Как поймать CO₂: наука ищет пути для очистки атмосферы

На фоне растущей обеспокоенности глобальным потеплением и изменением климата научное сообщество активно изучает способы сокращения выбросов парниковых газов. Одним из ключевых загрязнителей атмосферы признан диоксид углерода – CO₂, выделяемый в результате деятельности человека. Согласно последним данным, в 2023 году глобальные выбросы CO₂ достигли отметки в 40,7 миллиарда тонн, что на 1,1% превышает показатели предыдущего года. Эта статистика подчеркивает актуальность разработки и внедрения эффективных технологий по борьбе с эмиссией.

Основным инструментом в этом направлении считаются технологии улавливания, утилизации и хранения углерода, известные как CCUS. Их главная задача – предотвратить попадание CO₂ в атмосферу из крупных промышленных источников, таких как электростанции, цементные и металлургические заводы. Международные соглашения, включая Парижское соглашение, подписанное представителями 196 стран, ставят амбициозную цель – удержать рост глобальной средней температуры на уровне не выше 1,5 °C по сравнению с доиндустриальным уровнем. Без масштабного применения технологий улавливания углерода достижение этой цели представляется крайне сложным.

Существующие подходы к улавливанию CO₂ можно разделить на три основные категории в зависимости от стадии технологического процесса. Первый метод – предулавливание, или улавливание до сжигания. Он предполагает удаление углерода из ископаемого топлива еще до его сжигания, в процессе преобразования в газовую смесь водорода и CO₂. Этот подход эффективен, но требует серьезной модернизации промышленных объектов, что делает его более применимым для новых предприятий.

Второй и наиболее распространенный метод – улавливание после сжигания. В этом случае CO₂ извлекается непосредственно из дымовых газов, образующихся после сгорания топлива. Ключевое преимущество этого подхода заключается в возможности его интеграции в уже существующие электростанции и промышленные предприятия без коренной перестройки их работы. Технология реализуется с помощью различных химических и физических процессов, включая абсорбцию и адсорбцию.

Третья стратегия – это кислородное сжигание. Вместо воздуха, состоящего преимущественно из азота и кислорода, для сжигания топлива используется почти чистый кислород. В результате дымовые газы состоят в основном из CO₂ и водяного пара, что значительно упрощает процесс их разделения. Хотя этот метод высокоэффективен, он требует значительных затрат энергии на производство чистого кислорода.

Для разделения CO₂ из газовых смесей применяются разнообразные технологии. Абсорбция, один из самых отработанных методов, использует жидкие растворители, которые, подобно губке, поглощают диоксид углерода. В свою очередь, адсорбция основана на применении твердых пористых материалов, на поверхности которых «оседают» молекулы CO₂. Перспективными также считаются мембранные технологии, где специальные полимерные или керамические мембраны действуют как фильтры, пропуская одни газы и задерживая другие. Криогенная сепарация предполагает охлаждение газовой смеси до сверхнизких температур, при которых CO₂ переходит в жидкое или твердое состояние и легко отделяется.

Особое место в исследованиях занимает технология прямого улавливания из воздуха – Direct Air Capture или DAC. В отличие от предыдущих методов, нацеленных на промышленные источники с высокой концентрацией CO₂, DAC позволяет извлекать диоксид углерода непосредственно из атмосферы. Этот подход считается одним из наиболее перспективных для достижения «отрицательных выбросов», однако он сопряжен с высокими энергетическими и финансовыми затратами из-за крайне низкой концентрации CO₂ в воздухе. Несмотря на это, по всему миру уже действуют пилотные установки таких компаний, как Climeworks и Carbon Engineering.

Несмотря на технологическое разнообразие, ни один из существующих методов не является универсальным решением. Каждая технология имеет свои преимущества, недостатки, а также экономические и энергетические издержки. Выбор оптимального подхода зависит от типа промышленного объекта, его географического расположения и экономической целесообразности. Уловленный диоксид углерода может быть не только захоронен в геологических формациях, но и использован в качестве сырья для производства топлива, химикатов или строительных материалов, что открывает новые возможности для создания углерод-нейтральной экономики.