Улавливание и хранение углерода ( CCS ) — это процесс, в котором диоксид углерода (CO2 ) из промышленных источников отделяется до того, как он смешается с атмосферой, обрабатывается и транспортируется в место долгосрочного хранения. [1] : 2221 В CCS CO2 улавливается из крупного точечного источника , такого как завод по переработке природного газа или угольная электростанция, и обычно хранится в глубокой геологической формации . По состоянию на 2024 год около 80% ежегодно улавливаемого CO2 используется для повышения нефтеотдачи пластов (EOR), процесса, в котором CO2 закачивается в частично истощенные нефтяные пласты для извлечения большего количества нефти, а затем остается под землей. [ 2] Поскольку EOR использует CO2 в дополнение к его хранению , CCS также известен как улавливание, использование и хранение углерода (CCUS). [3]
Американские нефтегазовые компании разработали процессы, связанные с CCS, в середине 20-го века. Ранние версии технологий CCS служили для очистки природного газа и облегчения добычи нефти. Впоследствии CCS обсуждалась как стратегия по сокращению выбросов парниковых газов . [4] [5] Около 70% объявленных проектов CCS не были реализованы. [2] По состоянию на 2023 год 40 коммерческих объектов CCS находятся в эксплуатации и в совокупности улавливают около одной тысячной антропогенных выбросов CO2. Объекты CCS обычно требуют капиталовложений в размере до нескольких миллиардов долларов, а CCS также увеличивает эксплуатационные расходы. [6] Ожидается, что электростанции с CCS будут требовать примерно на 15-25% больше энергии для работы, [7] таким образом, они обычно сжигают дополнительное ископаемое топливо и увеличивают загрязнение от добычи и транспортировки топлива. Почти все проекты CCS, действующие сегодня, получили государственную финансовую поддержку, как правило, в форме грантов. [8] : 156–160
В стратегиях по смягчению последствий изменения климата CCS играет небольшую, но важную роль. CCS является дорогостоящим по сравнению с другими методами сокращения выбросов, такими как возобновляемая энергия, электрификация и общественный транспорт, и гораздо менее эффективным для снижения загрязнения воздуха. Учитывая его ограничения, CCS наиболее полезен в определенных нишах, особенно в тяжелой промышленности , модернизации заводов, переработке природного газа и производстве электротоплива . [9] : 21–24 В производстве электроэнергии и производстве голубого водорода CCS, как предполагается, будет играть роль, которая дополняет более широкий переход на возобновляемую энергию. [9] : 21–24 CCS является компонентом биоэнергетики с улавливанием и хранением углерода , который при некоторых условиях может удалять углерод из атмосферы.
Эффективность проектов CCS в снижении выбросов углерода зависит от эффективности улавливания, дополнительной энергии, используемой для CCS, утечек, а также деловых и технических проблем, которые могут помешать объектам работать так, как задумано. Многие крупные внедрения CCS не достигли своих целей по сокращению выбросов. [10] Кроме того, существуют разногласия по поводу того, полезна ли CCS для климата, если CO2 используется для извлечения большего количества нефти. [11] Компании, занимающиеся ископаемым топливом, активно продвигали CCS, представляя ее как область инноваций и экономической эффективности. [12] Некоторые активисты-экологи и политики критиковали CCS как ложное решение климатического кризиса . Критики также утверждают, что CCS является лишь оправданием для неограниченного использования ископаемого топлива и приравнивается к дальнейшим инвестициям в экологический и социальный вред, связанный с ископаемым топливом. [13] [14]
Во всем мире был издан ряд законов и правил, которые либо поддерживают, либо предписывают внедрение CCS. В США Закон об инвестициях в инфраструктуру и рабочих местах 2021 года обеспечивает поддержку различных проектов CCS, а Закон о снижении инфляции 2022 года обновляет закон о налоговых льготах, чтобы поощрять использование CCS. [15] [16] Другие страны также разрабатывают программы поддержки технологий CCS, включая Канаду, Данию, Китай и Великобританию. [17] [18]
МГЭИК определяет УХУ как:
«Процесс, в котором относительно чистый поток диоксида углерода (CO 2 ) из промышленных и энергетических источников отделяется (улавливается), кондиционируется, сжимается и транспортируется в место хранения для долгосрочной изоляции от атмосферы». [19] : 2221
Термины «улавливание и хранение углерода» (CCS) и «улавливание, использование и хранение углерода » (CCUS) тесно связаны и используются взаимозаменяемо. [20] Оба термина используются преимущественно для обозначения процесса, в котором захваченный CO2 закачивается в частично истощенные нефтяные пласты с целью извлечения большего количества нефти. [20] Это и «утилизация», и «хранение», поскольку CO2 , оставшийся под землей, должен удерживаться неограниченное время. До 2013 года этот процесс в основном назывался CCS ; с тех пор более ценно звучащее CCUS приобрело популярность. [20]
Около 1% захваченного CO 2 используется в качестве сырья для производства таких продуктов, как удобрения, синтетическое топливо и пластик. [21] Эти виды использования являются формами улавливания и утилизации углерода . [22] В некоторых случаях продукт долгосрочно сохраняет углерод из CO 2 и, таким образом, также считается формой CCS. Чтобы квалифицироваться как CCS, хранение углерода должно быть долгосрочным, поэтому использование CO 2 для производства удобрений, топлива или химикатов не является CCS, поскольку эти вещества выделяют CO 2 при сжигании или потреблении. [22]
Некоторые источники используют термин CCS, CCU или CCUS в более широком смысле, охватывая такие методы, как прямой захват воздуха или посадка деревьев, которые удаляют CO2 из воздуха. [23] [24] [25] В этой статье термины используются в соответствии с определением МГЭИК, которое требует улавливания CO2 из точечных источников, таких как дымовые газы электростанций.
В газовой промышленности технология удаления CO2 из сырого природного газа используется с 1930 года. [28] Эта обработка необходима для подготовки природного газа к коммерческой продаже и распределению. [29] : 25 Обычно после удаления CO2 он выбрасывается в атмосферу. [29] : 25 В 1972 году американские нефтяные компании обнаружили, что большие объемы CO2 можно выгодно использовать для повышения нефтеотдачи пластов (ПНП). [30] Впоследствии газовые компании в Техасе начали улавливать CO2 , который производился на их перерабатывающих заводах, и продавать его местным производителям нефти для повышения нефтеотдачи пластов. [29] : 25
Использование CCS в качестве средства сокращения антропогенных выбросов CO 2 появилось совсем недавно. В 1977 году итальянский физик Чезаре Маркетти предположил, что технология CCS может быть использована для сокращения выбросов угольных электростанций и нефтеперерабатывающих заводов. [31] [32] Первый крупномасштабный проект по улавливанию и закачке CO 2 с выделенным хранилищем и мониторингом CO 2 был запущен на морском газовом месторождении Слейпнер в Норвегии в 1996 году. [29] : 25
В 2005 году МГЭИК опубликовала отчет, в котором освещалась проблема CCS, что привело к увеличению государственной поддержки CCS в нескольких странах. [33] Правительства потратили около 30 миллиардов долларов США на субсидии на CCS и водород на основе ископаемого топлива. [34] Во всем мире было предложено запустить 149 проектов к 2020 году, направленных на хранение 130 миллионов тонн CO2 в год. Из них около 70% не были реализованы. [2] В 2020 году Международное энергетическое агентство заявило: «История CCUS в значительной степени была историей неоправданных ожиданий: ее потенциал смягчения изменения климата был признан на протяжении десятилетий, но развертывание было медленным и поэтому оказало лишь ограниченное влияние на глобальные выбросы CO2». [29] : 18
По состоянию на 2023 год функционируют 40 коммерческих установок CCS. [35] Пятнадцать из этих действующих проектов посвящены отделению природного CO2 от сырого природного газа. Семь проектов предназначены для производства водорода, аммиака или удобрений, шесть — для химического производства, три — для производства электроэнергии и тепла и два — для переработки нефти. CCS также используется на одном металлургическом заводе. [35] Четырнадцать проектов находятся в Соединенных Штатах, одиннадцать — в Китае, семь — в Канаде и два — в Норвегии. По одному проекту есть в Австралии, Бразилии, Катаре, Саудовской Аравии и Объединенных Арабских Эмиратах. [35] В Северной Америке имеется более 8000 км трубопроводов CO2 , а в Европе и на Ближнем Востоке есть две системы трубопроводов CO2 . [9] : 103–104
Установки CCS улавливают углекислый газ до того, как он попадет в атмосферу. Обычно для отделения CO2 от других компонентов потока выхлопных газов завода используется химический растворитель или пористый твердый материал. [36] Чаще всего дымовой газ проходит через аминовый растворитель , который связывает молекулу CO2. Этот богатый CO2 растворитель нагревается в регенерационной установке для высвобождения CO2 из растворителя. Очищенный поток CO2 сжимается и транспортируется для хранения или конечного использования, а высвобожденные растворители перерабатываются для повторного улавливания CO2 из дымового газа. [37]
После того , как CO2 был захвачен, он обычно сжимается в сверхкритическую жидкость . Трубопроводы являются самым дешевым способом транспортировки CO2 в больших количествах на суше и, в зависимости от расстояния и объемов, в море. [9] : 103–104 Исследовалась транспортировка на судне. CO2 также можно перевозить на грузовиках или по железной дороге, хотя и с более высокой стоимостью за тонну CO2 . [ 9] : 103–104
Используются самые разные методы разделения, включая разделение газовой фазы, абсорбцию в жидкость и адсорбцию на твердом теле, а также гибридные процессы, такие как адсорбционно-мембранные системы. [38] Существует три способа, с помощью которых можно осуществить этот захват: захват после сжигания, захват до сжигания и кислородное сжигание: [39]
Абсорбция или очистка углерода аминами является доминирующей технологией захвата. Это единственная технология захвата углерода, которая до сих пор использовалась в промышленности. [46] Другие технологии, предложенные для захвата углерода, включают мембранное разделение газа , химическое петлевое сжигание , кальциевое петлевое сжигание и использование металлоорганических структур : [47] [48] [49]
Примеси в потоках CO 2 , такие как сера и вода, могут оказывать значительное влияние на их фазовое поведение и могут вызывать повышенную коррозию трубопроводов и скважин. В случаях, когда присутствуют примеси CO 2 , необходим процесс скрубберного разделения для первоначальной очистки дымового газа . [50]
Хранение CO 2 включает в себя закачку захваченного CO 2 в глубокий подземный геологический резервуар пористой породы, перекрытый непроницаемым слоем пород, который герметизирует резервуар и предотвращает восходящее перемещение CO 2 и утечку в атмосферу. [51] : 112 Газ обычно сначала сжимается в сверхкритическую жидкость . Когда сжатый CO 2 закачивается в резервуар, он протекает через него, заполняя поровое пространство. Резервуар должен находиться на глубине более 800 метров, чтобы удерживать CO 2 в плотном жидком состоянии. [51] : 112
По состоянию на 2024 год около 80% ежегодно улавливаемого CO 2 используется для повышения нефтеотдачи (EOR). [2] В EOR CO 2 закачивается в частично истощенные нефтяные месторождения для повышения добычи. Это увеличивает общее пластовое давление и улучшает подвижность нефти, что приводит к более высокому притоку нефти к эксплуатационным скважинам. [52] : 117
Около 20% захваченного CO 2 закачивается в специальное геологическое хранилище, [2] обычно в глубокие соленые водоносные горизонты . Это слои пористых и проницаемых пород, насыщенных соленой водой. [53] : 112 Во всем мире соляные формации имеют более высокую потенциальную емкость хранения, чем истощенные нефтяные скважины. [54] Специальное геологическое хранилище, как правило, менее затратно, чем EOR, поскольку оно не требует высокого уровня чистоты CO 2 и поскольку подходящих мест больше, что означает, что трубопроводы могут быть короче. [55]
Различные другие типы резервуаров для хранения захваченного CO 2 исследуются или пилотируются по состоянию на 2021 год: CO 2 может быть закачан в угольные пласты для повышения извлечения метана из угольных пластов . [56] Карбонизация минералов ex-situ включает реакцию CO 2 с хвостами шахт или щелочными промышленными отходами для образования стабильных минералов, таких как карбонат кальция . [57] Карбонизация минералов in-situ включает закачку CO 2 и воды в подземные формации, которые богаты высокореакционноспособными породами, такими как базальт . Там CO 2 может реагировать с породой для образования стабильных карбонатных минералов относительно быстро. [57] [58] После завершения процесса карбонизации минералов риск утечки CO 2 отсутствует . [59]
Глобальная емкость для подземного хранения CO2 потенциально очень велика и вряд ли станет ограничением для развития CCS. [8] : 112–115 Общая емкость хранения оценивается в пределах от 8000 до 55000 гигатонн. [8] : 112–115 Однако меньшая часть, скорее всего, окажется технически или коммерчески осуществимой. [8] : 112–115 Оценки глобальной емкости неопределенны, особенно для соленых водоносных горизонтов, где все еще требуется больше характеристик участка и разведки. [8] : 112–115
При геологическом хранении CO2 удерживается в резервуаре посредством нескольких механизмов улавливания : структурное улавливание покрышкой, улавливание растворимости в воде порового пространства, остаточное улавливание в отдельных или групповых порах и улавливание минералами путем реакции с породами резервуара с образованием карбонатных минералов. [51] : 112 Улавливание минералами прогрессирует с течением времени, но происходит чрезвычайно медленно. [60] : 26
После инъекции шлейф CO 2 имеет тенденцию подниматься, поскольку он менее плотный, чем его окружение. Как только он сталкивается с покрывающей породой, он будет распространяться вбок, пока не встретит щель. Если вблизи зоны инъекции есть плоскости разлома, CO 2 может мигрировать вдоль разлома на поверхность, просачиваясь в атмосферу, что может быть потенциально опасно для жизни в окружающей области. Если инъекция CO 2 создает слишком высокое давление под землей, пласт расколется, что может вызвать землетрясение. [61] Хотя исследования показывают, что землетрясения от инъекции CO 2 будут слишком малы, чтобы представлять опасность для имущества, они могут быть достаточно большими, чтобы вызвать утечку. [62]
По оценкам МГЭИК, в правильно выбранных и хорошо управляемых местах хранения, вероятно, что более 99% CO 2 останется на месте более 1000 лет, при этом «вероятно» означает вероятность от 66% до 90%. [4] : 14,12 Оценки долгосрочных показателей утечки основаны на сложных моделированиях, поскольку полевые данные ограничены. [63] Если будут поглощены очень большие объемы CO 2 , даже 1%-ный показатель утечки за 1000 лет может оказать значительное влияние на климат для будущих поколений. [64]
В целом, предприятия с CCS требуют на 15-25% больше энергии. [7] Энергия, потребляемая CCS, называется «энергетическим штрафом». Было подсчитано, что около 60% штрафа возникает из-за процесса улавливания, 30% приходится на сжатие извлеченного CO2 , а оставшиеся 10% — на насосы и вентиляторы. [66] Ожидается, что технология CCS будет использовать от 10 до 40 процентов энергии, вырабатываемой электростанцией. [67] [68] CCS увеличит потребность в топливе газового завода с CCS примерно на 15%. [69]
Для сверхкритических пылеугольных (PC) установок энергетические потребности CCS составляют от 24 до 40%, тогда как для систем комбинированного цикла газификации угля (IGCC) они составляют 14–25%. [70] Использование CCS для установок комбинированного цикла природного газа (NGCC) может снизить эксплуатационную эффективность с 11 до 22%. [70]
Поскольку установки с CCS требуют больше топлива для производства того же количества электроэнергии или тепла, использование CCS увеличивает «восходящие» экологические проблемы ископаемого топлива. Восходящие воздействия включают загрязнение, вызванное добычей угля, выбросы от топлива, используемого для транспортировки угля и газа, выбросы от сжигания газа в факелах и неорганизованные выбросы метана.
Поскольку для сжигания большего количества ископаемого топлива на объектах CCS требуется сжигать больше ископаемого топлива, это может привести к чистому увеличению выбросов загрязняющих веществ, не являющихся парниковыми газами, на этих объектах. Некоторые из этих загрязняющих веществ контролируются оборудованием для контроля загрязнения, [71] однако ни одно оборудование не может устранить все загрязняющие вещества. [72] Поскольку для улавливания CO2 во многих системах CCS используются жидкие растворы амина , эти типы химикатов также могут выбрасываться в качестве загрязнителей воздуха, если их не контролировать должным образом. Среди химикатов, вызывающих беспокойство, есть летучие нитрозамины , которые являются канцерогенными при вдыхании или попадании в воду. [73] [74]
Исследования, которые рассматривают как восходящее, так и нисходящее воздействие, показывают, что добавление CCS на электростанциях увеличивает общее негативное воздействие на здоровье человека. [75] Влияние на здоровье добавления CCS в промышленном секторе изучено меньше. [75] Влияние на здоровье значительно различается в зависимости от используемого топлива и технологии улавливания. [75]
CO 2 — это бесцветный и не имеющий запаха газ, который скапливается у земли, поскольку он тяжелее воздуха. У людей воздействие CO 2 в концентрациях более 5% вызывает развитие гиперкапнии и респираторного ацидоза . Концентрации более 10% могут вызвать судороги, кому и смерть. Уровни CO 2 более 30% действуют быстро, приводя к потере сознания за считанные секунды. [76]
Трубопроводы и хранилища могут быть источниками крупных аварийных выбросов CO2 , которые могут представлять опасность для местных сообществ. В отчете МГЭИК 2005 года говорится, что «существующие трубопроводы CO2, в основном в районах с низкой плотностью населения, сообщают о количестве аварий на километр трубопровода, очень низком и сопоставимом с таковым для углеводородных трубопроводов». [4] : 12 В отчете также говорится, что местные риски для здоровья и безопасности геологического хранения CO2 « сопоставимы» с рисками подземного хранения природного газа, если существуют хорошие процессы выбора места, регулирующий надзор, мониторинг и планы устранения последствий инцидентов. [4] : 12
Хотя это случается нечасто, несчастные случаи могут быть серьезными. В 2020 году трубопровод CO 2 прорвало из-за оползня недалеко от Сатартии, штат Миссисипи , в результате чего люди поблизости потеряли сознание. [77] 200 человек были эвакуированы, а 45 госпитализированы, а некоторые испытали более долгосрочные последствия для своего здоровья. [78] [79] Высокая концентрация CO 2 в воздухе также привела к остановке двигателей транспортных средств, что затруднило спасательные работы. [80]
Разрезанный 19-дюймовый участок трубопровода длиной 8 км может выпустить свои 1300 тонн примерно за 3–4 минуты. [81] На месте хранения нагнетательная труба может быть оснащена обратными клапанами для предотвращения неконтролируемого выброса из резервуара в случае повреждения трубопровода выше по течению. Трубопроводы могут быть оснащены дистанционно управляемыми клапанами, которые могут ограничивать количество выброса одной секцией трубы, однако операторы в Соединенных Штатах не были обязаны модернизировать старые трубы из-за пункта о неприменении, содержащегося в 49 USC § 60104(b), который запрещает Управлению по безопасности трубопроводов и опасных материалов (PHMSA) распространять правила на существующие объекты. [82] Управление по безопасности трубопроводов и опасных материалов США , агентство, отвечающее за безопасность трубопроводов, подвергалось критике за недостаточное финансирование и нехватку персонала. [82]
В Соединенных Штатах типы объектов, которые могут быть модернизированы с помощью CCS, часто располагаются в сообществах, которые уже понесли негативные экологические и медицинские последствия проживания вблизи энергетических или промышленных объектов. [72] Эти объекты непропорционально расположены в бедных и/или меньшинственных сообществах. [83] Хотя есть доказательства того, что CCS может помочь сократить загрязняющие вещества, не являющиеся CO2, наряду с улавливанием CO2, многие группы по защите окружающей среды обеспокоены тем, что CCS будет использоваться как способ продления срока службы объекта и продолжения локального вреда, который он наносит. [72] Во многих случаях общественные организации и другие сторонники предпочли бы, чтобы объект был закрыт, а инвестиции вместо этого были сосредоточены на более чистых производственных процессах, таких как возобновляемые источники энергии в секторе энергетики. [72]
Стоимость проекта, низкий уровень технологической готовности в технологиях улавливания и отсутствие источников дохода являются основными причинами остановки проектов CCS. [2] Проект коммерческого масштаба обычно требует первоначальных капиталовложений в размере до нескольких миллиардов долларов. [6] Энергия, необходимая для CCS, а также затраты на хранение и другие системные расходы, по оценкам, увеличивают стоимость энергии от электростанции, оборудованной CCS, на 30–60%. [ необходима цитата ] Стоимость может сильно различаться в зависимости от источника CO2, от 15–25 долларов США за тонну CO2 для промышленных процессов, производящих высококонцентрированные потоки CO2 (таких как производство этанола или переработка природного газа), до 40–120 долларов США за тонну CO2 для процессов с разбавленными газовыми потоками, таких как производство цемента и выработка электроэнергии. [84] В Соединенных Штатах стоимость транспортировки по наземному трубопроводу составляет 2–14 долларов США за тонну CO2, и более половины мощностей для хранения на суше оцениваются ниже 10 долларов США за тонну CO2. [84]
Почти все проекты CCS, действующие сегодня, получили финансовую поддержку правительства, в основном в форме капитальных грантов и — в меньшей степени — эксплуатационных субсидий. Грантовое финансирование сыграло особенно важную роль в проектах, запущенных в эксплуатацию с 2010 года, при этом 8 из 15 проектов получили гранты в размере от около 55 миллионов долларов США (60 миллионов австралийских долларов) в случае Gorgon в Австралии до 840 миллионов долларов США (865 миллионов канадских долларов) для Quest в Канаде. [8] : 156–160 Явная цена или налог на углерод поддержали инвестиции в CCS только в двух случаях на сегодняшний день: проекты Sleipner и Snøhvit в Норвегии, которые подлежали налогу на CO2 при добыче нефти и газа на шельфе, введенному в 1991 году. [8] : 156–160
Испытания CCS для угольных электростанций в начале 21-го века были экономически невыгодны в большинстве стран, [85] [86] отчасти потому, что доходы от повышения нефтеотдачи резко упали из-за обвала цен на нефть в 2020 году, [87] и падения стоимости альтернативной генерации электроэнергии, такой как солнечная и ветровая . [88]
По сравнению с другими вариантами сокращения выбросов, CCS очень дорог. Например, удаление CO 2 из дымового газа электростанций, работающих на ископаемом топливе, увеличивает затраты на 50–200 долларов США за тонну удаленного CO 2. [89] : 38 Существует много способов сокращения выбросов, которые обходятся менее чем в 20 долларов США за тонну предотвращенных выбросов CO 2. [90] Варианты сокращения выбросов, которые имеют гораздо больший потенциал для сокращения выбросов при меньших затратах, включают общественный транспорт , электромобили и различные другие меры по повышению энергоэффективности. [89] : 38 Ветровая и солнечная энергия часто являются самыми дешевыми способами производства электроэнергии, даже по сравнению с электростанциями, которые не используют CCS. [89] : 38 Поскольку CCS всегда добавляет затраты, электростанциям, работающим на ископаемом топливе, с CCS трудно конкурировать с возобновляемой энергией в сочетании с хранением энергии, особенно с учетом того, что стоимость возобновляемой энергии и батарей продолжает снижаться.
В 2022 году МГЭИК заявила, что «внедрение CCS в настоящее время сталкивается с технологическими, экономическими, институциональными, эколого-экологическими и социально-культурными барьерами». [91] : 28 Для достижения целей, установленных в Парижском соглашении , CCS должно сопровождаться резким снижением производства и использования ископаемого топлива. [72] Поскольку CCS может использоваться только с крупными стационарными источниками выбросов, оно не может сократить выбросы от сжигания ископаемого топлива в транспортных средствах и домах. МЭА описывает чрезмерные ожидания и зависимость от CCS и прямого улавливания воздуха как «распространенное заблуждение». По оценкам, если бы потребление нефти и природного газа развивалось так, как прогнозируется в рамках сегодняшних политических установок, ограничение повышения температуры до 1,5 °C привело бы к улавливанию 32 миллиардов тонн углерода к 2050 году и ежегодно обходилось бы более чем в 3,5 триллиона долларов США. [92]
В литературе по смягчению последствий изменения климата CCS описывается как играющая небольшую, но важную роль в сокращении выбросов парниковых газов. [72] [91] : 28 Выбросы относительно сложно или дорого сократить без CCS в следующих нишах: [9] : 13–14
При использовании CCS для выработки электроэнергии большинство исследований предполагают, что улавливается 85–90 % CO 2 в дымовом газе. [96] Однако представители отрасли говорят, что фактические показатели улавливания ближе к 75 %, и лоббируют принятие правительственными программами этой более низкой цели. [97] Помимо показателя улавливания, потенциал проекта CCS по сокращению выбросов зависит от количества дополнительной энергии, необходимой для питания процессов CCS, источника дополнительной используемой энергии и показателей утечки. Энергия, необходимая для CCS, обычно поступает из ископаемого топлива, добыча, переработка и транспортировка которого приводят к выбросам. Некоторые исследования показывают, что при определенных обстоятельствах общее сокращение выбросов от CCS может быть очень низким или что добавление CCS может даже увеличить выбросы по сравнению с отсутствием улавливания. [98] [99] Например, одно исследование показало, что при модернизации угольной электростанции Petra Nova с использованием CCS фактический показатель сокращения выбросов был настолько низким, что в среднем составлял всего 10,8 % за 20-летний период. [100]
Многие внедрения CCS не секвестрировали углерод на проектной мощности по коммерческим или техническим причинам. Например, на газоперерабатывающем заводе Shute Creek около половины уловленного CO2 было продано для повышения нефтеотдачи , а другая половина была сброшена в атмосферу, поскольку ее нельзя было выгодно продать. [101] : 19 На электростанции Boundary Dam в Канаде уровень улавливания составлял 90%, когда система улавливания работала, но из-за технических проблем она работала только 40% времени в первый год. [102] Анализ 13 крупных проектов CCS, проведенный в 2022 году, показал, что большинство из них секвестрировали гораздо меньше CO2, чем изначально ожидалось. [10] [101]
Кроме того, существуют разногласия относительно того, полезно ли для климата улавливание углерода с последующим применением метода EOR. Когда нефть, добытая с применением метода EOR, впоследствии сжигается, выделяется CO 2. Если эти выбросы включены в расчеты, улавливание углерода с применением метода EOR обычно приводит к увеличению общих выбросов по сравнению с полным отсутствием улавливания углерода. [103] Если выбросы от сжигания добытой нефти исключены из расчетов, улавливание углерода с применением метода EOR приводит к снижению выбросов. В аргументах в пользу исключения этих выбросов предполагается, что нефть, добытая с применением метода EOR, вытесняет нефть, добытую традиционным способом, а не увеличивает мировое потребление нефти. [103] Обзор 2020 года показал, что научные статьи примерно поровну разделились по вопросу о том, увеличило или уменьшило ли улавливание углерода с применением метода EOR выбросы. [103]
По состоянию на 2023 год CCS улавливает около 0,1% мировых выбросов — около 45 миллионов тонн CO2 . [ 72] Климатические модели МГЭИК и МЭА показывают, что к 2030 году будет улавливаться около 1 миллиарда тонн CO2 , а к 2050 году — несколько миллиардов тонн. [72] Технологии CCS в приоритетных нишах, таких как производство цемента, все еще незрелые. МЭА отмечает «разрыв между уровнем зрелости отдельных технологий улавливания CO2 и областями, в которых они больше всего нужны». [9] : 92
Внедрение CCS требует длительного времени утверждения и строительства, а общий темп внедрения исторически был медленным. [104] Некоторые наблюдатели, такие как МЭА, призывают к усилению приверженности CCS для достижения целей. [104] : 16 Другие наблюдатели рассматривают медленные темпы внедрения как признак того, что эта технология вряд ли будет успешной, и призывают перенаправить усилия на другие инструменты смягчения последствий, такие как возобновляемые источники энергии. [105]
CCS обсуждался политическими деятелями по крайней мере с начала переговоров по РКИК ООН [106] в начале 1990-х годов и остается очень спорным вопросом. [107] Его эффективность в сокращении выбросов была оспорена, особенно при рассмотрении выбросов углерода в течение жизненного цикла, необходимых для создания систем CCS. [107] Оппоненты утверждали, что CCS может узаконить дальнейшее использование ископаемого топлива , а также избежать обязательств по сокращению выбросов. [ необходима цитата ]
Компании, работающие на ископаемом топливе, активно продвигают CCS, представляя ее как область инноваций и экономической эффективности. [12] Публичные заявления компаний, работающих на ископаемом топливе, и электроэнергетических компаний, работающих на ископаемом топливе, требуют «признания» того, что использование ископаемого топлива в будущем увеличится, и предполагают, что CCS позволит продлить эру ископаемого топлива. [12] Их заявления обычно позиционируют CCS как необходимый способ борьбы с изменением климата, не упоминая при этом варианты сокращения использования ископаемого топлива. [12]
Экологические НПО не имеют широкого согласия относительно CCS как потенциального инструмента смягчения последствий изменения климата. Главное разногласие среди НПО заключается в том, сократит ли CCS выбросы CO 2 или просто увековечит использование ископаемого топлива. [108] [ требуется лучший источник ]
Например, Greenpeace категорически против CCS. По мнению организации, использование этой технологии сохранит зависимость мира от ископаемого топлива. [109] [ требуется лучший источник ]
С другой стороны, BECCS используется в некоторых сценариях МГЭИК для достижения целей по смягчению последствий. [110] Приняв аргумент МГЭИК о том, что выбросы CO2 необходимо сократить к 2050 году, чтобы избежать драматических последствий, Bellona Foundation оправдала CCS как меру по смягчению последствий. [109] Они заявили, что ископаемое топливо неизбежно в ближайшей перспективе, и, следовательно, CCS является самым быстрым способом сокращения выбросов CO2 . [ 111]
Некоторые экологические группы выразили обеспокоенность по поводу утечки, учитывая длительное время хранения, необходимое для сравнения CCS с хранением радиоактивных отходов на атомных электростанциях . [112]
Некоторые активисты и политики-экологи критиковали CCS как ложное решение климатического кризиса. Они ссылаются на роль ископаемой топливной промышленности в происхождении технологии и в лоббировании законодательства, ориентированного на CCS.
В публикации 2011 года было высказано предположение, что люди, которые уже пострадали от изменения климата, например, от засухи, как правило, более благосклонно относятся к CCS. [113] По состоянию на 2014 год многочисленные исследования показали, что восприятие риска и выгоды является наиболее важным компонентом общественного принятия. [114]
Сообщества, выбранные для размещения проектов CCS, могут соответствовать геологическим и техническим критериям размещения; однако нетехнические социальные характеристики являются одинаково важными факторами успеха отдельного проекта и глобального развертывания этой технологии. Неспособность обеспечить осмысленное взаимодействие с местными сообществами может вызвать сопротивление проектам CCS и вызвать чувство недоверия и несправедливости со стороны разработчиков проектов и поддерживающих государственных структур. [115]
В 2021 году было высказано предположение, что восприятие риска в основном было связано с опасениями по поводу вопросов безопасности с точки зрения опасностей от его операций и возможности утечки CO2 , которая может поставить под угрозу сообщества, товары и окружающую среду в непосредственной близости от инфраструктуры. [111] Другие воспринимаемые риски связаны с туризмом и стоимостью недвижимости. [114] По состоянию на 2011 год общественное восприятие CCS появилось среди других спорных технологий для борьбы с изменением климата, таких как ядерная энергетика, ветроэнергетика и геоинженерия [116]
На местном уровне сообщества чувствительны к экономическим факторам, включая создание рабочих мест, туризм или связанные с этим инвестиции. [114] Опыт — еще одна важная характеристика: люди, уже вовлеченные или привыкшие к промышленности, скорее всего, примут технологию. Точно так же сообщества, на которых негативное влияние оказала какая-либо промышленная деятельность, также менее поддерживают CCS. [114] Восприятие CCS имеет сильный географический компонент. Общественное восприятие может зависеть от доступной информации о пилотных проектах, доверия к государственным структурам и вовлеченным разработчикам, а также осведомленности об успехах и неудачах проектов CCS как на местном, так и на глобальном уровне. Эти соображения различаются в зависимости от страны и сообщества. [117]
Если рассматривать только техническую осуществимость, страны, не имеющие известных жизнеспособных мест хранения, могут отклонить CCS как вариант в национальных стратегиях сокращения выбросов. Напротив, страны с несколькими или большим количеством жизнеспособных мест хранения могут рассматривать CCS как необходимый для сокращения выбросов. [118]
Немногие члены общественности знают о CCS. Это может привести к заблуждениям, которые приведут к меньшему одобрению. Нет убедительных доказательств связи между знанием CCS и общественным признанием, но одно экспериментальное исследование среди швейцарцев в 2011 году показало, что сообщение информации о мониторинге, как правило, оказывает негативное влияние на отношение. [119] И наоборот, одобрение, по-видимому, усиливается, когда CCS сравнивают с природными явлениями. [114]
С тем, как общественное восприятие влияет на успех или неудачу проекта CCS, связано рассмотрение того, как процессы принятия решений реализуются справедливо и осмысленно для «затронутых сообществ» на всех этапах проекта. Участие общественности само по себе не охватывает все аспекты процессуальной справедливости, необходимые для того, чтобы проекты CCS получили «социальную лицензию» на работу. [120]
Из-за отсутствия знаний люди полагаются на организации, которым доверяют. [ требуется ссылка ] В целом, неправительственные организации и исследователи пользуются большим доверием, чем заинтересованные стороны и правительства. По состоянию на 2009 год мнения среди НПО были неоднозначными. [121] [122] Более того, связь между доверием и принятием была в лучшем случае косвенной. Вместо этого доверие влияло на восприятие рисков и выгод. [114]
CCS поддерживается мировоззрением Shallow ecology [123] , которое продвигает поиск решений последствий изменения климата вместо/в дополнение к устранению причин. Это подразумевает использование передовых технологий, и принятие CCS распространено среди техно-оптимистов .
CCS — это решение «на конце трубы» [114], которое снижает уровень CO2 в атмосфере , что может использоваться наряду с минимизацией использования ископаемого топлива. [114] [123]
В США был издан ряд законов и правил, которые либо поддерживают, либо требуют использования технологий CCS. Закон об инвестициях в инфраструктуру и рабочих местах 2021 года выделяет более 3 миллиардов долларов на различные демонстрационные проекты CCS. Аналогичная сумма предоставляется региональным центрам CCS, которые сосредоточены на более широком улавливании, транспортировке и хранении или использовании уловленного CO2 . Сотни миллионов долларов ежегодно выделяются на гарантии по кредитам, поддерживающим инфраструктуру транспортировки CO2. [ 15] Закон о снижении инфляции 2022 года (IRA) обновляет закон о налоговых льготах, чтобы поощрять использование улавливания и хранения углерода. Налоговые льготы в соответствии с законом составляют 85 долларов за тонну за улавливание и хранение CO2 в соляных геологических формациях с промышленных и электростанций. Стимулы за улавливание и использование CO2 с этих установок составляют 60 долларов за тонну. Пороговые значения для общего количества CO2, которое необходимо уловить, также ниже, и поэтому больше предприятий смогут использовать кредиты. [16] В США, хотя федеральное правительство может полностью или частично финансировать пилотные проекты CCS, местные или общественные юрисдикции, скорее всего, будут управлять размещением и строительством проектов CCS. [124]
В сентябре 2020 года Министерство энергетики США выделило 72 миллиона долларов федерального финансирования на поддержку разработки и продвижения технологий улавливания углерода. [125]
В 2023 году Агентство по охране окружающей среды США выпустило правило, предлагающее, чтобы CCS было обязательным для достижения 90% сокращения выбросов для существующих угольных и газовых электростанций. Это правило вступит в силу в период с 2035 по 2040 год. [126] Для газовых электростанций правило потребует 90-процентного улавливания CO2 с использованием CCS к 2035 году или совместного сжигания 30% водорода с низким уровнем выбросов парниковых газов, начиная с 2032 года, и совместного сжигания 96% водорода с низким уровнем выбросов парниковых газов, начиная с 2038 года. В этом правиле Агентство по охране окружающей среды определило CCS как жизнеспособную технологию для контроля выбросов CO2. [126] Влияние на стоимость производства электроэнергии на угольных электростанциях было оценено в 12 долларов США/МВт·ч. [127]
В Норвегии CCS получил поддержку, поскольку позволил стране преследовать свои интересы в отношении нефтяной промышленности. Норвегия была пионером в области снижения выбросов и ввела налог на CO2 в 1991 году. [128]
Другие страны также разрабатывают программы поддержки технологий CCS. Канада установила налоговый кредит в размере 2,6 млрд канадских долларов для проектов CCS, а Саскачеван расширил свой 20-процентный налоговый кредит в рамках Программы инвестиций в нефтяную инфраструктуру провинции на трубопроводы, транспортирующие CO2. В Европе Дания недавно объявила о субсидиях на CCS в размере 5 млрд евро. Государственный совет Китая в настоящее время выпустил более 10 национальных политик и руководств, продвигающих CCS, включая План 14-го пятилетнего плана (2021–2025 гг.) по национальному экономическому и социальному развитию и Видение Китая 2035 года. [17] В Великобритании дорожная карта CCUS излагает совместные обязательства правительства и промышленности по развертыванию CCUS и излагает подход к созданию четырех низкоуглеродных промышленных кластеров CCUS, которые будут улавливать 20–30 МтCO2 в год к 2030 году. [18]
В то время как почти все использование CO2 направлено на повышение нефтеотдачи , CO2 может использоваться в качестве сырья для производства различных типов продуктов. По состоянию на 2022 год использование в продуктах потребляет около 1% CO2, улавливаемого каждый год. [129] По состоянию на 2023 год коммерчески целесообразно производить следующие продукты из улавливаемого CO2 : метанол , мочевина , поликарбонаты , полиолы , полиуретан и салициловая кислота . [130] В настоящее время метанол в основном используется для производства других химикатов с потенциалом для более широкого будущего использования в качестве топлива. [131] Мочевина используется в производстве удобрений. [132] : 55
Технологии секвестрации CO 2 в продуктах из минерального карбоната были продемонстрированы, но не готовы к коммерческому развертыванию по состоянию на 2023 год. [130] Продолжаются исследования процессов включения CO 2 в бетон или строительный заполнитель . Использование CO 2 в строительных материалах обещает быть развернутым в больших масштабах, [133] и является единственным прогнозируемым использованием CO 2 , которое является достаточно постоянным, чтобы квалифицироваться как хранение . [134] Другие потенциальные области применения захваченного CO 2 , которые изучаются, включают создание синтетического топлива , различных химикатов и пластика, а также выращивание водорослей . [130] Производство топлива и химикатов из CO 2 является очень энергоемким. [134]
Улавливание CO2 для использования в продуктах не обязательно снижает выбросы. [132] : 111 Климатические преимущества, связанные с использованием CO2, в первую очередь возникают из-за замены продуктов, которые имеют более высокие выбросы в течение жизненного цикла. : 111 Величина климатических преимуществ варьируется в зависимости от того, как долго продукт хранится до того, как он снова выделит CO2 , количества и источника энергии, используемой в производстве, будет ли продукт в противном случае производиться с использованием ископаемого топлива, и источника уловленного CO2. [132] : 111 Более значительное сокращение выбросов достигается, если CO2 улавливается из биоэнергии, а не из ископаемого топлива. [132] : 111
Потенциал использования CO 2 в продуктах невелик по сравнению с общим объемом CO 2 , который можно было бы предвидеть. Например, в сценарии Международного энергетического агентства (МЭА) по достижению нулевых чистых выбросов к 2050 году более 95% уловленного CO 2 геологически изолируется и менее 5% используется в продуктах. [134] По данным МЭА, продукты, созданные из уловленного CO 2, вероятно, будут стоить намного дороже, чем обычные и альтернативные низкоуглеродные продукты. [132] : 110
Прямое улавливание воздуха (DAC) — это использование химических или физических процессов для извлечения углекислого газа непосредственно из окружающего воздуха. [135] Если извлеченный CO2 затем изолируется в безопасном долгосрочном хранилище (так называемое прямое улавливание и секвестрация углерода в воздухе (DACCS)), то весь процесс обеспечит удаление углекислого газа и станет «технологией с отрицательными выбросами» (NET).
Углекислый газ (CO2 ) улавливается непосредственно из окружающего воздуха; это контрастирует с улавливанием и хранением углерода (CCS), которое улавливает CO2 из точечных источников , таких как цементный завод или биоэнергетическая установка. [136] После улавливания DAC генерирует концентрированный поток CO2 для секвестрации или использования . Удаление углекислого газа достигается, когда окружающий воздух вступает в контакт с химическими средами, как правило, водным щелочным растворителем [137] или сорбентами . [138] Эти химические среды впоследствии очищаются от CO2 посредством применения энергии (а именно тепла), в результате чего образуется поток CO2 , который может подвергаться дегидратации и сжатию, одновременно регенерируя химические среды для повторного использования.Противники CCS утверждают, что это отвлекает от необходимости инвестировать в возобновляемые источники энергии и продвигается отраслью ископаемого топлива, чтобы она могла продолжать бурение в поисках нефти и газа.
{{cite book}}
: |website=
проигнорировано ( помощь )