Углекислый газ — источник чистой энергии?

AFP

Углекислый газ считается одной из основных причин глобального потепления. Но мало кто догадывается, что его можно использовать еще и для производства энергии. Две швейцарских фирмы взялись разработать соответствующие технологии.

Углекислый газ в настоящее время является газом с самой плохой репутацией, хотя без него Земля давно бы превратилась в космический холодильник, растеряв все свое тепло. Однако то, что миллионы лет назад способствовало появлению и развитию жизни, сегодня угрожает поставить на этой жизни крест.

Речь идет о техногенной углекислоте, которая является парниковым газом и грозит катастрофическим повышением средней температуры на планете. Однако ничто в природе нельзя назвать однозначно вредным или полезным. Это касается и углекислоты. Невероятно, но факт: углекислый газ или двуокись углерода можно использовать для производства энергии, не отягощая при этом атмосферу вредными выбросами, а, напротив, очищая наш воздух от ненужных примесей.

«DAC» против «CCS»

Технология «Прямого захвата и очистки воздуха» («Direct air capture» — «DAC») подразумевает выделение CO2 напрямую из атмосферного воздуха. Другим основным технологическим вариантом поглощения СО2 является технология «CCS» на основе фильтров, с помощью которых происходит поглощение и хранения углекислого газа. Обычно такие фильтры применяются в трубах, отводящих дым в атмосферу.

Проблемой технологии «DAC» является экономический фактор, который нужно снизить для того, чтобы эта технология могла конкурировать с «CCS». По данным некоторых исследований, стоимость «DAC» пока почти в десять раз выше. Эта технология все еще остается в значительной степени экспериментальной и до полномасштабного промышленного применения ей далеко, хотя и метод «CCS» пока широкого распространения не нашел.

Кроме «Climeworks» над совершенствованием технологии «DAC» трудится еще ряд компаний, в том числе такие, как «Carbon Engineering», «Global Thermostat», «Coaway and Terraleaf». Многие из этих фирм являются старт-апами. В этом же направлении работают сейчас ученые из Колумбийского университета, Технологического института Джорджии и Университета Южной Калифорнии.

Две швейцарских компании в настоящее время разрабатывают технологии, которые позволят в будущем использовать СО2 для получения дешевой и чистой энергии. Один из этих научных проектов, финансируемый из частных источников, намерен, упрощенно говоря, очищать воздух от CO2 при помощи своего рода гигантского пылесоса. Другой проект, финансируемый из общественных бюджетов, разрабатывает технологию получения из углекислоты метана при помощи минералов цеолитной группы.

Первым проектом в течение последних пяти лет занимается расположенная в Цюрихе компания «Climeworks», являющаяся венчурным проектом Высшей технической школы Цюриха. Эта компания намерена разработать технологию, которая позволяла бы на постоянной основе извлекать атмосферный CO2, который затем можно было бы использовать для производства синтетического топлива или применять для других целей.

Эта компания собирается аккумулировать углекислый газ путем пропускания воздуха через специально обработанный целлюлозный фильтр, расположенной внутри своего рода большого пылесоса. После того, как этот фильтр до предела насыщается углекислотой, он нагревается при помощи энергии, полученной на основе биогаза или из другого возобновляемого источника энергии, за счет чего ученые получают в свое распоряжение исключительно «чистый» углекислый газ.

«Мы стремимся, если говорить на научном жаргоне, декарбонизировать транспортный сектор, на долю которого приходится самый большой процент общих выбросов СО2», — говорит Кристоф Гебальд (Christoph Gebald), один из основателей компании «Climeworks».

Партнерство с «Ауди»

По данным Межправительственной группы экспертов ООН по изменению климата, антропогенное (техногенное) изменение климата на 3,5% обусловлено воздействием на атмосферу авиации. А всего на сектор мирового транспорта приходятся 13% от общей «вины» за глобальное потепление.

Сейчас в мире идет гонка научных и технологических проектов, с помощью которых можно было бы снизить вредное воздействие транспорта на атмосферу. Компания «Climeworks», например, разработала технологию «прямого захвата и очистки воздуха» («Direct air capture» — «DAC»), при помощи которой, фильтруя около двух миллионов кубических метров воздуха в год, можно получать до одной тонны углекислого газа.

Результат первых тестов был настолько интересным, что свое внимание на данную технологию обратил немецкий автогигант «Audi». С точки зрения концерна такая технология могла бы стать ключевым элементом создания транспортных средств, работающих на синтетическом топливе.

Технология «Прямого захвата и очистки воздуха» («Direct air capture» — «DAC») Climeworks

«То, что им нужно, это устойчивый источник углекислого газа», — отмечает К. Гебальд, — «Он может быть либо биогенным, либо атмосферным». Однако, как считает молодой предприниматель, биогенные источники углекислоты, работающие на основе сжигания или разложения биоматериала, не могут в достаточной степени удовлетворить потребности компании «Ауди».

Поэтому принято решение построить в ближайшем будущем тестовую установку на основе технологии «прямого захвата и очистки воздуха», которая должна выявить производственный потенциал данного способа добычи углекислоты. И если этот потенциал окажется достаточно большим, то эту технологию концерн «Audi» может использовать для массового производства синтетического топлива. Кроме того, возможно, ее можно будет применять и в других сферах.

Empa

Многое зависит от того, насколько успешно будет в будущем развиваться компания «Climeworks». Перспективы вырисовываются неплохие. Фирма уже сейчас является одним из 11-ти финалистов конкурса «Virgin Earth Challenge», состязания с призовым фондом в 25 млн. долларов. Цель конкурса — выявить технологии, которые могут обеспечить «разработку экологически устойчивого и экономически рентабельного метода удаления парниковых газов из земной атмосферы».

Проблемы и задачи

Извлечение и накопление углекислого газа является лишь одним из ряда шагов в процессе производства синтетического топлива. В теории еще одним источником энергии может стать метан, добывать который относительно просто, в частности, на основе смеси водорода с диоксидом углерода.

Данная смесь получает импульс от внешнего — в идеале возобновляемого — источника энергии, в результате чего запускается реакция, названная по имени французского химика и нобелевского лауреата Поля Сабатье́ (Paul Sabatier, 1854 — 1941), открывшего её в начале 20 века. Итогом реакции становится метан плюс вода в качестве побочного продукта.

Основная проблема заключается в том, чтобы сделать данный процесс экономически рентабельным. Не менее сложна и процедура отделения молекул воды от молекул метана. Добавление катализатора, элемента, который ускоряет процесс, могло бы помочь преодолеть некоторые сложности. Однако данный подход таит в себе риск выделения угарного газа (СО) и получения совершенно недостаточных итоговых объемов метана.

Решением этих и иных проблем занимаются недалеко от Цюриха ученые швейцарского федерального «Научного Института проблем контроля и сопротивления материалов» («Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt» — «EMPA»). Они разработали метод абсорбирования углекислоты с последующим превращением ее в микропористые минералы группы цеолитов.

«Обогащенные никелем цеолиты способны абсорбировать получаемую в результате реакции Сабатье воду. Хорошо то, что угарный газ почти не выделяется, при этом в результате мы получаем как раз искомый метан», — рассказывает Андреас Боргшульте (Andreas Borgschulte), ученый и руководитель проекта. Технология эта пока далека от совершенства.

«Основной вопрос сейчас заключается в поиске методов, при помощи которых данный процесс будет работать и при низких температурах. Проблема состоит также в том, что объем воды, который цеолит способен абсорбировать, пока ограничен, а поэтому нам приходится искать способы „сушки“ этих минералов, их „регенерации“. Так что мы продолжаем наши эксперименты», — поясняет ученый.

Главные сложности впереди

По словам Андреаса Боргшульте, здесь возникают не только химические, но и технические сложности, например, следует определить, какой должна быть конструкция реактора, внутри которого будет проходить реакция Сабатье, и как следует организовать отвод и накопление значительных объемов метана и энергии, не говоря уже о вопросах финансирования.

Еще одна проблема заключается в том, чтобы свести к нулю негативное воздействие данной технологии на атмосферу, а это значит, что требуемая для ее функционирования углекислота должна добываться на основе переработки биомассы, а не в результате сжигания минерального топлива.

«Цены на газ сейчас очень низкие, так что нам пока трудно с ним конкурировать», — замечает Боргшульте. «Синтетический газ все еще дороже естественного в пять раз». Накладные расходы являются проблемой и для фирмы «Climeworks». По данным цюрихской Высшей технической школы (ЕТН) добывание CO2 из воздуха стоит сейчас до 600 франков за тонну, но эта фирма надеется в ближайшие годы сократить расходы до 100 франков за тонну, что сделает процесс более или менее рентабельным.

Разрабатываемая компанией «Climeworks» технология как раз и двигается именно в этом направлении. Она исходит из того, что тепловая энергия, необходимая в рамках данного метода для абсорбирования углекислого газа, эквивалентна температуре, не превышающей 100 градусов Цельсия, тогда как другие технологии и системы требуют куда больше энергии, эквивалентной температуре в 300 градусов.

Впрочем, все эти технологии, даже будучи «доведенными до ума» и нашедшими самое широкое применение, все равно проблему глобального потепления решить не смогут. «Эти технологии — не панацея и не палочка-выручалочка. Они должны быть важной, но только частью глобальной средне- и долгосрочной программы действий по предотвращению потепления. Разработка такой программы, на мой взгляд, куда важнее», — указывает К. Гебальд.

Неоднозначная углекислота

Углекислый газ (СО2) играет важную роль в формировании климата и определении температуры на земной поверхности. Этот газ является неотъемлемой частью так называемого «геохимического цикла углерода» — комплекса процессов, в ходе которых происходит перенос углерода между различными геохимическими резервуарами. В истории Земли углеродный цикл менялся весьма значительно, причем имели место как медленные постепенные изменения, так и резкие катастрофические события. Важнейшую роль в круговороте углерода играют живые организмы. В различных формах углерод присутствует во всех оболочках Земли.

Геохимический цикл углерода всегда происходит через атмосферу и гидросферу. Тем самым, даже самые глубинные процессы могут влиять на окружающую среду и биосферу. Сегодня, однако, велики опасения, что из-за поступления техногенной углекислоты в атмосферу, в результате чего ее доля в ней увеличилась на 31% по сравнению с доиндустриальной эпохой, может наступить катастрофическое глобальное потепление. Углекислый газ является не единственным парниковым газом. Метан и оксид азота так же создают парниковый эффект, а вот угарный газ такого влияния не оказывает.

Цеолиты — большая группа близких по составу и свойствам минералов, водные алюмосиликаты кальция и натрия из подкласса каркасных силикатов, со стеклянным или перламутровым блеском, известных своей способностью отдавать и вновь поглощать воду в зависимости от температуры и влажности. Другим важным свойством цеолитов является способность к ионному обмену — они способны селективно выделять и вновь впитывать различные вещества, а также обменивать катионы. Наиболее распространённые представители группы цеолитов — натролит, шабазит, гейландит, стильбит (десмин), морденит, томсонит, ломонтит.

Перевод с английского и адаптация: Надежда Капоне.