В журнале Smithsonian Magazine американская писательница Лорен Остер описывает, как предприниматели находят практичное применение углекислому газу, добытому из атмосферы, не закапывая его в землю.
Если мысль о том, что скоро мы преодолеемКритический рубеж потепления с необратимыми последствиями для человечества побуждает вас к употреблению алкоголя — смешайте мартини с водкой, произведенной из промышленных выбросов. Между тем расслабьтесь в спортивном костюме из окиси углерода или как знак преданности дарите партнеру бриллиант, созданный на основе переработанных парниковых газов, но только на свой страх и риск.
Продукты такого рода не могут восполнить ущерб, причиненный планете, но это возможно с помощью инноваций, сделавших их возможными. Команды, создавшие технологии их производства, планируют использовать улавливаемый углерод для уменьшения зависимости человека от ископаемого топлива и обеспечения устойчивого развития. Ученые утверждают, что эти цели не являются роскошью, а острой необходимостью.
100 лет улавливания углерода
Понятие «улавливание углерода» может означать множество технологий, – говорит Крис Батай, аналитик в области энергетической и климатической политики Центра глобальной энергетической политики Колумбийского университета. Углерод можно отделять от точечных источников, например, промышленного предприятия или электростанции, или улавливать непосредственно из атмосферы.
Первую технологию поглощения углерода на локальном источнике применили в 1920-х годах в резервуарах природного газа. Газ пропускали через камеры, наполненные жидкостью, для отделения углекислоты от метана, который затем реализовывали. Удаление углекислоты делало газ коммерчески привлекательным продуктом, а сам CO₂ становился бесполезным побочным продуктом. В начале 1970-х годов компании, занимающиеся добычей ископаемого топлива, нашли применение этому CO₂. Побочный продукт из газовых резервуаров или предприятий переработки улавливали и закачивали в истощенные нефтяные скважины для повышения давления в пласте, снижения вязкости остающейся нефти и продолжения добычи.
Такое применение уловленного углерода получили название третичного метода добычи нефти и получило широкое распространение. По данным Национальной лаборатории энергетических технологий министерства энергетики США, из 600 миллиардов баррелей нефти, обнаруженных в этой стране, 400 миллиардов не поддаются извлечению обычными методами; третичным методом можно добыть половину разведанной нефти, которую иначе было бы невозможно получить. Таким образом, улавливание углерода имеет исключительную ценность для промышленной добычи ископаемого топлива: третичный метод используется для извлечения более 5 процентов нефти в США. «С точки зрения экологии, — говорят в Национальной лаборатории, — это практичный способ переработки и использования CO₂ при одновременном сокращении выбросов».
Правительство США много лет поддерживало метод добычи улавливаемого углерода и его промышленное использование, а закон 2022 года о снижении инфляции предусматривает расширение налоговых льгот, стимулирующих предприятия к улавливанию и хранению углерода. После применения третичного метода диоксида углерода можно навсегда изолировать с помощью заглушки скважин. Также его можно закачивать в глубокие соленые водоносные горизонты, где он поглощается водой под высоким давлением.
В 1999 году Клаус Лакнер, тогдашний инженер-химик из Университета штата Аризона, а ныне директор основанного им Центра отрицательных выбросов углерода, заявил на конференции в министерстве энергетики США, что прямое извлечение углекислоты из атмосферы позволит контролировать выбросы без полной замены инфраструктуры. Этот метод функционирует в любой точке мира, атмосферный CO₂ улавливается независимо от источника. В 2021 году в Хедлисхейди (Исландия) было запущено Orca, первое в мире крупномасштабное предприятие по сбору углекислого газа. Теоретически оно может удалять антропогенные загрязнения, попавшие в атмосферу начиная с XVIII века.
Вентиляторы забирают воздух, химические фильтры очищают его от диоксида углерода, затем фильтры нагреваются, выделяя концентрированный CO₂ для хранения или повторного использования. Этот метод относительно новый, дорогостоящий и требует много энергии. Его производительность пока мала по сравнению с отделением углекислоты от точечных источников. Orca способна улавливать около 4000 тонн CO₂ в год, а ежегодно во всем мире складируют около 45 миллионов тонн CO₂ (большая часть этого углерода выделяется из точечных источников на электростанциях и промышленных объектах).
Критики считают, что оба метода перенаправляют внимание и ресурсы, необходимые для снижения зависимости от ископаемого топлива и восстановления ущерба окружающей среде. Впрочем, малая, но значимая часть энергетической системы всё ещё будет полагаться на уголь.
Батай утверждает, что если к середине столетия мы желаем снизить выбросы парниковых газов до нуля (что необходимо для поддержания уровня 1,5-2° C выше доиндустриальных температур), то образ будущего общества будет на 80-90 процентов независимым от ископаемого топлива. Оно будет питаться в основном энергией ветра и солнца, возможно, отчасти ядерной, а также небольшим количеством источников с улавливанием углерода для компенсации непостоянства ветряной и солнечной энергии.
Вам нужно топливо для самолетов, требуется замена метану для функционирования зданий, нужен запас топлива для работы больниц, чтобы энергосистеме была резервная подпитка. Улавливание и хранение CO₂, удаление углекислого газа и его прямое улавливание из воздуха — способы получения углерода для производства концентрированного топлива. Это небольшая, но критически важная часть системы, которая помогает поддерживать остальную ее часть, работающую полностью на электрической энергии.
Из углерода в алмазы
Райан Ширман и Дэн Войно познакомились во время работы у ювелира Дэвида Юрмана. После прочтения книги «Drawdown» эколога Пола Хокена, в которой излагался план по борьбе с глобальным потеплением, они начали обсуждать возможность улавливания углерода из атмосферы. Как вспоминает Войно, Ширман задумался о том, можно ли превратить этот широко распространённый вид углерода в что-нибудь красивое и редкое, например, бриллиант.
В течение следующих нескольких лет они разработали патентованный процесс преобразования улавливаемого углерода в метан высокой чистоты, необходимый для производства алмазов методом химического осаждения из газовой фазы. В 2021 году компания Aether начала поставки клиентам. По словам Войно, со временем они планируют также использовать метан в продуктах с меньшей маржой и более широким применением — в промышленных материалах, таких как технический углерод или графит.
Как и Батай, Ширман считает, что значение углерода в будущем не уменьшится. «Нам все еще понадобятся углеводороды для производства промышленных товаров, таких как сталь и аммиак. Вот здесь-то мы пригодимся, — говорит он. — Мы сможем создать будущее с вновь изобретенными материалами и использовать улавливают углерод для изготовления товаров, например шин». Войно поддерживает своего партнера: «Если найдем способы улавливать углерод не для закачки под землю, а для замены продуктов на основе ископаемого топлива, то будем добывать CO₂ из атмосферы».
Международное энергетическое агентство сообщает о 27 работающих установках прямого улавливания углерода из воздуха и не менее 130 находящихся в разработке. Основатели Aether с интересом ждут появления новых продуктов, созданных другими стартапами из этого углерода. «Мне нравится, что всё больше людей разрабатывают новые углеродно-отрицательные продукты, — говорит Войно. — Всем нам придётся делать разные необычные вещи, пока не определится небольшое количество начинаний, которые действительно продвинут дело».
Биологи Ричард Форстер и Шон Симпсон основали в 2005 году новозеландскую компанию LanzaTech, которая предложила улавливать углекислый газ (загрязняющее вещество, усиливающее влияние парниковых газов на глобальное потепление) и использовать его для производства этанола. Большая часть этанола в мире производится из сырья на основе крахмала и сахара, а в США преимущественно используют кукурузу. «Когда компания только начинала, об углероде говорили лишь те, кто исповедовал традиционный путь его улавливания и хранения: давайте продолжим добычу, продолжим выбросы, и просто будем складировать», — вспоминает Фрейя Бертон, директор по устойчивому развитию LanzaTech. Она и ее коллеги хотели разработать новую технологию производства топлива, которая не причиняла бы вреда почвам, биоразнообразию и продовольственной безопасности. «Также мы хотели, чтобы он был легкодоступным и работал от точечного источника».
Для переработки окиси углерода в этанол исследователи использовали микробиную ферментацию с клостридиями, бактериями, которые они называют «жучком». Клостридии естественным образом потребляют углерод в разных формах, — говорит Бертон, — и обладают тем же уровнем безопасности, что и пекарские дрожжи по версии Всемирной организации здравоохранения. Это безобидная бактерия, работающая при комнатной температуре и обычном давлении. Такой простой тип бактерий создает удивительные вещи. Специалисты LanzaTech из области синтетической биологии изучили геном бактерии. Она естественно производит этанол, но ее гены можно включать и выключать для получения других химических веществ. «На данный момент мы продемонстрировали более 100 веществ, некоторые из которых не встречаются в природе и могут быть получены только из ископаемого топлива», — добавляет Бертон.
К августу текущего года компания получила 1355 патентов глобально, ещё 611 находятся в процессе рассмотрения. В то же время клостридии произвели более 50 миллионов галлонов этанола, предотвратив выброс более 250 тысяч тонн CO₂. «Мы сталкиваемся со множеством скептиков. Очень легко утверждать, что что-то не сработает, но если постепенно строить заводы по переработке промышленных выбросов, эти 250 тысяч превращаются в 500 тысяч», — говорит Бертон. — «К концу года, тьфу-тьфу-тьфу, благодаря шести нашим заводам мы выйдем примерно на 500 тысяч тонн CO₂ в год».
В этом процессе есть модный тренд. Полиэфирные волокна, соединенные с этанолом LanzaTech, уже применялись для изготовления модной одежды. Компания выпустила капсульные коллекции для Lululemon, Zara, Craghoppers, Adidas и H&M. Пока «жучок» LanzaTech вырабатывает сырье для разных отраслей промышленности, включая производство топлива, химикатов и строительных материалов, стоит рассмотреть возможность создания одежды из улавливаемого углерода. По данным Всемирного банка за 2019 год, «индустрия моды отвечает за 10 процентов ежегодных глобальных выбросов углерода, больше чем все международные авиарейсы и морские перевозки вместе взятые».
От духов к горючему
Основанная в 2019 году предпринимателем Грегори Константайном и химиком Стаффордом Шиханом компания Air Company из Нью-Йорка перерабатывает углекислый газ в спирты и топливо с отрицательным углеродным балансом. «Мы забираем CO₂ из любых источников, — говорит Константайн. — Прямо из воздуха, улавливание из точечных источников, биогенное улавливание (то есть CO₂, образующийся при горении или разложении органического вещества), мы агностики».
Запатентованная технология Шихана разделяет воду на кислород и водород с помощью электролиза. Кислород поступает в атмосферу, а водород соединяется с поглощенным CO₂ и запатентованным катализатором для производства чистых спиртов, которые компания реализует партнерам и использует в своих продуктах.
Первым предложением компании на рынке стала водка Air Vodka в 2019 году. В 2020-м последовало дезинфицирующее средство для рук и парфюмерная вода унисекс с яркими цитрусовыми нотами, ботанической сердцевиной и мускусно-табачной базой — первый аромат, созданный в 2021 году на основе переработанного углерода. В прошлом году компания вновь перенеслась в небесные сферы, ее совершенно новое экологически чистое авиационное топливо (SAF) использовалось самолетами ВВС США. Осенью 2022 года JetBlue и Virgin Atlantic заключили многолетние соглашения о покупке этого топлива. В феврале этого года Air Company подписала контракт на 65 миллионов долларов с министерством обороны США, чтобы помочь военным построить собственные заводы по производству SAF.
По словам Криса Батая из Центра глобальной энергетической политики Колумбийского университета, для решения экологических проблем важно удалить 2500 гигатонн избыточного CO₂, присутствующего в атмосфере. Изделия из улавливаемого углерода не смогут справиться с таким объёмом. В будущем удаление углекислого газа будет осуществляться промышленным способом.
«Нам всё равно придётся удалять углерод, — говорит Сара Наваз, директор по исследованиям в Институте законодательства и политики в области удаления углерода при Американском университете. — И нужно быть уверенными, что это делается правильно с политической, экономической и технологической точек зрения, чтобы не порождать новых проблем взамен старых». Наваз скептически относится к попыткам убедить людей, что изменение климата можно решить, расходуя меньше пластиковых пакетов или используя духи из переработанного углерода. «Мне не нравится индивидуалистский подход в отношении климатических изменений, — добавляет она. — Мне кажется, важно говорить о том, что должно быть сделано на общественном и системном уровне».