и хранения CO₂ в Вейбурне-Миделе можно будет хранить более 40 миллионов тонн CO₂ на двух нефтяных месторождениях, где он расположен в Саскачеване. Ежегодно в два резервуара добавляется около 2,8 миллиона тонн CO₂. Последняя стоимость закачки CO₂ на объекте составила 20 долларов за тонну CO₂ (13, 14, 15).

Плюсы и минусы CCS

Плюсы:

• По оценкам Агентства по охране окружающей среды США, технологии CCS могут снизить выбросы CO₂ от электростанций, работающих на ископаемом топливе, на 80–90% (16).
• Количество CO₂ больше концентрируется в процессах CCS, чем при прямом захвате воздуха (17).
• Удаление других загрязнителей воздуха, таких как газы оксидов азота (NOx) и оксида серы (SOx), а также тяжелых металлов и твердых частиц, может происходить как побочный продукт CCS (18).
• Социальная стоимость углерода, которая выражается как реальная стоимость ущерба, наносимого обществу каждой дополнительной тонной CO₂ в атмосфере, снижается (19).

Минусы:

• Самым большим препятствием для внедрения эффективных CCS является стоимость отделения, транспортировки и хранения CO₂.
• Емкость долгосрочного хранения CO₂, удаляемого с помощью CCS, оценивается меньше, чем необходимо.
• Возможность сопоставления источников CO₂ с местами хранения весьма сомнительна (20).
• Утечка CO₂ из мест хранения может нанести большой вред окружающей среде.

Источник