Американская писательница Лорен Остер в Smithsonian Magazine рассказывает, как предприниматели ищут полезные применения уловленному из атмосферы углероду, вместо того чтобы «закапывать» его в землю. Naked Science приводит 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.
Подобные товары не способны возместить ущерб, который мы нанесли планете, однако это можно сделать при помощи тех инноваций, благодаря которым они существуют. Команды, разработавшие технологии их производства, намерены использовать улавливаемый углерод, чтобы снизить зависимость человека от ископаемого топлива и обеспечить устойчивое развитие. Как утверждают ученые, эти цели не роскошь, а насущная потребность.
100 лет улавливания углерода
«Понятие „улавливание углерода” может подразумевать целый ряд технологий, — говорит Крис Батай, аналитик в области энергетической и климатической политики Центра глобальной энергетической политики Колумбийского университета. — Углерод можно отделять от точечных источников типа промышленного предприятия или электростанции или улавливать непосредственно из атмосферы».
Самая ранняя версия технологии улавливания углерода на точечном источнике была реализована в 1920-х годах в резервуарах природного газа. Газ прокачивали через заполненные жидкостью камеры для отделения углекислоты от метана, который затем продавали. Удаление углекислоты превращало газ в коммерческий продукт, а сама она становилась бесполезным побочным продуктом. В начале 1970-х годов компании, которые занимались добычей ископаемого топлива, нашли применение этому CO₂. Побочный продукт из газового резервуара или от перерабатывающего предприятия улавливали и закачивали в истощенную нефтяную скважину, чтобы повысить давление в пласте, снизить вязкость оставшейся нефти и продолжать добычу.
Такое применение уловленного углерода стало известно как третичный метод нефтедобычи 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 могут быть извлечены обычными методами; третичным методом можно добыть половину разведанной нефти, которую в противном случае невозможно было бы извлечь. Таким образом, улавливание углерода имеет чрезвычайную 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 в атмосферу».
Правительство США многие десятилетия оказывало поддержку третичному методу добычи и другим способам промышленного использования улавливаемого углерода, а закон 2022 года о снижении инфляции предусматривает расширение действующих налоговых льгот, которые стимулируют улавливание и хранение углерода предприятиями. После применения третичного метода СО2 может быть навсегда изолирован путем заглушки скважин. Также его можно закачивать в глубокие соленые водоносные горизонты, где он поглощается водой под высоким давлением.
О прямом улавливании углекислоты из воздуха заговорили в 1999 году, когда Клаус Лакнер, в то время инженер-химик из Университета штата Аризона, а ныне директор основанного им Центра отрицательных выбросов углерода, заявил на конференции в министерстве энергетики США, что «извлечение углекислоты непосредственно из атмосферы позволит контролировать выбросы углекислого газа без полной замены инфраструктуры». Этот метод работает в любой точке мира, атмосферный CO₂ улавливается независимо от происхождения. В 2021 году в Хедлисхейди (Исландия) было введено в эксплуатацию 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 атмосферный воздух, химические фильтры улавливают из него CO₂, затем эти фильтры нагреваются, высвобождая концентрированный CO₂ для складирования или повторного использования. Этот сравнительно новый метод, дорогостоящий и энергоемкий, его производительность на сегодняшний день невелика по сравнению с отделением углекислоты от точечных источников. Orca может улавливать около 4000 тонн CO₂ в год, а во всем мире складируется около 45 миллионов тонн CO₂ в год (большая часть этого углерода отделяется от точечных источников на электростанциях и промышленных объектах).
По мнению критиков, оба эти метода отвлекают внимание и ресурсы от других возможностей снижения нашей зависимости от ископаемого топлива и возмещения ущерба, который мы нанесли планете. Тем не менее небольшая, но важная часть нашей энергетической системы будет и далее зависеть от углерода.
«Если мы, — говорит Батай, — действительно стремимся к середине столетия снизить до нуля выбросы парниковых газов (это необходимо сделать, чтобы оставаться на уровне 1,5-2° C выше доиндустриальных температур), мы, вероятно, представляем себе общество, на 80-90 процентов независимое от ископаемого топлива, питающееся в основном энергией ветра и солнца, возможно, отчасти ядерной и небольшим количеством источников, требующих улавливания углерода, — для того чтобы компенсировать непостоянство ветряной и солнечной энергии.
Однако вам нужно топливо для самолетов, нужна замена метану, чтобы обеспечить функционирование зданий, нужен запас топлива для работы больниц, чтобы у энергосистемы была резервная подпитка. Улавливание и хранение CO₂, удаление углекислого газа и его прямое улавливание из воздуха — всё это способы получения углерода, необходимого 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
Инженеры-механики Райан Ширман и Дэн Войно познакомились, работая на ювелира Дэвида Юрмана. Улавливание углерода из атмосферы они стали обсуждать после того, как Ширман прочитал Drawdown — нашумевшую книгу 2017 года под редакцией эколога Пола Хокена, представляющую собой план по обращению вспять глобального потепления. Как вспоминает Войно, Ширман задался вопросом, можно ли взять эту бесполезную форму углерода, широко распространенную в воздухе, и превратить ее во что-нибудь красивое и редкое — бриллиант например. «В принципе, как только эта мысль пришла в голову, мы уже не могли от нее отделаться», — говорит Войно. Следующие несколько лет было потрачено на разработку патентованного процесса превращения улавливаемого углерода в метан высокой чистоты, необходимый для производства выращенных в лаборатории алмазов методом химического осаждения из газовой фазы. И в 2021 году компания Aether начала поставки клиентам. «Со временем мы собираемся также использовать метан в продуктах с меньшей маржей и более широким применением — в промышленных материалах, таких как технический углерод или графит», — говорит Войно.
Как и Батай, Ширман признает, что углерод не потеряет своего значения в будущем. «Нам по-прежнему понадобятся углеводороды для производства промышленных продуктов, таких как сталь и аммиак. Вот тут-то мы и пригодимся, — говорит он. — Мы сможем создать будущее с заново изобретенными материалами и сможем использовать уловленный углерод для производства таких товаров, как шины». Войно поддерживает своего партнера: «Если мы найдем способы улавливать углерод, но не чтобы закачивать его под землю, а использовать для замены продуктов на основе ископаемого топлива, мы будем добывать CO₂ из атмосферы».
По данным Международного энергетического агентства, в мире насчитывается 27 установок прямого улавливания углерода из воздуха и не менее 130 находятся в стадии разработки. Учредителям Aether не терпится увидеть, что другие стартапы будут производить из этого углерода. «Мне нравится, что все больше людей создают новые углеродно-отрицательны продукты, — говорит Войно. — Всем нам придется делать разные странные вещи, пока не определится относительно небольшое число начинаний, которые действительно сдвинут дело с мертвой точки».
Новозеландская компания LanzaTech, основанная в 2005 году биологами Ричардом Форстером и Шоном Симпсоном, выдвинула идею улавливания окиси углерода (загрязняющего вещества, усиливающего влияние парниковых газов на глобальное потепление) и использования ее для производства этанола. Почти весь этанол в мире производится из сырья на основе крахмала и сахара, а в США как сырье используют преимущественно 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. — Мы также хотели, чтобы он был легкодоступным и работал от точечного источника».
Для превращения окиси углерода в этанол ученые прибегли к микробной ферментации с использованием клостридий, вида бактерий, которые они называют «жучком». «Клостридии обладают природным свойством потреблять углерод в различных формах, — объясняет Бертон, — и имеют тот же рейтинг безопасности, по версии Всемирной организации здравоохранения, что и пекарские дрожжи. Это довольно безобидная бактерия, она работает при комнатной температуре и обычном атмосферном давлении. Такой, в общем, заурядный тип бактерий, которые делают действительно удивительные вещи». Специалисты по синтетической биологии LanzaTech картировали геном бактерии, поэтому, хотя она естественным образом производит этанол, ее гены могут включаться и выключаться для производства других химических веществ. «На данный момент мы продемонстрировали более 100 веществ, причем некоторые не образуются в природе и могут быть получены только из ископаемого топлива», — добавляет Бертон.
По состоянию на август этого года компания получила 1355 патентов по всему миру, и еще 611 находятся на стадии рассмотрения. Между тем клостридии произвели более 50 миллионов галлонов этанола, предотвратив выброс более 250 тысяч тонн CO₂. «Мы сталкиваемся со множеством скептиков. Очень легко сказать, что что-то не сработает, но если вы постепенно строите заводы для переработки 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».
Во всем этом есть модный поворот. Полиэфирные волокна, соединенные с этанолом LanzaTech, уже использовались для производства модного текстиля. Компания выпустила капсульные коллекции для Lululemon, Zara, Craghoppers, Adidas и H&M. И пока «жучок» LanzaTech вырабатывает сырье для целого ряда отраслей промышленности, включая производство топлива, химикатов и строительных материалов, стоит рассмотреть возможности изготовления одежды с улавливаемым углеродом. Ведь, как отмечал Всемирный банк в 2019 году, «индустрия моды ответственна за 10 процентов ежегодных глобальных выбросов углерода, это больше, чем все международные авиарейсы и морские перевозки вместе взятые».
От духов к горючему
Нью-йоркская Air Company, запущенная в 2019 году предпринимателем Грегори Константайном и химиком Стаффордом Шиханом, перерабатывает углекислый газ в углеродно-отрицательные спирты и топливо. «Мы получаем CO₂ из любых источников, — говорит Константайн. — Забор прямо из воздуха, улавливание из точечных источников, биогенное улавливание (то есть CO₂, образующийся при горении или разложении органического вещества), мы агностики».
Запатентованная технология Шихана использует электролиз для расщепления воды на кислород и водород. Кислород высвобождается в воздух, а водород соединяется с улавливаемым CO₂ и запатентованным катализатором для производства спиртов без примесей, которые компания распространяет среди партнеров и использует в своих собственных продуктах.
Их первым предложением на рынке стала Air Vodka в 2019 году. В 2020-м за этим последовало дезинфицирующее средство для рук и парфюмерная вода унисекс с яркими цитрусовыми нотами в верхушке, ботанической сердцевиной и мускусно-табачной базой — первый аромат, созданный в 2021 году на основе переработанного углерода. В прошлом году от потребительских товаров 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.
Насколько существенной может быть роль подобных проектов в решении экологических проблем? «В атмосфере присутствует 2500 избыточных гигатонн CO₂, которые должны быть изъяты, — говорит Крис Батай из Центра глобальной энергетической политики Колумбийского университета. — Предметы роскоши, изготовленные из улавливаемого углерода, такое количество не уничтожат. Когда-нибудь мы придем к тому, что начнем его удалять промышленным способом».
«Нам так или иначе придется удалять углерод, — говорит Сара Наваз, директор по исследованиям в Институте законодательства и политики в области удаления углерода при Американском университете. — и мы должны быть уверены, что это делается правильно с политической, экономической и технологической точек зрения, что это не порождает новых проблем взамен старых». Наваз скептически относится к попыткам утвердить людей во мнении, что изменение климата — проблема, которую можно решить, если расходовать меньше пластиковых пакетов или использовать духи из переработанного углерода. «Мне не нравится индивидуалистский подход в отношении климатических изменений, — добавляет она. — Я считаю, нам важно говорить о том, что должно быть сделано на общественном и системном уровне».