В Smithsonian Magazine американская писательница Лорен Остер рассказывает о том, как предприниматели разрабатывают способы использования извлеченного из атмосферы углерода, а не просто «закапывают» его в землю. Naked Science публикует перевод этой статьи.
Если мысль о том, что скоро мы преодолеем критический рубеж потепления с необратимыми последствиями для человечества, вызывает у вас желание выпить, смешайте мартини с водкой, изготовленной из промышленных выбросов. А тем временем снимите мышечное напряжение в спортивном костюме из окиси углерода или в знак верности преподнесите своему партнеру на свой страх и риск бриллиант, сделанный на основе переработанных парниковых газов.
Эти продукты не могут компенсировать нанесенный окружающей среде вред, но это возможно благодаря инновациям, которые легли в их основе. Разработчики технологий производства планируют использовать улавливаемый углерод для уменьшения зависимости от ископаемого топлива и содействия устойчивому развитию. По мнению ученых, достижение этих целей – не привилегия, а жизненно важная необходимость.
100 лет улавливания углерода
«Улавливание углерода охватывает различные технологии, — отмечает Крис Батай, аналитик в области энергетической и климатической политики Центра глобальной энергетической политики Колумбийского университета. Углерод может быть отделен от конкретных источников, таких как промышленные предприятия или электростанции, либо извлечен непосредственно из атмосферы».
Первые технологии улавливания углерода, применявшиеся для точечных источников, были внедрены в 1920-х годах при использовании резервуаров природного газа. Для отделения углекислого газа от метана, который затем продавался, газ пропускали через камеры, заполненные жидкостью. Удаление углекислоты позволяло превратить газ в товар, а сама она рассматривалась как отработанный, неиспользуемый продукт. В начале 1970-х годов компании, работающие в сфере добычи ископаемого топлива, начали использовать этот CO₂. Побочный продукт, получаемый из газовых резервуаров или перерабатывающих предприятий, улавливали и закачивали в истощенные нефтяные скважины для повышения давления в пласте, снижения вязкости остаточной нефти и возобновления добычи.
Использование захваченного углерода стало известно как третичный метод нефтедобычи и получило широкое распространение. Согласно данным Национальной лаборатории энергетических технологий министерства энергетики США, из имеющихся в этой стране 600 миллиардов баррелей нефти, 400 миллиардов не поддаются извлечению традиционными способами; третичный метод позволяет добыть половину разведанных запасов, которые иначе остались бы недоступными. Таким образом, улавливание углерода представляет собой значительную ценность для промышленной добычи ископаемого топлива: в США третичный метод используется для извлечения более 5 процентов нефти. «С экологической точки зрения, — отмечают в Национальной лаборатории, — это практичный способ переработки и использования CO₂, одновременно уменьшая его выбросы в атмосферу».
На протяжении многих десятилетий правительство США поддерживало использование третичного метода добычи и других промышленных способов улавливания углерода. Закон о снижении инфляции 2022 года предусматривает увеличение действующих налоговых льгот, направленных на стимулирование предприятий к улавливанию и хранению углерода. После применения третичного метода CO2 может быть надежно изолирован путем герметизации скважин. Кроме того, его можно закачивать в глубокие соленые водоносные горизонты, где он поглощается водой под воздействием высокого давления.
Обсуждение прямого улавливания углекислоты из воздуха началось в 1999 году, когда Клаус Лакнер, тогдашний инженер-химик из Университета штата Аризона, а сегодня директор Центра отрицательных выбросов углерода, который он основал, выступил на конференции в министерстве энергетики США и заявил, что «извлечение углекислого газа непосредственно из атмосферы позволит регулировать выбросы углекислого газа без необходимости полной модернизации существующей инфраструктуры». Данная технология может применяться в любой точке земного шара, поскольку атмосферный CO₂ улавливается вне зависимости от его источника. В 2021 году в Хедлисхейди (Исландия) был запущен Orca – первая в мире крупномасштабная установка по улавливанию углекислого газа. Согласно теоретическим расчетам, она способна удалять антропогенные выбросы, присутствующие в атмосфере начиная с XVIII века.
Вентиляторы забирают воздух из атмосферы, а химические фильтры извлекают из него CO₂. Затем эти фильтры нагреваются, что позволяет высвободить концентрированный CO₂ для хранения или повторного использования. Этот относительно новый метод отличается высокой стоимостью и энергозатратностью, и его текущая производительность ниже, чем у систем, отделяющих углекислый газ от локализованных источников. Orca способна улавливать приблизительно 4000 тонн CO₂ в год, в то время как глобальный объем складируемого CO₂ составляет около 45 миллионов тонн в год, причем большая часть этого углерода отделяется от точечных источников на электростанциях и промышленных предприятиях).
Критики утверждают, что эти подходы отвлекают внимание и перенаправляют ресурсы, которые могли бы быть использованы для поиска альтернативных способов уменьшить зависимость от ископаемого топлива и компенсировать нанесенный окружающей среде вред. Однако, небольшая, но значимая доля нашей энергетической инфраструктуры продолжит зависеть от углеродных источников.
«По мнению Батая, если мы действительно намерены снизить выбросы парниковых газов до нуля к середине столетия (что необходимо для поддержания повышения температуры не более 1,5-2° C по сравнению с доиндустриальным уровнем), то, скорее всего, мы представляем себе общество, которое на 80-90 процентов будет функционировать без ископаемого топлива, используя преимущественно энергию ветра и солнца, возможно, с добавлением ядерной энергии и небольшого количества источников, требующих улавливания углерода – для компенсации колебаний, связанных с использованием ветряной и солнечной энергии.
Для работы авиации требуется топливо, а для обеспечения функционирования зданий необходима замена метану. Также нужен запас топлива для работы больниц и резервное питание для энергосистемы. Получение углерода, необходимого для производства концентрированного топлива, возможно с помощью улавливания и хранения CO₂, удаления углекислого газа и его прямого извлечения из атмосферы. Это незначительный, но крайне важный элемент системы, поддерживающий ее работу, полностью зависящую от электрической энергии».
Из углерода в алмазы
Инженеры-механики Райан Ширман и Дэн Войно впервые встретились, работая на ювелира Дэвида Юрмана. Обсуждение улавливания углерода из атмосферы началось после того, как Ширман ознакомился с книгой «Drawdown» под редакцией эколога Пола Хокена, представляющей собой план по борьбе с глобальным потеплением. По словам Войно, Ширман задался вопросом, возможно ли преобразовать этот распространенный в воздухе и ранее считавшийся бесполезным углерод в нечто ценное и уникальное, например, в бриллиант. «После того, как эта идея возникла, мы уже не могли ее игнорировать», — рассказывает Войно. В течение нескольких последующих лет они работали над созданием запатентованной технологии, позволяющей превращать улавливаемый углерод в метан высокой чистоты, который необходим для производства лабораторных алмазов методом химического осаждения из газовой фазы. И в 2021 году компания Aether начала поставки продукции клиентам. «В перспективе мы планируем использовать метан и в товарах с меньшей прибылью и более широким применением, например, в промышленных материалах, таких как технический углерод или графит», — отмечает Войно.
Подобно Батаю, Ширман уверен, что углерод сохранит свою значимость и в будущем. «Углеводороды по-прежнему необходимы для производства промышленных товаров, например стали и аммиака. Именно здесь мы можем внести свой вклад», — отмечает он. «Мы сможем создать будущее с использованием инновационных материалов и применять улавливаемый углерод для производства, скажем, шин». Войно согласен с партнером: «Если удастся разрабатывать технологии улавливания углерода не для захоронения, а для замещения продуктов, получаемых из ископаемого топлива, мы сможем извлекать CO₂ из атмосферы».
Согласно информации, предоставленной Международным энергетическим агентством, в мире функционирует 27 предприятий по прямой улавливанию углерода из атмосферы, а еще не менее 130 находятся в процессе создания. Основатели Aether с большим интересом наблюдают за тем, какие продукты извлеченного углерода будут разрабатываться другими стартапами. «Радует, что все больше компаний создают новые продукты с отрицательным углеродным следом, — отмечает Войно. — Нам всем придется реализовывать различные инновационные решения, пока не будет определен относительно небольшой перечень инициатив, которые действительно окажут существенное влияние».
Новозеландская компания LanzaTech, созданная в 2005 году биологами Ричардом Форстером и Шоном Симпсоном, предложила улавливать окись углерода – загрязняющее вещество, способствующее усилению влияния парниковых газов на глобальное потепление – и использовать ее для производства этанола. Практически весь этанол в мире в настоящее время изготавливается из сырья, содержащего крахмал и сахар, а в США в качестве исходного материала преимущественно используется кукуруза. «На начальном этапе деятельности компании об углероде говорили только сторонники традиционных методов его улавливания и хранения: продолжайте добычу, продолжайте выбросы, и просто захороняйте», – вспоминает Фрейя Бертон, директор по устойчивому развитию LanzaTech. Она и ее коллеги стремились разработать инновационную технологию производства топлива, которая не наносила бы ущерба почвам, биоразнообразию и продовольственной безопасности. – Мы также хотели, чтобы она была доступной и работала от точечного источника».
Для преобразования окиси углерода в этанол исследователи использовали микробную ферментацию с применением клостридий, вида бактерий, которые они называют «жучком». По словам Бертона, клостридии обладают способностью поглощать углерод в различных формах и имеют такой же рейтинг безопасности по версии Всемирной организации здравоохранения, как и пекарские дрожжи. Это достаточно безопасная бактерия, функционирующая при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении. По сути, это обычный тип бактерий, способный на поистине удивительные вещи. Специалисты по синтетической биологии компании LanzaTech провели картирование генома бактерии, что позволяет включать и выключать ее гены для производства других химических веществ, несмотря на то, что она естественным образом производит этанол. «Мы уже продемонстрировали возможность получения более чем 100 веществ, некоторые из которых не встречаются в природе и могут быть получены только из ископаемого топлива», — отмечает Бертон.
На август текущего года компания получила 1355 патентов в разных странах, а еще 611 находятся в процессе экспертизы. Параллельно с этим клостридии произвели свыше 50 миллионов галлонов этанола, что позволило избежать выброса более 250 тысяч тонн CO₂. «Мы постоянно встречаемся со скептицизмом. Критиковать идею и говорить о ее нереализуемости очень просто, однако, если последовательно создавать предприятия по переработке промышленных выбросов, эти 250 тысяч тонн могут превратиться в 500 тысяч», — отмечает Бертон. — «К концу года, будем надеяться, благодаря шести нашим предприятиям, мы сможем ежегодно сокращать выбросы CO₂ примерно на 500 тысяч тонн».
В этом есть определенная тенденция. Полиэфирные волокна, объединенные с этанолом LanzaTech, уже применяются для изготовления модной одежды. Компания выпустила ограниченные серии для Lululemon, Zara, Craghoppers, Adidas и H&M. Хотя «жучок» LanzaTech способен производить сырье для различных отраслей, включая производство топлива, химикатов и строительных материалов, целесообразно изучить перспективы создания одежды из улавливаемого углерода. По данным Всемирного банка за 2019 год, индустрия моды несет ответственность за 10 процентов годовых глобальных выбросов углерода, что превышает суммарные выбросы от международных авиарейсов и морских перевозок».
От духов к горючему
Компания Air Company, основанная в 2019 году Грегори Константайном и Стаффордом Шиханом, использует углекислый газ для производства углеродно-отрицательных спиртов и топлива. По словам Константайна, компания способна получать CO₂ из различных источников: непосредственно из атмосферы, от точечных выбросов, а также из биогенных источников – то есть CO₂, образующегося при сжигании или разложении органических материалов. Компания не ограничивает себя конкретными источниками».
Уникальная технология Шихана основана на электролизе воды, в результате которого образуются кислород и водород. Выделяемый кислород поступает в атмосферу, а водород вступает в реакцию с улавливаемым CO₂ и запатентованным катализатором, что позволяет производить чистые спирты. Компания предоставляет эти спирты своим партнерам и использует их в собственной продукции.
В 2019 году их дебют на рынке ознаменовался выпуском Air Vodka. В 2020-м за ним последовал антисептик для рук и унисекс-парфюмерная вода с выраженными цитрусовыми верхними нотами, ботаническим сердцем и мускусно-табачной базой — этот аромат, созданный в 2021 году, стал первым, разработанным на основе переработанного углерода. В прошлом году компания вновь сфокусировалась на авиационной отрасли, представив совершенно новое экологически чистое авиационное топливо (SAF), которое было использовано самолетами ВВС США. Осенью 2022 года JetBlue и Virgin Atlantic заключили долгосрочные контракты на закупку этого топлива. В феврале текущего года Air Company подписала контракт стоимостью 65 миллионов долларов с министерством обороны США для поддержки строительства военных заводов по производству SAF.
Какую значительную роль могут играть такие инициативы в решении экологических задач? По словам Криса Батая из Центра глобальной энергетической политики Колумбийского университета, «в атмосфере содержится 2500 избыточных гигатонн CO₂, которые необходимо удалить. Предметы роскоши, произведенные из улавливаемого углерода, не способны устранить такое количество. В конечном итоге, человечество перейдет к промышленному удалению углерода».
«Удаление углерода неизбежно, — отмечает Сара Наваз, директор по исследованиям в Институте законодательства и политики в области удаления углерода при Американском университете. — Необходимо обеспечить, чтобы этот процесс осуществлялся корректно, принимая во внимание политические, экономические и технологические аспекты, и чтобы он не создавал новых проблем вместо решения существующих». Наваз выражает сомнение относительно попыток убедить людей в том, что климатические изменения можно решить, просто сократив использование пластиковых пакетов или используя парфюмерию, созданную из переработанного углерода. «Я не поддерживаю индивидуалистический подход к решению климатических изменений, — добавляет она. — Считаю важным говорить о мерах, которые необходимо предпринять на общественном и системном уровнях».