Технология улавливания углерода:
Сокращение выбросов суперзагрязнителей для ограничения глобального потепления

Шан Даниэль

Глобальное потепление представляет собой ряд существенных рисков для людей на Земле. Планета нагревается из-за парникового эффекта, при котором газы в атмосфере Земли задерживают длинноволновое излучение, испускаемое поверхностью Земли. Основным газом, способствующим этому эффекту, является углекислый газ, который выделяется при сжигании углеводородного топлива для получения энергии. Потенциальные негативные последствия неконтролируемых выбросов и потепления приводят к экстремальным погодным явлениям, потерям в сельском хозяйстве и затоплению прибрежных регионов из-за таяния полярных льдов. В результате переключение глобальной энергетической зависимости на источники, смягчающие негативные последствия изменения климата, имеет решающее значение и требует своевременных действий. Этого можно достичь путем сокращения глобальной зависимости от ископаемого топлива и других веществ, выбрасывающих углерод, и перехода на возобновляемые источники энергии, такие как солнечная, ветровая, гидроэлектростанции, приливные и ядерные, которые не выделяют CO2 в процессе своей работы (1).

Однако с начала промышленной революции концентрация CO2 в атмосфере увеличилась с 280 ppm до 430 ppm, что эквивалентно 1.18 × 10^12  Дополнительные метрические тонны CO2 в нашей атмосфере. Учитывая масштаб этих изменений, удаление выбрасываемого углерода из атмосферы и его хранение таким образом, чтобы исключить его влияние на глобальное потепление, в последнее время стало предметом интереса климатологов.

Современные процессы секвестрации углерода направлены на забор воздуха из окружающей среды и его концентрирование для хранения (2). Это достигается посредством серии из четырёх реакций: Реакция 1 включает пропускание воздуха через раствор гидроксида калия, где CO2 может реагировать с водой с образованием угольной кислоты, которая подвергается кислотно-щелочной нейтрализации с образованием карбоната калия и воды. Реакция 2 регенерирует гидроксид калия путём взаимодействия карбоната калия с гидроксидом кальция с образованием карбоната кальция, нерастворимого в воде. В реакции 3 твёрдый карбонат кальция подвергается термическому разложению при чрезвычайно высоких температурах с образованием оксида кальция и диоксида углерода, который выделяется в результате реакции в контролируемой среде, где он может храниться. Наконец, реакция 4 включает регенерацию оксида кальция гидроксида кальция при растворении в воде. Хотя реакции 1, 2 и 4 являются экзергоническими, благоприятными реакциями, термическое разложение карбоната кальция является чрезвычайно эндотермичным и требует огромных энергетических затрат, что делает промышленную секвестрацию углерода дорогостоящей и труднореализуемой (3). Стоимость удаления одной метрической тонны CO2 из окружающего воздуха оценивается в 600–1000 долларов США. При использовании исключительно современных технологий улавливания углерода стоимость удаления достаточного количества CO2 для возвращения к доиндустриальному уровню содержания CO2 в атмосфере составила бы 708 триллионов долларов США, что примерно в 25 раз превышает ВВП США в 2023 году (4).

В настоящее время эта методология не является жизнеспособным методом для значительного влияния на уровни CO2 в нашей атмосфере. Инновации и усовершенствования как третьей реакции процесса секвестрации углерода, так и хранения/продажи произведенного CO2 могут снизить общую стоимость этого процесса, что позволит внедрить его в более широких масштабах и добиться большего общего положительного эффекта (4). Улавливание метана, суперзагрязнителя, вредящего здоровью и способствующего изменению климата, может дополнить стратегии секвестрации углерода, нацеливаясь на короткоживущие климатические загрязнители, которые обеспечивают немедленные преимущества для здоровья и климата. Однако, благодаря дальнейшим инновациям, направленным на создание более экономически эффективного процесса и сочетанию с другими возобновляемыми формами энергии, секвестрация углерода может стать важным инструментом смягчения негативных последствий изменения климата.

Биологически обоснованный метод, получивший всё большее признание в последние годы, – это регенеративное сельское хозяйство (РА). Регенеративное сельское хозяйство предлагает более комплексный и устойчивый подход к ведению сельского хозяйства, уделяя особое внимание восстановлению почвы и поддержанию долгосрочного экологического баланса (5). В отличие от традиционного сельского хозяйства, которое часто сильно зависит от химических удобрений и пестицидов, РА делает акцент на традиционных, основанных на природе методах (6). Пять основных принципов, на которых основывается регенеративное сельское хозяйство для улучшения состояния почвы, включают: минимизацию нарушения почвы, максимальное разнообразие культур, поддержание непрерывного почвенного покрова, сохранение живых корней в почве в течение всего года и интеграция животноводства, например, крупного рогатого скота, в сельскохозяйственные системы.

Несмотря на то, что RA является одним из наиболее эффективных подходов к устойчивому сельскому хозяйству и накоплению углерода в атмосфере, широкое внедрение этого подхода сталкивается с рядом препятствий (7). Этот подход требует времени и тщательного, последовательного управления. Фермерам необходимо осваивать новые методы и развивать более глубокое понимание биологии почвы, взаимодействия растений и экосистемных практик для эффективного управления своими землями. Эти изменения часто требуют как технической подготовки, так и долгосрочной приверженности, что недоступно для всех фермерских сообществ.

Однако, если RA будет подкреплена последовательным внедрением и интеграцией современных технологий, таких как беспилотные летательные аппараты, датчики и сельскохозяйственная робототехника, она может стать одной из самых надежных долгосрочных стратегий хранения углерода (8). Эти технологии могут повысить точность и эффективность методов землепользования, упрощая мониторинг состояния почвы, оптимизируя севооборот и сокращая трудоемкость задач. Например, исследование показывает, что почва способна поглощать до 3.4 гигатонн углерода в год посредством сельскохозяйственных методов (9). Однако для достижения такого уровня поглощения потребуется высаживать примерно 5.72 × 10¹¹ деревьев ежегодно.

Процесс RA включает в себя несколько взаимосвязанных биологических и химических этапов, способствующих долгосрочному сохранению углерода в почвах. Он начинается с увеличения площади выращивания деревьев, сельскохозяйственных культур и растений, которые играют важнейшую роль в улавливании атмосферного углекислого газа (CO₂) посредством фотосинтеза. В процессе фотосинтеза растения преобразуют CO₂ и воду в глюкозу (C₆H₁₂O₆) и кислород (O₂) по следующей реакции: 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂.

Вырабатываемая глюкоза не только используется для роста растений, но и выделяется через корни в почву, поддерживая микробные сообщества. Эти корневые экссудаты стимулируют микробное дыхание и активность в ризосфере, улучшая круговорот питательных веществ. Часть органического углерода в конечном итоге стабилизируется в процессе, называемом гумификацией, при котором микробные и растительные остатки преобразуются в сложные гуминовые вещества. Эти вещества образуют устойчивое органическое вещество почвы, которое может сохраняться в ней десятилетиями, эффективно сохраняя углерод в почве.

Хотя RA является высокоустойчивым подходом, для достижения существенного прогресса в рамках этого метода необходимо одновременное сокращение антропогенных выбросов углерода. Исследование показывает, что годовой объём выбросов углекислого газа в результате деятельности человека превышает объём, который может быть секвестрирован с помощью регенеративных методов ведения сельского хозяйства (глобальный годовой бюджет). Например, в 2023 году было выброшено 36.8 гигатонны CO2 по сравнению с 3.4 гигатоннами углерода, секвестрируемого в год с помощью RA.

Бетон — повсеместно используемый строительный материал: он используется на наших дорогах, тротуарах, в наших зданиях, мостах и ​​туннелях. Более того, бетон — второй по использованию материал в мире, уступающий только воде, и «в строительстве используется вдвое больше бетона, чем всех других строительных материалов вместе взятых» (12). В настоящее время мир производит 30 миллиардов тонн бетона в год, и мировой спрос на бетон только растёт, особенно по мере ускорения индустриализации во многих странах глобального Юга (13). К сожалению, производство бетона сопряжено с энергозатратами.

Цемент, ключевой компонент бетона, создается с помощью процесса, известного как обжиг — смесь известняка и глины нагревается до очень высоких температур, что вызывает химическую реакцию, в результате которой образуется углекислый газ (CO ₂ ) и известь (CaO). Затем известь смешивают с оставшимся количеством глины и снова нагревают, образуя цемент. Наконец, этот цемент реагирует с водой, образуя различные продукты гидратации, которые затвердевают и связывают между собой заполнители (в основном песок, гравий и щебень), образуя то, что мы называем бетоном.

Однако, когда для нагрева цемента и CO требуется значительный расход энергии, ₂  Если учесть оба этих побочного продукта, выделяющегося при прокаливании, становится очевидно, что бетон оставляет довольно значительный углеродный след. Фактически, одна тонна цемента выделяет 0.85 тонны CO. ₂ , а бетонная промышленность производит 4–8% мировых выбросов углерода (14). В настоящее время ни один другой строительный материал не может сравниться с бетоном по универсальности, низкой стоимости и простоте производства. Но есть ли способ уменьшить углеродный след бетона, одновременно потенциально снизив затраты отрасли?

Как оказалось, несмотря на то, что бетон выделяет углекислый газ в процессе смешивания, он также поглощает углерод посредством пассивной химической реакции, известной как выветривание карбонизацииВ ходе этого процесса образуется гидроксид кальция (Ca(OH) ₂ , также известный как портландит), побочный продукт реакций гидратации внутри бетона, реагирует с углекислым газом в воздухе, образуя карбонат кальция (CaCO ₃ , также известный как кальцит). Это форма связывания углерода — углерода из воздуха (CO ₂ ) «секвестрируется» в минеральной форме в молекулярной структуре бетона.

Однако, как потенциальная стратегия смягчения последствий изменения климата и уменьшения углеродного следа бетонной промышленности, этот процесс имеет ряд недостатков. Первый заключается в том, что он происходит очень медленно: одна тонна бетона поглощает до 0.9 кг CO. ₂  в год за счёт выветривания, хотя эта величина сильно зависит от условий окружающей среды, таких как влажность и температура (13). Это означает, что поглощение углерода, происходящее в процессе выветривания, значительно меньше, чем выбросы углерода в атмосферу. Второй недостаток заключается в том, что при длительном воздействии CO ₂ , гель гидрата силиката углерода (CSH), который помогает скреплять бетон, разлагается, и бетон начинает разрушаться. Однако мы можем использовать основные химические реакции, происходящие при выветривании, в качестве основы для разработки технологии быстрого и активного, а не медленного и пассивного, связывания углерода в бетоне.

Как оказалось, в настоящее время в отрасли две Методы. Первый называется минеральная карбонизация, и по сути представляет собой «быструю имитацию выветривания горных пород» (13). Карбонизация минералов направлена ​​на вяжущие соединения; обычно цемент просто смешивают с водой для образования продуктов гидратации, которые связывают между собой заполнители бетона. Однако, если CO ₂  растворяется в воде с образованием угольной кислоты (H ₂ CO ₃ ), ионы гидроксония из кислоты разрушают силикатные оксиды в цементе, высвобождая ионы кальция и магния, содержащиеся в цементе, и образуя стабильные карбонаты. Согласно одному исследованию, промышленная карбонизация минералов может обеспечить секвестрацию до 3 Гт углерода в год.

Второй метод направлен на сам бетон. Бетон часто выдерживают после смешивания, чтобы обеспечить быструю реакцию гидратации, что положительно влияет на долговечность и прочность бетона. Пар — типичная среда, в которой бетон выдерживается, поскольку он допускает высокую температуру и относительную влажность (15), но CO ₂  Этот процесс, в котором CO2 ₂  газ впрыскивается в бетон на ранней стадии (т.е. максимум через несколько дней после смешивания), это называется карбонизация отверждения. Подобно карбонизации минералов, карбонизация включает реакцию силикатных оксидов с водой и CO ₂  для образования CaCO ₃ .

Конечно, получение чистого CO ₂  газ, а также проектирование и обслуживание закрытых реакционных камер, необходимых для отверждения, означает дополнительные затраты для производителя. Однако эти затраты можно сократить, заменив традиционные связующие и заполнители переработанными альтернативами, чтобы произвести то, что в отрасли известно как «зеленый бетон». Например, портландцемент, типичный выбор для цементного компонента бетона, можно частично или полностью заменить летучей золой (побочным продуктом угольной промышленности) или стальным шлаком, поскольку оба содержат оксиды, необходимые для протекания реакций гидратации. Одно исследование показало, что замена портландцемента смесью летучей золы и извести привела к получению бетонной смеси со степенью карбонизации 78% по сравнению со степенью карбонизации 32% в контрольной смеси портландцемента (13).

Кроме того, гравий и щебень, типичные варианты для крупных заполнителей, можно заменить побочными продуктами сноса (кирпичным щебнем, бетоном и т. д.). Минеральная карбонизация также может быть проведена на этих заполнителях для повышения их прочности и долговечности, а также их способности связывать углерод. Наконец, мелкие заполнители (обычно песок) можно заменить биоуглем, который имеет дополнительное преимущество, являясь продуктом самого связывания углерода (биоуголь образуется путем сжигания органического вещества при очень высоких температурах в среде с низким содержанием кислорода, что приводит к формированию стабильных углеродных структур). Некоторые исследования показали, что биоуголь может ускорять реакции гидратации во время карбонизации на ранней стадии твердения, что приводит к более высокой прочности на сжатие (16). Биоуголь также является высокопористым, что означает, что он имеет больше участков, где могут происходить реакции карбонизации.

В отличие от технологий улавливания и хранения углерода (CCS) или регенеративного сельского хозяйства, производство зелёного бетона не требует масштабных изменений в существующей отрасли или создания новой; достаточно лишь добавить переработанные побочные продукты в бетонную смесь и использовать технологии карбонизации вместо пара. Производители цемента уже сейчас имеют возможность инвестировать в более климатически адаптивное будущее — в будущее, где мы будем строить наши города из секвестрированного CO2. ₂ .