Представьте себе сценарий, в котором злой супергений находит способ высосать весь кислород из воздуха, а затем закапывает его в землю. Похоже на комиксы? Ну да, если мы говорим о кислороде. Но ученые работают над тем, чтобы сделать это с помощью углекислого газа. Зачем улавливать углекислый газ из воздуха? Для борьбы с глобальным потеплением и изменением климата.
Углекислый газ (CO2) - это природный газ, который позволяет солнечному свету достигать Земли, но также препятствует тому, чтобы часть солнечного тепла излучалась обратно в космос, тем самым нагревая планету. Ученые называют это потепление парниковым эффектом. Когда этот эффект возникает естественным образом, он нагревает Землю достаточно, чтобы поддерживать жизнь. На самом деле, если бы у нас не было парникового эффекта, средняя температура поверхности планеты была бы всего 0 градусов по Фаренгейту (-18 градусов по Цельсию). Конечно, кататься на лыжах может быть здорово, но мы все были бы слишком мертвы, чтобы наслаждаться этим.
Да, углекислый газ и парниковый эффект необходимы для выживания жизни на Земле. Но человеческие изобретения, предназначенные для сжигания ископаемого топлива, такие как электростанции и транспортные средства, выбрасывают дополнительный CO2 в огромных количествах. И это нехорошо.
Десятилетие с 2011 по 2020 год было самым теплым за всю историю наблюдений. С конца 1800-х годов средняя температура на нашей планете выросла примерно на 2,12 градуса по Фаренгейту (1,18 градуса по Цельсию). В результате лед на обоих полюсах тает, уровень моря повышается, животные меняют свои маршруты миграции, а во многих местах наблюдается всплеск экстремальных погодных явлений.
Так что же является основной движущей силой этой тенденции к потеплению? К сожалению, люди. В период с 1970 по 2004 год выбросы углекислого газа выросли на 90 процентов. А в 2019 году глобальная средняя концентрация CO2 в атмосфере Земли была выше, чем когда-либо за предыдущие 800 000 лет.
Недавно Европейская экономическая комиссия Организации Объединенных Наций (ЕЭК ООН) призвала к широкомасштабному внедрению технологии улавливания углерода.
Улавливание углерода включает улавливание углекислого газа в месте его выброса, транспортировку его в место хранения (обычно глубоко под землей) и его изоляцию. Это означает, что мы потенциально можем предотвратить попадание избыточного CO2 в атмосферу.
В этой статье мы рассмотрим некоторые из существующих и новых методов улавливания и хранения углерода.
Улавливание углекислого газа: технология улавливания углерода
Существуют три основных этапа улавливания и хранения углерода (CCS):
- улавливание и отделение CO2 от других газов
- транспортировка захваченного CO2 в место хранения
- хранение CO2 вдали от атмосферы (под землей или глубоко в океане)
Давайте более подробно рассмотрим процесс отлова и разделения:
Углерод берется из источника электростанции тремя основными способами: дожигание, предварительное сжигание и кислородно-топливное сжигание.
Электростанция, работающая на ископаемом топливе, вырабатывает электроэнергию за счет сжигания ископаемого топлива (угля, нефти или природного газа), при этом выделяется тепло, которое превращается в пар. Этот пар вращает турбину, соединенную с генератором электроэнергии. Другое название процесса горения - горение.
Приулавливании углерода после сжигания CO2 улавливается после сжигания ископаемого топлива. При сжигании ископаемого топлива образуются так называемые дымовые газы, которые включают CO2, водяной пар, азот и двуокись серы.
В процессе дожигания CO2 отделяется и улавливается из дымовых газов, образующихся в результате сжигания ископаемого топлива. Этот процесс является наиболее часто используемым методом в технологии улавливания углерода. Это удобная стратегия, поскольку ее можно применять как на новых, так и на уже существующих угольных электростанциях. Однако есть некоторые недостатки. Чтобы работать, улавливание углерода после сгорания требует некоторого физически большого оборудования, и это может сделать турбины менее эффективными.
Сулавливанием углерода перед сжиганием углерод улавливается и удаляется из ископаемого топлива до окончания процесса сгорания.
Уголь, нефть или природный газ нагревают в паре и кислороде, в результате чего получается синтез-газ или синтез-газ. Газ в основном содержит CO2, водород (H2) и монооксид углерода (CO). Позже в ходе отдельной реакции вода (H2O) превращается в водород. При этом часть окиси углерода превращается в двуокись углерода. Конечным результатом является газовая смесь, насыщенная H2 и CO2.
Изолировать, уловить и изолировать CO2 из этой смеси несложно. Тем временем инженеры могут использовать водород для других процессов производства энергии.
Улавливание углерода до сжигания обычно более эффективно, чем после сжигания. Тем не менее, оборудование поставляется с более высокой ценой. Кроме того, старые электростанции, как правило, менее приспособлены для этой техники, чем некоторые новые.
Благодаряулавливанию углекислого газа электростанция работает на ископаемом топливе, но не в обычном воздухе. Вместо этого топливо сжигается в газовой смеси, содержащей много-много чистого кислорода. В результате образуются дымовые газы, двумя основными компонентами которых являются CO2 и вода. После этого можно отделить CO2, сжимая и охлаждая воду.
Некоторые аспекты улавливания углерода при кислородно-топливном сжигании недороги, но в целом этот процесс имеет высокую стоимость. (Чистый кислород стоит недешево.) Кроме того, есть некоторые опасения по поводу его применимости. В обзоре 2020 года, опубликованном в журнале Catalysts, утверждается, что соответствующая технология «должна быть проверена для крупномасштабных операций».
С положительной стороны, кислородно-топливное улавливание может использоваться как на старых, так и на новых угольных электростанциях.
Теперь важный вопрос: как после улавливания углерода его транспортируют в место хранения? Продолжайте читать, чтобы узнать.
Холодная почва удерживает углерод
Земля, которая остается на уровне 32 градусов по Фаренгейту (0 градусов по Цельсию) или ниже в течение двух лет подряд или дольше, называется вечной мерзлотой. Этот холодный газон стал предметом разговора об изменении климата. В районах вечной мерзлоты Северного полушария от 1,6 до 1,7 триллиона тонн (от 1 460 до 1 600 миллиардов метрических тонн) углерода заключено в почвах. Но по мере того, как мир нагревается и многие из этих отложений оттаивают, ученые хотят больше узнать о том, как весь этот давно захваченный углерод повлияет на нашу планету.
Перевозка углекислого газа
После улавливания углекислого газа (CO2) следующим шагом является его транспортировка на место хранения. Обычный метод транспортировки CO2 - по трубопроводу.
Трубопроводы используются десятилетиями, и каждый день по ним проходят большие объемы газа, нефти и воды. Трубопроводы для двуокиси углерода являются существующей частью инфраструктуры в США и многих других странах. Фактически, в настоящее время существует более 4 039 миль (6 500 километров) трубопроводов CO2, распределенных по Африке, Австралии, Ближнему Востоку и Северной Америке. Большинство из них были созданы для процесса, называемого Enhanced Oil Recovery (EOR), но некоторые связаны с проектами CCS.
Вы можете проложить трубопровод где угодно, в том числе под землей или под водой. Их можно найти в таких разнообразных средах, как пустыни, сельскохозяйственные угодья, горные хребты и океаны..
Трубопроводы могут быть подключены к перерабатывающим предприятиям или электростанциям, работающим на ископаемом топливе, а также к природным источникам CO2. На чистоту подачи CO2 линии могут влиять виды технологий, используемых в его источнике.
В некоторых случаях CO2 может перемещаться по трубе как можно дальше, а затем переходить в автоцистерну, судно-цистерну или баллоны под давлением, чтобы закончить свое путешествие. Обратите внимание, что существует риск удушья, если в атмосферу попадает большое количество CO2. Как и в случае с резервуарами для транспортировки природного газа и других опасных материалов, ключевое значение имеет хорошая конструкция. Это, и хорошее вождение.
Возвращаясь к трубопроводам, они могут транспортировать CO2 в трех состояниях: газообразном, жидком и твердом. Твердый CO2 широко известен как сухой лед, и перевозить CO2 в твердом виде нерентабельно.
Трубопроводы обычно транспортируют углекислый газ в газообразном состоянии. Указанный газ необходимо сжать, прежде чем он будет перемещен из точки А в точку Б. По данным Национальной лаборатории энергетических технологий, идеальный диапазон давления составляет от 1500 до 2200 фунтов на квадратный дюйм (или от 10 342 до 15 168 кПа).
Инженеры должны следить за наличием примесей в потоке CO2, таких как сероводород и вода. Известно, что последний разъедает трубопроводы, но это только верхушка айсберга. Под высоким давлением и низкими температурами вода в этих трубах может образовывать гидраты природного газа, твердые кристаллы, которые могут засорить ваши трубопроводы. Ученые все еще разрабатывают способы обращения с такими примесями.
В мире строительства безопасность является главным приоритетом. В случае разрыва трубы вблизи населенного пункта внезапный выброс большого количества газа CO2 может иметь серьезные последствия как для здоровья населения, так и для окружающей среды. Чтобы промышленное землеройное оборудование случайно не задело трубы, проектировщики могут закапывать их глубоко под землю. Кроме того, по возможности рекомендуется прокладывать трубопроводы вдали от городов, поселков и т.п.
DNV, известная компания по управлению рисками и обеспечению качества, базирующаяся в Норвегии, выпустила новые процедуры безопасности для трубопроводов для транспортировки CO2 в 2021 году. к землепользованию.
Стоимость трубопровода колеблется в зависимости от маршрута трубопровода (через сильно загруженные районы, горы, морское побережье); качество материалов; задействованное оборудование; сколько труда требуется; и другие расходы.
Существа углерода
Атомы углерода составляют около 12 процентов всех атомов в вашем теле. Для сравнения, человек весом 80 кг содержит примерно 31,7 фунта (14,4 кг) углерода. Мы думаем, вы согласитесь, что это значительная цифра. Из всех элементов, необходимых для создания человеческого «тела», только кислород составляет большую массу тела. Кроме того, более 99 из каждых 100 атомов, обнаруженных в наших телах, являются атомами кислорода, углерода, водорода или азота.
Хранение углерода
После того, как мы соберем и перевезем весь этот углекислый газ (CO2), нам нужно будет куда-то его поместить. Но где? В каком-то гигантском хранилище? Огромный танк в пустыне? Потребуется ли нам больше свалок для хранения отходов CO2?
Не волнуйтесь, ответ на все эти вопросы - "нет". Мы нашли несколько мест для хранения CO2, в том числе несколько под землей. На самом деле, есть исследования, которые показывают, что одни только Соединенные Штаты имеют достаточно подземного пространства, чтобы потенциально удерживать 1,8 триллиона тонн (1,71 триллиона метрических тонн) углекислого газа в глубоких водоносных горизонтах, проницаемых породах и других подобных местах.
Давайте поговорим о логистике подземных хранилищ. Глубоко под землей CO2 может храниться при давлении более 1057 фунтов на квадратный дюйм (72,9 атм) и температуре выше 88 градусов по Фаренгейту (31,1 градуса по Цельсию).
При соблюдении этих условий CO2 становится сверхкритическим. В этом состоянии углекислый газ приобретает свойства, обычно присущие как газам, так и жидкостям. Сверхкритический CO2 имеет низкую вязкость, как газ. Но в то же время он обладает высокой плотностью жидкости.
Поскольку он может просачиваться в пористые породы, большое количество CO2 может храниться на относительно небольшой площади. Нефтяные и газовые резервуары хорошо подходят для хранения CO2, поскольку они состоят из слоев пористых горных пород, которые годами удерживают нефть и газ.
CO2 искусственно закачивается в подземные горные породы под поверхностью земли. Эти естественные резервуары имеют вышележащие породы, которые образуют покрышку, удерживающую газ. Однако при подземном хранении могут быть риски, и мы обсудим их чуть позже.
Базальтовые горные породы также являются привлекательными местами хранения CO2. Вулканический по происхождению, базальт является одним из наиболее распространенных типов горных пород в земной коре. Исследователи обнаружили, что когда CO2 вступает в реакцию с магнием и кальцием, содержащимися в базальте, он может превращаться в твердые минералы, в частности, в доломит, кальцит и магнезит.
Тогда у нас есть месторождения угля. Иногда те, которые были списаны как «не подлежащие добыче», могут содержать очень большое количество захваченного CO2. Внутри можно хранить газ при более низком давлении и тем самым экономить деньги.
Помимо подземных хранилищ, мы также ищем в океане постоянное хранилище CO2. Исторически сложилось много дискуссий о возможном сбросе CO2 прямо в океан - на глубину более 9 842 футов (3 000 метров). Далеко под поверхностью углекислый газ на самом деле плотнее воды. Так что будем надеяться, что выброшенный СО2 какое-то время останется на месте.
Хранение углерода в океане в значительной степени не проверено, и есть много опасений по поводу безопасности морской жизни и возможности того, что углекислый газ в конечном итоге вернется в окружающую среду.
Далее мы рассмотрим некоторые из этих проблем более подробно и выясним, является ли улавливание и хранение углерода жизнеспособным решением для нашего будущего.
Зачисление морей
Один из гипотетических методов удаления CO2 был недавно предложен учеными Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. План предполагает извлечение CO2 из морской воды и искусственное преобразование его в известняк и магний для хранения. Вода в наших океанах естественным образом содержит примерно в 150 раз больше углекислого газа, чем атмосфера Земли. Удалив существующий CO2, мы теоретически могли бы уговорить морскую воду вытягивать больше этого парникового газа из нашей атмосферы. Названный «одноэтапным улавливанием и хранением углерода» или sCS2, этот процесс, скорее всего, потребует огромных финансовых вложений. (Подумайте о триллионах долларов.)
Проблемы хранения углерода
Хотя улавливание и хранение углерода может показаться чудесным решением, оно не лишено опасений и противоречий.
Для начала важно помнить, что улавливание и хранение углерода (CCS) не является лицензией на дальнейший выброс CO2 в атмосферу. Каким бы ни было будущее CCS, по-прежнему потребуются другие усилия по сокращению выбросов. Однако CCS дает возможность очистить некоторые из наших существующих электростанций.
Согласно отчету Глобального института CCS за 2020 год, в настоящее время в мире насчитывается «65 коммерческих установок CCS на разных стадиях разработки».
Тем не менее, некоторые критики беспокоятся об экономике CCS. Электромобили и солнечные батареи - это товары, которые можно продавать и продавать частным лицам и организациям. Но, напротив, найти способы монетизации уловленного CO2 оказалось непросто.
Еще один недостаток? Современные технологии CCS на самом деле требуют много энергии для внедрения и работы. Кроме того, они зависят от воды - и ее много - для охлаждения и обработки.
Учитывая эту потребность в H2O, ведутся споры о том, как CCS может (или не может) способствовать нехватке воды. В 2020 году группа под руководством Лоренцо Розы из Калифорнийского университета в Беркли смоделировала последствия модернизации каждой крупной угольной электростанции в мире с использованием четырех различных технологий CCS..
Цитируя их статью, опубликованную журналом Nature Sustainability 4 мая 2020 года, «в некоторых регионах не хватает водных ресурсов для удовлетворения дополнительных потребностей в воде технологий CCS».
И это лишь одна из экологических проблем, поднятых людьми в связи с улавливанием и хранением углерода.
Что произойдет, если углекислый газ просочится под землю? Трудно предсказать, что ждет в далеком будущем CO2, который мы уже задержали под поверхностью Земли. Внедрение надлежащих правил и выбор качественных мест для хранения могут иметь огромное значение в будущем.
Есть несколько возможных путей утечки повторно уловленного CO2 на поверхность. По иронии судьбы, скважины, изначально построенные для закачки его под землю, впоследствии могут стать возможным путем отхода. Так же как и заброшенные нефтяные и газовые скважины или естественные разломы.
В одном из прогнозов на 2018 год утверждается, что утечки маловероятны, если будет введено в действие «реально хорошо регулируемое хранилище». Это противоречит некоторым более ранним исследованиям по этому вопросу.
Некоторые противники CCS считают, что, независимо от того, жизнеспособна она или нет, ее фокус неверен. Они говорят, что мы должны сосредоточиться на том, чтобы отучить себя от ископаемого топлива, но CCS продлевает жизнь электростанций, которые на них полагаются.
С другой стороны, сторонники CCS считают, что возобновляемые источники энергии являются лишь частью решения. По их мнению, нам, вероятно, придется объединить их с технологией улавливания углерода, чтобы иметь серьезную надежду предотвратить катастрофическое изменение климата.
Есть еще много вопросов о том, какую роль улавливание и хранение углерода в конечном счете сыграют, помогая нам смягчить парниковый эффект и бороться с изменением климата. Но одно можно сказать наверняка: выбросы углекислого газа являются глобальной проблемой.
Деревья нас не спасут
Деревья, безусловно, наши союзники в крестовом походе против глобального потепления и изменения климата. Фотосинтез позволяет им поглощать и накапливать углекислый газ, поэтому растения действуют как полностью естественные устройства CCS. К сожалению, ученые говорят, что нет способа посадить достаточно деревьев, чтобы нейтрализовать весь избыток CO2, который мы выбрасываем в атмосферу, сжигая ископаемое топливо. Кроме того, старые леса, населенные различными породами деревьев, лучше удерживают CO2, чем более молодые и однородные.
Часто задаваемые вопросы об улавливании углерода
Что такое улавливание углерода?
Улавливание углерода - это процесс улавливания, хранения и изоляции избыточного диоксида углерода от электростанций для создания экологически чистой энергии. Исследователи считают, что улавливание углерода является одним из наиболее эффективных способов сокращения выбросов парниковых газов.
Эффективно ли улавливание и хранение углерода?
Разные виды ископаемого топлива производят разное количество выбросов CO2. Согласно исследованиям, улавливание и хранение углерода может сократить выбросы более чем на 80-90 процентов, что делает его чрезвычайно эффективным способом предотвращения попадания углекислого газа в атмосферу.
Полезно ли улавливание углерода для окружающей среды?
Улавливание углерода - это эффективный подход к преодолению климатических кризисов за счет сокращения глобальных выбросов углекислого газа. Это особенно полезно для отраслей, которые не могут позволить себе использовать более чистую энергию. Однако самым большим потенциальным преимуществом улавливания углерода является производство водорода, который является экологически чистым источником энергии.
Существует ли технология улавливания углерода?
Технология улавливания углерода существует уже несколько десятилетий, но только недавно отрасли начали более серьезно задумываться об ее использовании. В настоящее время он используется как способ увеличения добычи нефти и газа. Производители автомобилей также работают над использованием этой технологии для создания автомобилей с нулевым уровнем выбросов за счет переработки водорода и хранения углекислого газа.
Каковы недостатки улавливания углерода?
Технология хранения углерода требует много энергии для работы, что делает ее довольно дорогой. Существуют также опасения по поводу безопасности хранения и последствий утечек и загрязнения. Однако одним из самых больших ограничений является то, что он улавливает только выбросы промышленных предприятий и предприятий, работающих на ископаемом топливе, на долю которых приходится лишь 25 процентов от общего объема выбросов парниковых газов..