В рамках усилий по ограничению глобального потепления до 1,5 °C необходимо множество инструментов. До сих пор большинство этих усилий было направлено на сокращение использования ископаемого топлива различными способами. Так, сокращение и замена ископаемого топлива возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ) является основным инструментом смягчения последствий изменения климата. CDR (Carbon dioxide removal) — это другой, дополнительный инструмент, который представляет собой пул различных технологий.
МГЭИК определяет CDR как: «Антропогенная деятельность по удалению диоксида CO2 из атмосферы и его долговременному хранению в геологических, наземных или океанических резервуарах или в продуктах». Она включает существующее и потенциальное антропогенное увеличение биологических или геохимических поглотителей CO2 и прямое улавливание и хранение диоксида СО2 в воздухе, но не включает естественное поглощение CO2, не вызванное непосредственно деятельностью человека».
CDR играет важную роль в достижении целей Парижского соглашения. Оно помогает сокращать выбросы в краткосрочной перспективе, балансирует остаточные выбросы для достижения нулевых выбросов к середине столетия и поддерживает нетто-отрицательные выбросы после их достижения. В данной статье, мы рассмотрим технологии, основанные на технологиях CCS: прямое улавливание углекислого газа из воздуха и биоэнергетика с улавливанием и хранением или утилизацией углекислого газа.
Прямое улавливание углекислого газа из воздуха (DACС)
Технологии прямого улавливания углекислого газа из воздуха (Direct air capture DAC, Direct air carbon capture, DACC) удаляют CO2 непосредственно из атмосферы в любой точке планеты, в отличие от CCS, которое осуществляется в местах выбросов. Полученный CO2 может быть надолго сохранен в геологических формациях или использован для различных целей.
На сегодняшний день в Европе, Северной Америке, Японии и на Ближнем Востоке введено в эксплуатацию 27 установок DACС. Все эти установки не являются крупномасштабными, и лишь несколько из них заключили коммерческие соглашения о продаже или хранении CO2, который они уловили.
В то время как остальные установки эксплуатируются в испытательных и демонстрационных целях [1].
Стоит отметить, что данные по действующим проектам очень отличаются, однако все сходятся в том, что суммарная мощность улавливания низкая, по данным Statista они составляют 2715 т. В настоящее время в стадии строительства находятся шесть проектов DAC, крупнейшие из которых должны быть запущены в 2024 году в Исландии (36 тыс. т CO2/год) и в 2025 году в США (500 тыс. т CO2/г. с планами увеличения масштаба до 1 000 тыс. т CO2/год).
В целом, в планах разработки находятся не менее 130 установок DACС. Непосредственно на стадии разработки находятся 24 проекта DACС. Если все эти запланированные проекты будут реализованы и начнут стабильно улавливать CO2 на полную мощность, то к 2030 году объем развертывания DAC достигнет примерно 15 млн т CO2. Это составляет менее 20% от 75 млн тонн CO2, необходимых для достижения сценария NZE (МЭА). Все остальные проекты находятся на очень ранней стадии, финансирование не выделено, а в некоторых случаях даже не определено место для их реализации. [2]
Улавливание CO2 из воздуха обходится дороже, чем из точечного источника. Это связано с тем, что CO2 в атмосфере менее сконцентрирован, чем, например, в дымовых газах электростанции или цементного завода. Поскольку технология DACС еще не была продемонстрирована в крупных масштабах (1 млн т CO2/год и более), оценить ее стоимость крайне сложно. Так, оценки стоимости улавливания, приводимые в литературе, весьма разнообразны и варьируются от 100 до 900 долл./т. Например, недавняя оценка IEAGHG [3], составляет 200-700 долл./т CO2.
По оценкам МЭА, стоимость улавливания с помощью DAC для крупномасштабного использования (1 млн т CO2/год) находится в диапазоне 125-335 долл./тонн CO2, в зависимости от технологии улавливания (твердые или жидкостные технологии абсорбции), стоимости энергии (цены на тепло и электричество), конкретной конфигурации установки, а также от того, будет ли уловленный CO2 храниться или использоваться.
Низкие цены на тепло- и электроэнергию могут снизить прогнозируемые затраты на улавливание с помощью DAC до 100 долл./т CO2. Если выбросы будут монетизированы с помощью какой-либо схемы ценообразования на углерод, то нивелированная стоимость улавливания для DAC может опуститься значительно ниже 100 долларов за тонну СО2. Однако только цена на углерод выше 160 долларов за тонну СО2 может сделать улавливание на основе DAC выгодным.
Биоэнергетика с улавливанием и хранением или утилизацией СО2 (Bioenergy with carbon capture and storage or utilization bio-CCUS, BECCS or BECCUS)
Биоэнергетика улавливание и хранение СО2 — это группа технологий для производства энергии из биомассы и хранение CO2. BECCS предполагает использование биомассы в качестве источника энергии, а также улавливание и постоянное хранение CO2, образующегося в процессе преобразования биомассы в энергию.
- [1] https://www.iea.org/energy-system/carbon-capture-utilisation-and-storage/direct-air-capture
- [2] https://www.iea.org/energy-system/carbon-capture-utilisation-and-storage/direct-air-capture
- [3] https://ieaghg.org/publications/technical-reports
Ежегодно улавливается около 2 млн т CO2, в основном (до 90%) на производстве биоэтанола, который выделяет CO2 в чистом виде, из которых 1 млн т хранится под землей.
Крупнейшим действующим проектом BECCS на сегодняшний день является Иллинойский промышленный проект CCS, который с 2018 г. улавливает CO2 для постоянного хранения в геологических формациях. Однако он был остановлен в 2021 году.
Проект по производству биоэтанола Red Trail Energy, второй в США, предусматривающий хранение, вступил в строй в 2022 г. Другие небольшие предприятия по производству биоэтанола улавливают CO2 в Европе и США, они либо продают CO2 в теплицы для повышения урожайности, либо используют его для повышения нефтеотдачи [4].
BECCS осуществляется двумя основными методами: сжигание и преобразование. При сжигании биомасса непосредственно используется в качестве источника топлива для производства тепла, используемого для выработки электроэнергии или в промышленности, включая цементную, целлюлозно-бумажную, мусоросжигательную, сталелитейную, нефтехимическую и другие отрасли. CO2 улавливается из потока дымовых газов, образующихся при сжигании.
Второй метод – преобразование биомассы путем сбраживания или ферментации для получения газообразного или жидкого топлива соответственно. Наиболее распространенным видом топлива является биоэтанол, который в процессе ферментации выделяет практически чистый поток CO2.
Применение технологий BECCS позволяют создавать отрицательные выбросы углерода. Кроме того, реализация и усовершенствование технологий улавливания CO2 на этаноловых заводах способствует развитию новых технологий, которые могут применяться в различных отраслях промышленности.
Однако у данной технологии есть и недостатки. В частности, выращивание энергетических культур увеличивает конкуренцию с пищевыми культурами. По оценкам CSLF, использование только специализированных биоэнергетических культур может потребовать до 30% пахотных земель в мире [5].
Также технические проблемы, связанные с газификацией биомассы в больших масштабах, потерей энергии, связанной с регенерацией абсорбента для улавливания после сжигания и т. д. Отмечаются риски всей цепочки CCS. Хотя отдельные звенья цепочки CCS хорошо изучены, задача состоит в том, чтобы гарантировать, что отказ одного компонента не приведет к отказу всего проекта.
Единственная в мире коммерческая электростанция с улавливанием CO2, Boundary Dam, использует 31% энергии станции для улавливания и сжатия CO2 [6] , что является одной из основных причин, по которым улавливание CO2 на электро- и теплостанциях остается до сих пор нерентабельным. Такие проблемы, как разложение аминов и коррозия, еще больше увеличивают затраты.
Большинство станций по производству биомассы менее эффективны чем, например угольные.
К 2030 г. запланирован запуск 40 установок по производству биоэтанола, суммарная мощность по улавливанию CO2 достигнет 15 млн т. В последние два года объявлены проекты BECCS в теплоэнергетике, водородной и цементной отраслях: 20 млн т CO2 планируется уловить на теплоэлектростанциях, 80% из них — на биоэлектростанциях, остальное при переработке отходов в энергию.
Стоимость BECCS сильно варьируется, от 20 до 425 долл./т. Это зависит от технологии, места применения и выбора — будет ли уловленный CO2 использоваться или направлен на долгосрочное хранение в геологических формациях.
На сегодняшний день технологии CDR на основе технологического улавливания CO2 распространены в мире слабо из-за экономики и технологического развития таких проектов. Для их успешного встраивания в декарбонизационный портфель технологий потребуется время, дополнительное регулирование и развитие технологий.
- [4] https://www.iea.org/energy-system/carbon-capture-utilisation-and-storage/bioenergy-with-carbon-capture-and-storage
- [5] CSLF, 2018. Technical Summary of Bioenergy Carbon Capture and Storage (BECCS), Carbon Sequestration Leadership Forum.
- [6] https://ieefa.org/wp-content/uploads/2018/11/Holy-Grail-of-Carbon-Capture-Continues-to-Elude-Coal-Industry_November-2018.pdf
