Технология утилизации углерода

В начале каменноугольного периода, примерно 360 000 000 лет тому назад, древние леса поглощали двуокись углерода из атмосферы Земли. Со временем под влиянием температуры и высокого давления останки вымерших лесов превратились в 5 000 000 000 000 тонн углеродных полезных ископаемых. С начала промышленной эры человечество вернуло в атмосферу около 5 % от этого количества углерода в виде эмиссии двуокиси углерода.

Человечество, движимое желанием обладать энергией, очень быстро изменило распределение углерода. И так будет продолжаться, если мы не изменим принцип использования энергии; к 2050 г. на Земле будет жить на 2 000 000 000 человек больше, чем сейчас, и глобальное потребление энергии почти удвоится.

Технология предлагает нам три способа восстановить баланс: консервация энергии, «низкоуглеродная» энергия и создание специальных приемников углерода.

Прежде всего, мы можем использовать меньше энергии. Если мы не хотим снижать жизненные стандарты, то сокращение должно сопровождаться ростом энергоэффективности. Во многих обстоятельствах это выглядит относительно просто и экономически привлекательно, так как эффективность расходования энергии часто приносит большую экономию средств. Инновации в цифровых технологиях, такие как видеоконференции и совместная дистанционная работа, могут иметь особенно важное значение.

Однако энергоэффективность — не панацея, как может показаться на первый взгляд. Когда что-то становится более эффективным, люди хотят этого побольше. Экономя деньги благодаря повышеннной эффективности использования энергии, люди тратят эти деньги на товары, также потребляющие энергию. Энергоэффективность — совсем не то же самое, что энергосбережение. Чтобы добиться сбережения энергии, мало новой технологии; для этого требуются также соответствующее воспитание, стимулы и, возможно, законодательное регулирование.

Второе технологическое решение восстановления углеродного баланса — сократить долю углерода в производстве энергии. Наиболее перспективно создание «безуглеродных» источников энергии, в том числе и возобновляемых — например, использующих энергию ветра и солнца.

Еще десять лет тому назад это относилось к области экспериментальных технологий, очень дорогих и применяемых в крайне малых масштабах. Но в 2000 г. возобновляемые источники обеспечили почти половину суммарной мощности новых электростанций, построенных во всем мире. За последние семь дет мощность ветровых электростанций выросла в четыре раза, а мощность солнечных — почти в 13 раз. Быстрый рост обеспечил значительное увеличение масштабов производства энергии. Новые знания позволили повысить эффективность и снизить издержки электростанций. Например, в 2008 г. солнечный фотоэлектрический элемент стоил 4 долл. в расчете на 1 Вт мощности. Сегодня ту же мощность можно генерировать менее чем за 1 долл. Вдали от международных конференций в Копенгагене и Дурбане происходит тихая революция, начинающая преобразовывать нашу энергетическую систему.

Тем не менее в энергетическом миксе возобновляемые источники играют не основную роль, и углеродное топливо останется с нами еще несколько десятилетий. Следовательно, для сокращения потребления углерода нужно изменить пропорции ископаемых видов топлива, сократив доли каменного угля и нефти и увеличив долю природного газа. Газ производит, в расчете на единицу вырабатываемой электроэнергии, вдвое меньше двуокиси углерода, чем каменный уголь. В минувшее десятилетие каменный уголь удовлетворял почти половину потребности в энергии, но недавний бум в добыче дешевого природного газа сможет быстро привести к замене традиционных угольных тепловых электростанций работающими на природном газе. Газовые электростанции также могут быстро увеличивать производство электроэнергии, компенсируя падение мощности возобновляемых источников, например, в случаях, когда солнце скрывается за облаками, а ветер прекращается.

Заменить нефть труднее, так как энергоемкость делает ее уникальным топливом для автомобилей и самолетов. Автомобили на природном газе значительно улучшились с тех пор, как в Китае в 1960-х гг. появился автобус «da qi bao» («большой мешок с газом»). Гигантские наполненные газом серые пузыри, кое-как размещавшиеся на крыше автобуса, требовали частой подкачки, так как довольно быстро сдувались.

Природный газ продолжает использоваться на транспорте, и если единица энергии, производимой газом, будет продаваться за долю стоимости единицы энергии, производимой нефтью, как сейчас происходит в США, то применение газа станет более широким. Электромобили и автомобили на водородном двигателе — еще одно возможное решение, но потребуются дорогостоящие инвестиции в инфраструктуру, прежде чем их использование сможет стать массовым.

Более близкая альтернатива дизельному топливу и бензину — биотопливо. Вместо того чтобы полагаться на процессы, которые в течение миллионов лет превращали останки растений и животных в сырую нефть, из которой мы вырабатываем дизельное топливо и бензин, мы можем воспользоваться более быстрым способом: вырастить подходящие сельскохозяйственные культуры и превратить их в топливо для автомобилей. При этом двуокись углерода поглощается в процессе роста этих культур, а при сгорании биотоплива в двигателях выбрасывается обратно в атмосферу. Законы США, принятые с целью сокращения выбросов двуокиси углерода, предполагают, что бензин для личного автотранспорта должен будет содержать 10 % этанола, изготовленного из кукурузы. Но существует серьезная опасность: выращивание урожая для производства биотоплива не должно приводить к сокращению глобальных поставок жизненно необходимого продовольствия.

Третий способ снизить уровень двуокиси углерода в атмосфере — улавливать ее и помещать в специальные приемники углерода. Наиболее очевидный вариант — сохранение, восстановление или расширение существующих приемников в виде лесов и некоторых видов почвы. Но есть также вероятность, что со временем мы сможем создавать искусственные хранилища — регулируя процесс сжигания ископаемых видов топлива, улавливать двуокись углерода и затем хранить под землей.

В ноябре 2010 г. я посетил расположенную вблизи Пекина электростанцию «Гаобейдян», построенную компанией Huaneng, и увидел новую китайскую технологию улавливания углерода в действии.

Сложное сооружение из стальных труб занимает площадь примерно в половину футбольного поля. Внутри труб циркулирует жидкость, охлаждающая двуокись углерода, которая выделяется в процессе сжигания каменного угля в расположенной под трубами печи. Пока я рассматривал это сооружение, двое рабочих в защитных костюмах вышли вперед и, открыв боковую дверцу агрегата, выкатили наружу контейнер с замороженной двуокисью углерода. Надев перчатки, я взял в руки несколько кусочков «льда» и стал наблюдать, как он быстро тает и улетучивается в атмосферу. Однако эта электростанция — экспериментальная: она улавливает всего 3000 тонн двуокиси углерода в год, то есть менее одной миллионной от общего объема эмиссии в Китае. Пройдет еще немало времени, прежде чем углерод удастся улавливать в более значительных масштабах.

Кроме того, уловить углерод — лишь полдела, требуется еще найти место для хранения. Для этого имеются самые разные возможности — от толщ горных пород до огромных искусственных озер из двуокиси углерода на глубине трех километров ниже уровня моря (оттуда она будет просачиваться в морскую воду). Многие люди с недоверием относятся к идее хранения огромных количеств двуокиси углерода под землей, опасаясь последствий того, что газ может внезапно вырваться наружу. Те же самые страхи, которые возникали по поводу хранения ядерных отходов и тормозили развитие атомной энергетики, возникают теперь и в отношении отходов сжигания ископаемых видов топлива.

Технология улавливания и хранения углерода повлияет на выбросы двуокиси углерода лишь в том случае, если станет экономически конкурентоспособной. Ведь энергия, которая в противном случае использовалась бы потребителями и промышленностью, должна расходоваться на улавливание углерода. Электростанция компании Huaneng продает немного замороженной двуокиси углерода для приготовления шипучих напитков и использования на рок-концертах (так создаются спецэффекты), однако рынок очень мал в сравнении с общим объемом выбросов. Более реально закачивать двуокись углерода в нефтяные пласты, чтобы извлекать из них больше нефти.