Как утилизировать двуокись углерода

Одной из важнейших тем семинара по проблеме технологического разрыва на пути российской декарбонизации был доклад Екатерины Грушевенко, эксперта Центра по энергопереходу и ESG из Сколтеха, о технологиях улавливания двуокиси углерода, который часто именуется сокращенно как технология или технологии CCUS(Carbon capture,use and storage). Дело в том, что включение технологий CCUS в пакет мер по декарбонизации снижает общую стоимость системы декарбонизации. В этой связи перед учеными в мировом разрезе ставится задача на период следующих 50 лет по созданию новой масштабной индустрии по улавливанию, транспортировке, полезному использованию и хранению углерода. Таким образом, к 2050 году относительный вклад проектов CCUS в снижение выбросов увеличится и будет покрывать до половины выбросов, в то время как сейчас мощность проектов CCUS составляет менее 1% от суммарного объема выбросов. Несмотря на то что CCUS являются одной из наиболее перспективных технологий, которая может способствовать выполнению целей Парижского соглашения, количество действующих проектов в данной области невелико. Текущая ситуация с развитием сектора хранения СО2 не соответствует стратегическим ориентирам сценария устойчивого развития Международного энергетического агентства (МЭА), определяющим необходимость создания новой мировой индустрии по транспортировке и хранению углекислого газа.

Рис. 1  Схема Екатерины Грушевенко

Как известно, технологическая цепочка CCUS состоит из пяти основных компонентов: выявления источника СО2, выделения (улавливания) СО2 из смеси дымовых газов, очистки и сжатия СО2 и далее полезного использования путем конверсии в полезные продукты либо транспортировки и размещения в геологических пластах для долгосрочного хранения. Источники СО2 распределены по всему миру, и в основном они антропогенные, такие как сжигание ископаемого топлива; сжигание биомассы, включая сведение лесов; некоторые промышленные процессы приводят к значительному выделению углекислоты (например, производство цемента). Другими словами, ископаемые виды топлива – уголь, нефть и газ – вносят наибольший вклад в глобальное изменение климата: на их долю приходится свыше 75% глобальных выбросов парниковых газов и почти 90% всех выбросов углекислого газа. При выборе технологии улавливания главными критериями являются концентрация СО2 в потоке газов и парциальное давление. Надо понимать, что выделение и отделение двуокиси углерода в процессе промышленного производства имеет огромное значение для сохранения традиционных методов производства. Ведь в принципе те же угольные электростанции при налаженной системе улавливания всех отходов производства, включая и выделяющуюся двуокись углерода, могут беспрепятственно использовать имеющиеся запасы ископаемого топлива и продолжать функционировать, как и раньше. Но технологии CCUS конкурируют с другими низкоуглеродными решениями: например, строительство электростанции на основе ВИЭ будет конкурировать со строительством электростанции на угле или метане с использованием CCUS. Однако средний возраст угольных электростанций в Азии оценивается в 11–20 лет, притом что средний срок их службы во всем мире составляет 46 лет (хотя во многих случаях они могут работать в течение 50–60 лет или дольше). Поэтому будет нецелесообразно заменять «молодые» электростанции на ископаемых видах топлива на ВИЭ. Оптимальным вариантом для таких электростанций станет их дополнение технологиями CCUS. При этом в промышленном секторе CCUS являются едва ли не единственной альтернативой по глубокой декарбонизации процессов.

На сегодняшний день в плане утилизации двуокиси углерода также существуют технологии, находящиеся на высоком уровне технологической готовности. Напомним, что уровень технологической готовности – это научное понятие. Шкала уровней технологической готовности была разработана НАСА в США в 70–80-х годах прошлого века. В настоящее время она используется не только в США, но и в Европе, а также Японии, Канаде и других странах. Первоначальный вариант шкалы включал семь уровней, сейчас – девять. Так вот речь идет о девятом уровне. Это методы захвата СО2 в химической промышленности, в черной металлургии, в переработке природного газа, достаточно высокий уровень готовности (TRL 8-9) при захвате СО2 на установках по производству водорода и на угольных электростанциях.

Отечественный подход

Считается, что в России отрасли CCUS как единого комплекса не существует. Скорее всего это связано с дополнительными затратами, которые в условиях существования традиционной промышленности не рассматривались предпринимателями как необходимые расходы. Ведь стоимостной анализ проектов CCUS демонстрирует значительный разброс цен: от 20 до 450 долл. за тонну СО2. Инфраструктурные CCUS-проекты привязаны к источникам эмиссии и местам хранения СО2, что делает их менее рентабельными, чем, например, добыча и разведка углеводородов. Для дальнейшего масштабирования технологии необходимо ее удешевление. Поэтому сегодня без государственной поддержки массовое внедрение CCUS практически нерентабельно. Коммерческой же основой CCUS-проектов является наличие рынка углеродных единиц. О чем «НГ-энергия» сообщала в начале текущего номера.

Улавливание – наиболее затратная составляющая процесса, на него приходится до 75% от общей стоимости CCUS. В отдельных случаях затраты могут быть ниже – например, при улавливании CO2 на производст­вах, где его концентрация достигает 95–100% (например, на месторождениях по добыче природного газа с высоким содержанием СО2).

В области транспортировки лучше всего развиты технологии передачи СО2 по трубопроводам, однако привлечение морского транспорта не должно занять много времени при наличии спроса на данную услугу, и ряд крупных компаний уже анонсировали пилотные проекты по производству танкеров для транспортировки СО2. Среди технологий хранения можно выделить технологии закачки СО2 в пласт для повышения нефтеотдачи (CO2-EOR). Также высокий уровень готовности имеют технологии долгосрочного хранения СО2 в минерализованных водоносных пластах и в истощенных газовых пластах. Если СО2 не хранится, а используется, то на текущий момент наиболее развитыми являются использование СО2 при изготовлении удобрений и добавление СО2 при производстве цемента. Несмотря на наличие рисков, которые характерны для любого технологического процесса, главная выгода от применения технологий CCUS – снижение парникового эффекта и сглаживание энергоперехода, так как CCUS позволяет декарбонизировать промышленность без вмешательства в основной технологический процесс. Основным экологическим преимуществом CCUS является его способность снижать уровень выбросов CO2 в атмосферу, в то время как ископаемое топливо его увеличивает.

Системы улавливания СО2 в России существуют и находят применение в промышленных процессах. Например, в обжиговых печах для улавливания диоксида углерода могут применяться различные системы абсорбции, адсорбции, разделение газа на мембране и получение газовых гидратов. Улавливание СО2 реализуется и в биоэнергетике, при производстве биогаза и биоэтанола, а также в производстве удобрений и разделении природного газа, например, для извлечения из него в нефтехимической промышленности пропанбутановых и бензиновых франкций.

В 2022 году Росстандарт и Минэнерго создали техкомитет для разработки системы улавливания СО2 в России. Комитет должен начать работать на базе Института нефтехимического синтеза им. А.В. Толчиева. Предполагается, что он займется проблемами улавливания, а также транспортировки и хранения СО2. В его функции будет входить формирование фонда документов национальной системы стандартизации в области технологий, направленных на сокращение выбросов углекислого газа, нормативно-техническое обеспечение проектирования, строительства и эксплуатации технологических объектов для улавливания, транспортировки, хранения и переработки углерода, представление интересов России в техническом комитете по улавливанию, транспортировке и хранению углекислого газа в Международной организации по стандартизации (в рамках этого комитета уже разработано 12 стандартов, его секретариат находится в ведении Канады). Членами комитета уже стали компании ИнтерРАО, НОВАТЭК, СИБУР, Газпромнефть, Татнефть, Сургутнефтегаз и ряд других. По сообщению пресс-службы Минэнерго, около десятка новых проектов по улавливанию и захоронению углекислого газа в России сейчас находятся в стадии изучения компаниями.

Рис. 2  Схема с сайта www.climatescience.org

Скорее всего закаченный для хранения СО2 остается в недрах на тысячелетия. Но существуют опасности его утечки и вступления в реакцию с водой. На последний факт было указано на упомянутом семинаре. В последнем случае будет образовываться агрессивная угольная кислота с пока малоизученными последствиями для окружающей среды.

Чаще всего потерю герметичности геологических резервуаров связывают с двумя причинами: разрушение вмещающих углекислый газ горных пород вследствие землетрясения; разрушение этих горных пород в реультате взаимодействия с углекислым газом. Именно вторая причина является проблемой, которая до сих пор не разрешена.

В России наиболее перспективным регионом для улавливания и хранения является Волго-Уральский регион. Данный регион включает в себя старейшие нефтяные месторождения России с высокой степенью выработанности запасов. Помимо этого в Волго-Уральском регионе расположено большое количество промышленных объектов в относительно небольшой удаленности от нефтяных месторождений (15–300 км). Также перспективными видятся центральная и южная часть страны: Московская, Волгоградская и Краснодарская области, однако достоверных оценок потенциала по хранению СО2 в минерализованных водоносных пластах нет, так как этот вопрос мало изучен в России. Отрасль CCUS в России на данный момент, по сути, только в начальной стадии своего формирования, однако текущая климатическая повестка, очевидно, стимулирует российские компании рассматривать и этот метод декарбонизации. Россия обладает высоким потенциалом по применению технологий CCUS благодаря большому потенциалу по хранению СО2 (включая его использование для повышения нефтеотдачи), а также благодаря наличию значительного количества крупных источников антропогенных выбросов СО2. Тем не менее существуют и барьеры, в частности регуляторные, технологические и экономические. Для успешного развития проектов CCUS в России видятся необходимыми следующие шаги: создание реестра истощенных месторождений, подходящих для хранения СО2, поиск и характеризация минерализованных водоносных пластов, в особенности рядом с источниками эмиссии, оценка возможных объемов хранения СО2, создание реестра крупных эмитентов, подходящих для использования технологии улавливания СО2, и формирование кластеров из эмитентов по географическому принципу и т.д.

Проблема транспортировки

Чистый СО2, улавливаемый из воздуха или во время выработки энергии, необходимо транспортировать до мест захоронения или переработки. Но транспортировка представляет собой определенные трудности, поскольку CO2 является газом при комнатной температуре и давлении, что означает, что он занимает много пространства.Лучшими способами транспортировки являются трубы и корабли. Прежде чем провести углекислый газ через трубопровод, его сжимают с помощью воздействия очень высокого давления. Так он переходит в жидкое состояние.

В жидком состоянии CO2 имеет меньший объем, чем в газообразном, и поэтому так транспортировать его легче.

Трубопроводы могут быть наземными (на суше) или морскими (под водой). В настоящее время наземные трубопроводы являются самым дешевым вариантом транспортировки на короткие расстояния (менее 1000 км), а на большие расстояния (особенно для небольших объемов) самым дешевым методом являются морские перевозки. Как известно, сжиженный газ – СПГ имеет похожие свойства с жидким СО2. Поэтому для его перевозки можно использовать те же суда, а также такие же сооружения для хранения.

Относительно использования существующей сети газопроводов для транспортировки сжиженного СО2 проводятся опыты и изучение данного вопроса. «НГ-энергия» освещала данную тему еще в декабре 2021 года в статье «Вторая жизнь газовой инфраструктуры». Однако она касалась перепрофилирования морских газопроводов.

Варианты применения

Как уже отмечалось, СО2 используется в химической промышленности для производства метанола и мочевины, его используют в строительстве и в здравоохранении, при сварочных работах. Одним из наиболее универсальных способов применения углекислого газа является перенос энергии, в основном в качестве хладагента или охладителя. Это относится не только к жидкой и газообразной формам, но и к твердому CO2, более известному как «сухой лед». Кроме того, благодаря инертным свойствам, что означает, что он плохо реагирует (или вообще не реагирует) с другими веществами, он также используется в качестве агента для инертизации в химической и пищевой промышленности. Таким образом, он может предотвратить окисление продукции в производственном секторе.