С развитием процесса углеродной нейтрализации, технологии уменьшения выбросов углерода, его захвата и хранения постоянно развиваются и улучшаются. Новые технологии экономии энергии, декарбонизация сырья, а также методы углеродного захвата в угольных электростанциях, производстве цемента, циклических электростанциях на природном газе, циклических электростанциях с угольным газификатором и энергетических установках на биомассе активно продвигаются в нашей стране. Тем не менее, наша технологическая платформа не обеспечена одним важным элементом - прямым захватом углекислого газа из воздуха. Технология прямого захвата углекислого газа из воздуха (DAC) является единственным средством, способным решить следующие три проблемы:

1.Разумные затраты

2.Масштабирование без ограничений

3.Возможность удаления CO2 в любой момент времени; Постоянное удаление CO2 из атмосферы.

Процесс прямого захвата углекислого газа из воздуха можно разделить на три этапа:

1)Воздух втягивается в коллектор через вентилятор, расположенный внутри него. Как только воздух втянут, он проходит через фильтр, расположенный внутри коллектора, и захватывает частицы диоксида углерода.

2)Когда фильтр полностью заполнен CO2, коллектор закрывается, и температура повышается примерно до 100°C, что примерно соответствует температуре, необходимой для заваривания чашки чая!

3)Пойманный CO2 смешивается с частью воды и направляется под землю, где он перманентно запечатывается в результате минерализации.

Кроме того, захваченный CO2 также может быть превращен в синтетический дизель или низкоуглеродное топливо, использоваться непосредственно для производства электроэнергии или поставляться к соседним тепличным или напитковым производствам.

Рисунок 1：Маршрут захвата, хранения и использования CO₂ от Carbon Engineering (CE)

Классификация технологий прямого захвата углекислого газа (DAC)

Прямой захват углекислого газа (DAC) классифицируется по типу абсорбента, используемого в процессе DAC, на жидкий и твердый.

Технологии жидкого DAC:

1)Раствор алкалинового гидроксида

Технология раствора алкалинового гидроксида включает два циклических реакции: в первом углекислый газ из атмосферы реагирует с раствором алкалинового гидроксида (гидроксид натрия NaOH или гидроксид калия KOH), образуя растворимые в воде карбонаты; во втором цикле алкалиновый гидроксид регенерируется через процесс кальцинирования, при котором карбонат кальция (CaCO3), полученный в результате кальцинирования, нагревается до температуры более 900°C для выделения углекислого газа.

2) Аминный раствор

Применение аминных растворов для поглощения CO2 после его сгорания имеет широкое применение. Сначала при комнатной температуре аминный раствор поглощает CO2 из дымовых газов, а затем при температуре около 120°C происходит регенерация аминного раствора через дистилляцию. Исследования показали, что алкиламин имеет высокую аффинность к CO2, что удовлетворяет требованиям прямого захвата CO2 из воздуха.

3) Раствор аминокислотных солей

В этом методе аминокислотные соли используются в качестве абсорбирующего раствора для превращения CO2 из атмосферы в кристаллы карбоната (PyBIGH2(CO3)(H2O)4). Растворимость таких кристаллов очень низкая, что позволяет фильтровать их из раствора. Процесс аминокислотных солей / BIGs DAC состоит из трех этапов: первый - реакция CO2 из воздуха с раствором аминокислотных солей, образуя соответствующие карбонаты гидроксида; второй - регенерация аминокислотных солей и получение кристаллов карбоната при взаимодействии с BIGs (бис-иминогуанидинами); третий - разложение карбонатных кристаллов при более низкой температуре (80~120°C) для регенерации BIGs и получения высокочистого CO2.

Рисунок 2：Схема процесса аминокислотных солей / BIGs DAC

4) Изменение щелочности и концентрации

Как показано на рисунке 3, в данном методе используется разбавленный щелочной водный раствор для поглощения CO2 из воздуха. При достижении равновесия между раствором и воздухом щелочность раствора повышается от начальной до равновесной, затем раствор сосредотачивается, что приводит к увеличению содержания растворенного в нем неорганического углерода и повышению щелочности до максимального уровня. Давление CO2 в растворе также увеличивается, и после снижения давления системы ниже давления пара CO2 CO2, поглощенный в растворе, удаляется и выбрасывается, затем концентрированный раствор разбавляется до восстановления начальной щелочности, после чего происходит повторное поглощение CO2 из воздуха и постоянный цикл описанных выше процессов.

Рисунок 3: Схема процесса DAC с изменением щелочности и концентрации

Технология твердого захвата углекислого газа (DAC):

1)Твердые алкали (щелочные) металлы

Существуют три типа твердых алкали (щелочные) металлы: чистые алкали (щелочные) металлы, несущие алкали (щелочные) металлы и твердые аминные адсорбенты. Возьмем в качестве примера чистый алкали (щелочный) металл CaO:

Процесс захвата CO2 включает два основных этапа: первый - реакция карбонатизации CaO с CO2 с образованием CaCO3; второй - кальцинирование CaCO3 с выделением CO2, и эти два этапа продолжаются в циклическом порядке. Оксиды или гидроксиды щелочных металлов также могут использоваться для захвата CO2 из воздуха, однако из-за низкой концентрации CO2 в воздухе необходимое количество энергии для прямого захвата CO2 из воздуха значительно выше, чем в дымовых газах.

Рисунок 4.:Схема экспериментального процесса DAC с использованием твердых щелочных металлов

2) Материалы MOFs

В последние годы MOFs стали одним из активных исследовательских направлений в области DAC. Мощность адсорбции CO2 может быть увеличена путем нагрузки аминами (раздел 3.2) на MOFs или изменения размеров пор и распределения активных участков. Исследователи, такие как Shekhah и др., изучали производительность прямой адсорбции CO2 из воздуха при помощи SIFSIX-3-Cu/Ni/Zn. Путем изменения типа металла и соответствующего порядка и размера ячейки они обнаружили, что при наличии центральных частиц цинка (Zn) размер пор наибольший, что соответствует количеству адсорбированного CO2 в 0,13 ммоль/г, а при наличии центральных частиц меди (Cu) размер пор наименьший и может адсорбировать 1,24 ммоль/г CO2.

3) Влажная адсорбция

Процесс влажной адсорбции DAC включает три шага: первый шаг - в сухой атмосфере, щелочные группы (OH- или CO32-) на поверхности адсорбента адсорбируют CO2 из воздуха; второй шаг - при более высокой влажности или высокой степени гидратации адсорбированный CO2 постепенно десорбируется из адсорбента; третий шаг - десорбированный CO2 после сжатия подлежит запечатыванию или использованию.

Компании, реализующие промышленное внедрение DAC

В настоящее время компании, такие как Climeworks из Швейцарии, CarbonEngineering из Канады и GlobalThermostat из США, на протяжении многих лет занимаются исследованиями в области технологии DAC и успешно реализуют несколько проектов по DAC.

l  Climeworks: Climeworks была основана в Швейцарии в 2009 году как филиал Эффа Цюрихского федерального технического университета. В 2014 году Climeworks совместно с Sunfire и Audi запустили первый опытный завод, который может захватывать и преобразовывать 80% CO2 из атмосферы в синтетический дизельное топливо. В 2017 году Climeworks AG успешно запустила первый в масштабах промышленного производства завод по прямому захвату CO2 из воздуха, ежегодно захватывающий 900 тонн CO2, которые направляются в смежные теплицы или промышленность напитков. Проект Orca Climeworks в Исландии является первым в мире DAC-проектом, начавшим работу в 2021 году и ежегодно захватывающий 4000 тонн CO2. В июне 2022 года Climeworks объявила о запуске второго DAC-проекта Mammoth, который ежегодно захватывает 36000 тонн CO2 и ожидается начало работы в 2024 году.

l  CarbonEngineering (CE): CE была основана профессором Дэвидом Китом из Гарвардского университета в Канаде в 2009 году. В 2017 году CE сотрудничала с исследователями Гарвардского университета и разработала промышленный метод производства, который позволяет захватывать CO2 непосредственно из атмосферы и использовать его для производства жидких топлив. В 2021 году CE создала центр исследований по углеродной инженерии и создала крупнейшее в мире исследовательское оборудование для DAC. Затем CE и OxyLowCarbonVentures запустили проект по захвату и хранению 1 млн тонн CO2 вблизи нефтяного месторождения OXY, а также сотрудничали с PaleBlueDotEnergy для развертывания коммерческого проекта DAC в Великобритании. В 2022 году CE и 1PointFive завершили проект по проектированию крупнейшего в мире коммерческого DAC-проекта с ежегодным захватом 500 тысяч тонн CO2 из атмосферы, а также способностью расшириться до 1 млн тонн в год. 1PointFive и CE объявили о планах завершить 70 подобных крупномасштабных DAC-объектов к 2035 году.

l  GlobalThermostat: GlobalThermostat была основана в США в 2010 году исследователями из Принстонского, Гарвардского, Колумбийского и Стэнфордского университетов, а также авторами Киотского протокола. В 2010 году был построен первый демонстрационный завод, а в 2013 году - первый коммерческий. В настоящее время GlobalThermostat сотрудничает с ExxonMobil для развития своей технологии захвата углерода и ее масштабирования. В апреле 2021 года GlobalThermostat и HIF подписали соглашение о поставке оборудования для DAC на опытном заводе HaruOnieFuels в Чили, где захваченный CO2 смешивается с водородом, полученным путем электролиза, для производства синтетического бензина. Цель проекта DAC этого завода составляет 2000 тонн CO2 в год.

Таблица 1：Существующие в мире заводы DAC

в Китае планируется и работает почти сотня демонстрационных проектов по захвату, использованию и хранению углерода, охватывающих несколько отраслей, таких как электроэнергетика, нефть и газ, химическая промышленность, цемент, сталь и другие. Более половины этих проектов построены и введены в эксплуатацию, обеспечивая захват углекислого газа более чем в 4 миллиона тонн в год. Начало исследований по технологии DAC в Китае относительно позднее, пока еще нет промышленного образца DAC. Компания Huаnеng Group предложила построить первый в Китае промышленный образец DAC к 2024 году, чтобы заполнить пробел в области демонстрации DAC-проектов в стране. Университет Чжэцзян разработал маленький демонстрационный образец DAC с использованием процесса переменной влажности регенерации на 30 кг/сут, захваченный CO2 из которого может использоваться для поддержки агротеплиц.

Но насколько велик потенциал развития технологии DAC? Следующий график показывает кривые предельных затрат для различных маршрутов захвата углерода:

рафик 5. Кривые предельных затрат для различных маршрутов захвата углерода

Источник данных: Goldman Sachs Global Investment research.

Как видно из графика, потенциал увеличения производства технологии DAC практически неограничен, и при достижении объема 29 млрд тонн СО2 предельные затраты снижаются, что подчеркивает коммерческий потенциал.

Международное развитие технологии прямого захвата углекислого газа (DAC)

Для противодействия глобальному потеплению Министерство энергетики США выделяет $1.2 миллиарда на субсидирование двух проектов по прямому захвату углекислого газа (DAC), как было объявлено 11 августа. Эти два проекта расположены в Техасе и Луизиане. По оценкам Министерства энергетики США, после завершения проектов ежегодно из атмосферы будет удалено более 2 миллионов тонн углекислого газа, что эквивалентно сокращению выбросов около 445 тысяч автомобилей с двигателями внутреннего сгорания в год, а также будет создано 4800 рабочих мест в двух регионах.

Согласно "Инфраструктурному закону двух партий США", в ближайшие десять лет США планируют создать четыре центра по DAC. Федеральное правительство предоставит субсидии в размере $3.5 миллиарда для поддержки этой инициативы, включая упомянутую сумму в $1.2 миллиарда. Министерство энергетики США отмечает, что после масштабного внедрения DAC сможет помочь США достичь своей цели нейтрализации выбросов парниковых газов к 2050 году.

В "Четвертом национальном отчете о климатических изменениях в Китае", опубликованном в 2022 году, четко указывается, что технологии CCUS включают в себя методы негативного выброса углерода, такие как BECCS (захват и хранение углерода из биомассы) и DAC. Тот же отчет отмечает, что Национальная развития и реформ Комиссия и Национальное энергетическое управление Китая в своем документе "О совершенствовании механизма и политики для перехода к зеленой и низкоуглеродной энергетике" четко заявили о том, что Китай поддерживает развитие низкоуглеродных технологий, включая захват углерода. Как отмечается в документе, захват углерода считается важным столпом для достижения климатических целей Китая. Можно сказать, что технология DAC имеет стратегическое значение для достижения Китаем целей по нейтрализации углерода.

Кроме того, инвестиции от крупных игроков в индустрии в DAC также стремительно растут. Множество компаний, таких как Alphabet, Shopify, meta, Stripe, Microsoft и H&M Group, уже вложили средства и обещают совместно приобрести технологии "постоянного удаления углерода" на сумму близкую к $1 миллиарду в период с 2022 по 2030 годы. В мае этого года J.P. Morgan и швейцарский пионер DAC Climeworks заключили соглашение о долгосрочном сотрудничестве по удалению углерода стоимостью $20 миллионов.

Технология DAC является неотъемлемой частью комплексных решений по нейтрализации углерода, но ее стоимость по-прежнему является слабым местом коммерческой целесообразности. Однако у DAC есть значительный потенциал применения в различных отраслях, таких как промышленность нефти и газа, производство синтетического топлива, пластмасс, метанола, бетона и т.д. В Китае технология DAC только начинает развиваться, и компания DODGEN также участвует в этом процессе, находясь на стадии исследований и разработок технологии. Мы приглашаем еще больше партнеров присоединиться к нам для совместного продвижения этой области быстрого развития.