Михаил Аким
Применение устройств по удалению двуокиси углерода из воздуха в принципе ставит под вопрос необходимость альтернативных источников энергии. Фото Reuters
Улавливание, утилизация и хранение углерода (CCUS) все чаще признается одной из ключевых технологий для реализации целей Парижского соглашения, однако ее использование зачастую вызывает некоторый скепсис. Поэтому представляется целесообразным проанализировать ситуацию с внедрением данных технологий.
Ученые-климатологи утверждают, что достичь нулевых выбросов невозможно без внедрения CCUS в широком глобальном масштабе, и ряд организаций, включая Межправительственную группу экспертов по изменению климата (МГЭИК), созданную для оценки научных данных, связанных с изменением климата, Международное энергетическое агентство (МЭА) и Международное агентство по возобновляемым источникам энергии (IRENA), выступают за эффективное ускорение внедрения CCUS для достижения климатических целей во всем мире.
По оценкам Министерства энергетики США, только США необходимо будет удалять из воздуха или улавливать на заводах примерно от 400 млн до 1,8 млрд метрических тонн углекислого газа в год, чтобы страна достигла своей цели по достижению нулевых выбросов к 2050 году. Хотя такие технологии уже давно известны и потенциально доступны для коммерческого использования, по данным Global CCS Institute, в настоящее время по всему миру действует более 40 проектов CCUS. К началу 2024 года в стадии строительства и разработки находился 351 проект (только в 2022 году был инициирован 61 новый проект).
Потенциал и практика
Однако на данной стадии развития CCUS не всегда видится решением экологических проблем. Одним из рисков является возможная утечка CO₂ из хранилищ, хотя теоретически прочность естественных геологических формаций, которые уже хранили газ в течение миллионов лет, должна была бы обеспечить надежное хранение СО₂. Большая проблема заключается зачастую в низкой производительности установок CCUS. Иногда это доходит до полного фиаско, возможно из-за недостаточного опыта их использования. Например, согласно последним отчетам, единственная в мире крупная электростанция с CCUS, Boundary Dam компании SaskPower в Саскачеване, Канада, отстает от запланированных показателей почти на 50%.
Наибольшая проблема внедрения состоит в том, что это дорого. Согласно оценкам, при существующих технологиях извлечение и хранение обходится в сотни долларов на тонну углекислого газа. Даже если расходы снизятся до 100 долл. за тонну, как надеются эксперты, то извлечение и хранение 10 млрд т СО₂ составит 1 трлн долл. в год. Очевидно, что такие инвестиции если и возможны, то только на уровне федеральных правительств наиболее благополучных стран.
Некоторые эксперты опасаются, что системы CCUS увеличивают экологический ущерб от токсичности, подкисления, эвтрофикации и т.д. Однако в литературе также делается вывод о том, что, сопоставляя достоинства и недостатки, можно получить чистую экологическую выгоду, если сравнить снижение экологического ущерба от изменения климата, достигнутое системами CCUS, с возможным ущербом от самого CCUS. Очевидно, что данная область требует дополнительных исследований для комплексной оценки всевозможных климатических последствий, особенно для технологии повышения нефтеотдачи (EOR), которая в итоге служит для производства большего количества ископаемого топлива, что вызывает много споров.
Улавливание СО₂ осуществляется как у точечного источника выбросов (например, крупных промышленных объектов, таких как цементный завод или электростанция, работающая на природном газе или биомассе), так и методом прямого улавливания из воздуха (Direct Air Capture, DAC).
Возможности производства экологичного водорода из биомассы или ископаемого топлива также связаны с CCUS. По данным МЭА, CCUS обладает потенциалом для сокращения более 90% прямых выбросов CO₂, который может образовываться при производстве водорода в результате химической реакции, в частности при использовании метана, сжигании топлива для нагрева и во время очистки.
Собранный СО₂ транспортируется к месту хранения, где он изолируется от атмосферы на длительный срок в подходящих геологических формациях на суше или под морским дном. СО₂ может применяться в добывающей промышленности для повышения эффективности нефте- и угледобычи, в производстве удобрений, стройматериалов, огнетушителей, пищевых продуктов и для использования в тепличных хозяйствах.
Особого внимания заслуживает применение технологий улавливания и хранения СО₂ в биоэнергетике (BECCS). Этот процесс позволяет улавливать и хранить CO₂, выделяемый при преобразовании биомассы в топливо или ее сжигании для получения энергии. Поскольку растения поглощают CO₂ в процессе роста, биотопливо считается углеродно-нейтральным, а BECCS способствует удалению углекислого газа из атмосферы. В настоящее время улавливается около 2 млн т биогенного СО₂ в год, в основном за счет производства биоэтанола. По прогнозам, к 2030 году этот показатель может достигнуть 60 млн т ежегодно, что значительно меньше целевого значения в 185 млн т, определенного сценарием МЭА «Чистые нулевые выбросы к 2050 году» (NZE). Несмотря на высокую важность BECCS для достижения углеродной нейтральности, развитие проектов в этой области идет медленно.
Крупнейший на сегодняшний день проект BECCS – Illinois Industrial CCS, с 2017 года улавливающий CO₂ для долговременного хранения в геологических формациях, аналогично заводы по производству биоэтанола Red Trail Energy и Blue Flint, были запущены в США в 2022 и 2023 годах. Хотя биоэтанол пока занимает ведущую роль в BECCS, в будущем ожидается запуск новых проектов в энергетике и промышленности.
До 2030 года планируется запуск около 70 новых заводов по производству биоэтанола, включая 57 объектов в рамках проекта Midwest Carbon Express в США, что позволит создать мощности для улавливания примерно 20 млн т биогенного CO₂. В последние три года было объявлено о множестве новых проектов, что свидетельствует о диверсификации портфеля BECCS, с увеличением числа инициатив в таких отраслях, как тепло- и электроэнергетика, водородная промышленность и цементное производство.
Некоторые страны и регионы достигли значительных успехов в продвижении BECCS. В мае 2023 года Датское энергетическое агентство (DEA) подписало контракт с двумя теплоэлектростанциями на улавливание более 0,4 млн т CO2₂ в год к 2026 году в рамках программы поддержки CCUS, и строительство соответствующей инфраструктуры уже началось. В апреле 2024 года DEA также утвердило финансирование трех новых BECCS-проектов на сумму 2,6 млрд датских крон (около 350 млн евро) для уменьшения выбросов углекислого газа (NECCS). В марте 2023 года правительство Великобритании представило свою бизнес-модель BECCS для энергетического сектора, а в феврале 2024 года Европейский парламент и Совет ЕС достигли соглашения о введении системы сертификации удаления углерода.
К 2030 году теплоэлектростанции смогут улавливать около 30 млн т биогенного CO₂, при этом более 80% этого объема будет приходиться на специализированные биоэлектростанции, а остальная часть – на заводы по переработке отходов в энергию. В цементной промышленности семь заводов уже объявили о планах интегрировать биомассу в процесс производства клинкера и модернизировать свои мощности для применения CCUS. Большинство таких предприятий стремятся достичь углеродной нейтральности, частично за счет улавливания углерода и замены ископаемого топлива на биомассу. К таким заводам относятся строящийся завод Brevik Norcem в Норвегии, проект Go4ECOPlanet в Польше, заводы в Эдмонтоне (Канада) и Padeswood (Великобритания), а также проект GeZero в Германии, все они находятся на продвинутых стадиях разработки. Также есть три проекта по модернизации целлюлозно-бумажных заводов для применения CCUS, включая проект в Хокуэцу (Япония), который является частью хаба CCS в Восточной Ниигате.
Сроки реализации проектов BECCS в значительной степени зависят от возможностей хранения или использования CO₂. Пример реализации проектов на биоэтаноловых и биоэнергетических электростанциях с использованием CCUS показывает, что сроки внедрения могут варьироваться, но в среднем составляют около 3,5 года. Строительство первых двух заводов по захоронению, действующих на сегодняшний день в США, заняло около семи лет, включая создание инфраструктуры для транспортировки и хранения СО₂. Проекты, связанные с использованием улавливаемого CO₂, были завершены менее чем за четыре года. Развитие инфраструктуры транспортировки и хранения CO₂ остается основным ограничивающим фактором, и создание крупных CCUS-хабов может значительно ускорить реализацию BECCS в долгосрочной перспективе.
Прямое улавливание
Технология прямого улавливания из воздуха (DAC) в сочетании с геологическим хранением углерода (DACS, также DACCS) в последнее время стала одним из основных вариантов удаления углерода наряду с BECCS и природными решениями (nature based solutions, NBS), такими как лесонасаждение и лесовосстановление. При масштабном развитии эти решения привели бы к «отрицательным выбросам», что исключило бы необходимость в более рискованных вариантах сокращения выбросов, таких как геоинженерные решения. DAC также может использоваться для производства CO₂ в качестве сырья для ряда производств, еще не достигших коммерческих масштабов (к примеру, в химической промышленности, производстве строительных материалов и синтетического топлива).
Многие считают, что DACCS представляет собой реализуемый, безопасный и надежный способ удаления углерода. Теоретически с помощью технологии прямого улавливания CO₂ извлекают непосредственно из атмосферы в любом месте, в отличие от улавливания, осуществляемого у точечных источников выбросов. Однако улавливание CO₂ из воздуха является самым дорогостоящим методом, поскольку в атмосфере он рассеян существенно больше, чем, например, в дымовых газах электростанции или цементного завода. Поэтому потребности в энергии и финансовые затраты в случае DAC значительно выше, чем при использования других технологий улавливания.
Процесс прямого улавливания СО₂ из воздуха гораздо сложнее и с технической точки зрения: огромные объемы воздуха нагнетаются посредством вентиляторов (коллекторов), затем из них сепарируется СО₂. Для этого применяется специальный сорбент, которым покрыты стенки улавливающих емкостей. Поглощенный из воздуха СО₂ закачивается в подземные резервуары.
Большинство заявленных на сегодняшний день проектов находится на очень ранних стадиях развития. Совершенствование рыночных механизмов и регуляторных мер для создания спроса на услуги по улавливанию CO₂ может способствовать принятию окончательных инвестиционных решений и достижению эксплуатационного статуса.
Например, в августе 2024 года голландский Институт фундаментальных исследований в области энергетики и Toyota объявили о совместной работе над проектом создания уникального реактора, способного улавливать СО₂ из воздуха и хранить его, используя солнечный свет.
Очевидно, что политическая поддержка данного направления все еще находится в зачаточном состоянии, несмотря на недавние стимулы, такие как налоговый кредит в размере 180 долл. за каждую тонну постоянно хранящегося CO₂, объявленный в прошлогоднем Законе США о снижении инфляции.
Согласно оценкам Boston Consulting Group, опубликованным в 2023 году, для широкого внедрения технологии DAC стоимость удаления углекислого газа, включая окончательное хранение, должна снизиться с сегодняшних 600–1000 долл. за тонну CO₂ до уровня ниже 200 долл., а в идеале – ближе к 100 долл., что должно произойти к 2050 году. Их модель показывает возможность снижения затрат до 200 долл. и ниже, но в этом случае потребуются такие стимулы, как специальные механизмы финансирования, низкие капитальные затраты, поддерживающая инфраструктура для снижения эксплуатационных расходов, обучение, поддержка масштабного внедрения. Однако другое исследование, опубликованное в 2018 году учеными из Гарварда, показало, что, в зависимости от финансовых условий, затрат на энергию и конкретного выбора способа улавливания и хранения, приведенная стоимость за тонну CO₂, уловленного из атмосферы, может составлять от 94 до 232 долл.
Очевидно, для успеха DAC будет крайне важно найти географические места, обладающие значительным потенциалом для хранения СО₂, обеспеченные избытком дешевой возобновляемой энергии, а технологические решения также должны отвечать конкретным климатическим условиям.
Транспортировка и хранение
Для хранения уловленный CO₂ закачивают в глубокий (800 м и более) подземный геологический резервуар из пористой породы, покрытый непроницаемым слоем горных пород, обеспечивающим герметичность, предотвращая восходящую миграцию и возможный выброс CO₂. Наибольшую емкость имеют глубокие солевые формации и истощенные нефтегазовые резервуары. Последние, как правило, представляют собой пористые горные породы, способные удерживать закачиваемый CO₂ так же, как они ранее удерживали в недрах земли нефть, газ и другие углеводороды (включая природный СО₂). Кроме того, они уже хорошо изучены, поэтому такой метод хранения СО₂ является крайне привлекательным. Тем не менее для хранения СО₂ коллекторы должны соответствовать ряду критериев, например глубокое залегание пластов, определенные термодинамические пластовые условия (пластовое давление, температура и свойства нефти) и т.д. Несмотря на кажущиеся огромными общие технические возможности для подземного хранения CO₂ во всем мире, в каждом регионе необходим детальный анализ и оценка функционала конкретных площадок. На создание хранилища, от концепции проекта до непосредственной закачки CO₂, может потребоваться от трех до десяти лет.
Наличие инфраструктуры для безопасной и надежной транспортировки CO₂ к месту хранения или для дальнейшего использования является важным фактором, позволяющим внедрять технологии CCUS.
Транспортировка CO₂ возможна как в газообразном, так и в жидком состоянии. Наиболее эффективно он транспортируется при сжатии под давлением выше 7,4 МПа и при температуре выше 31 градуса Цельсия. В этих условиях он проявляет сверхкритические свойства, то есть сочетает плотность жидкости и подвижность газа.
CO₂ можно транспортировать при высоких давлениях в трубопроводах, сделанных из углеродистой стали. Уже существуют довольно крупные трубопроводные сети для CO₂, особенно в США, где они используются для поставки СО₂ на месторождения для повышения нефтеотдачи. Общая протяженность сети наземных трубопроводов для CO₂ в США составляет около 9000 км, в настоящее время по ним транспортируют более 70 млн т CO₂ в год. В сочетании с новыми политическими и экономическими стимулами, включающими в себя налоговые льготы, обширная существующая сеть трубопроводов в США стала ключевым фактором для развития проектов CCUS.
В США рассматривается выдача разрешений в рамках 43 проектов. В апреле 2024 года было объявлено о предоставлении 11 млн долл. на развитие четырех проектов развития инфраструктуры для транспорта и хранения СО₂.
В сентябре 2024 года началось строительство инфраструктуры в рамках проекта Porthos в Нидерландах, частью которой станет морской трубопровод и платформа в Северном море. С этой платформы предполагается закачка СО₂ в выработанное месторождение газа в бассейне Северного моря на глубину более 3 км, а также хранение примерно 37 млн т СО₂. Европейская комиссия признала данный проект «проектом общего интереса». Инфраструктура, создаваемая в рамках проекта Porthos, должна дополнить другие инфраструктурные проекты по транспортировке и хранению СО₂, а именно: CO₂ next, совместный проект Gasunie, Vopak, Shell и TotalEnergies, включающий создание в области Маасвлакте терминал по приему и поставкам сжиженного СО₂; Aramis (осуществляемый большинством вышеупомянутых компаний в сотрудничестве с Энергетическим советом Нидерландов, Energy Beheer Nederland, EBN); коридор «Дельта Рейна» (Delta Rhine Corridor), партнеры которого (немецкие BASF, OGE и нидерландские Shell, Gasunie) подписали соглашение о развитии трансграничной транспортной инфраструктуры для СО₂ и водорода в Германии и Нидерландах, а также о создании и развитии цепочек поставок СО₂ и водорода.
Ввиду ограниченного спроса транспортировка СО₂ морским транспортом только начинает развиваться, однако, если нужно перевозить на большие расстояния, она может оказаться более выгодной с экономической точки зрения. СО₂ можно перевозить морскими танкерами (обычно при давлении 0,7 МПа), подобно тому, как уже много лет осуществляются коммерческие поставки сжиженных углеводородов. По своим характеристикам сжиженный СО₂ аналогичен сжиженным нефтяным газам (СНГ) и сжиженному природному газу (СПГ), так что при необходимости масштабы использования судового транспорта для СО₂ могут быть существенно увеличены. Такой вид транспорта способен стать альтернативой трубопроводному, если CO₂ от нескольких близкорасположенных прибрежных источников выбросов необходимо транспортировать к общему месту закачки или центру сбора для дальнейшей транспортировки магистральным трубопроводом к морскому хранилищу.
СО₂ можно перевозить автодорожным и железнодорожным транспортом при температуре 20 градусов Цельсия и давлении 2 Мпа, однако это видится экономически эффективным лишь для небольших объемов.
Создание хабов CCUS – промышленных центров с общей инфраструктурой для транспортировки и хранения CO₂ – видится целесообразным в ряде стран, которые либо рассматривают их создание (Бразилия, Индия и др.), либо уже осуществляют такие проекты. В конце сентября 2024 года в Норвегии был введен в эксплуатацию первый в мире коммерческий проект «Северное сияние», осуществленный компаниями Equinor, TotalEnergies и Shell. В рамках проекта создана инфраструктура для трансграничной транспортировки и хранения СО₂, включающая береговой терминал, морской трубопровод длиной 100 км и подводное хранилище на глубине 2,6 км.
По данным МЭА, к 2030 году общий объем мощностей для хранения СО₂ может достичь 630 млн т в год, хотя сценарий «чистого нуля» прогнозирует данный показатель на уровне 1000 млн т в год.
Вместо эпилога
Некоторые правительства уже запустили инициативы по расширению инвестиций в развитие CCUS. США являются лидером в развитии CCUS благодаря государственным программам поддержки, акценту на инновациях в области низкоуглеродных технологий и успешной истории разведки и эксплуатации месторождений нефти и газа. На долю США приходится 60% существующих мировых мощностей и половина запланированных. В сочетании с недавними федеральными инвестициями, расширяющими разработку и внедрение технологий улавливания углерода, США предполагают захватить значительную долю мирового рынка, стоимость которого оценивается в 1,7 трлн долл. к 2050 году.
Законы об инфраструктуре (BIL), о снижении инфляции (IRA), другие акты стимулируют развитие американской отрасли CCUS, поддерживая производство, развертывание и экспорт технологий CCUS в более крупных масштабах. Данные федеральные стимулы, в частности, включают 3,22 млрд долл. в виде налоговых льгот на производство для снижения стоимости технологий улавливания и секвестрации углерода и ускорения внедрения; 6,5 млрд долл. на финансирование крупномасштабных пилотных проектов и закупку продукции, полученной из улавливаемого углерода; 10 млрд долл. на налоговые льготы для стимулирования существующих предприятий к переоснащению и для производителей оборудования и компонентов, которых могут применяться к CCUS.
Канада также выделила бюджет в размере 2,6 млрд канадских долларов для поддержки проектов CCUS. Коммерческие объекты CCUS также развиваются в Европе (Бельгия, Дания, Венгрия, Италия, Швеция, Нидерланды) и Азии (Индонезия, Малайзия, Япония, Китай).
Большинство действующих объектов, использующих технологии CCUS, связано с переработкой природного газа и производством химикатов, таких как этанол, удобрения и водород для нефтеперерабатывающих заводов, а также с производством стали и электроэнергии. Эти объекты обеспечивают возможность хранения около 40 млн т CO₂ в год.
Внедрение проектов по улавливанию, хранению и использованию СО₂ может способствовать формированию низкоуглеродной экономики, однако успешная реализация зависит от уровня развития технологий, масштаба инвестиций, политической и государственной поддержки, экономических, климатических и социальных особенностей территорий, где предполагается развитие таких проектов. Технологии CCUS, направленные на достижение глобальной углеродной нейтральности, способны стимулировать международное сотрудничество в различных областях.