Промышленность
Стремление к балансу. Новые возможности и варианты развития низкоуглеродной экономики
Глобальное изменение климата и его связь с техногенными выбросами парниковых газов и в первую очередь углекислого газа стимулирует развитие технологий, направленных на достижение так называемой углеродной нейтральности. Под этим подразумевается баланс выброшенного в атмосферу в результате деятельности человечества углекислого газа (СО₂) и его поглощение природой.
Как можно добиться баланса?
Стремление к этому определено Парижским соглашением 2015 года. Европейский союз, который является мировым лидером в борьбе с глобальным потеплением, принял в 2020 году решение к 2050 году стать первым «климатически нейтральным» континентом, а к 2030 году сократить выбросы минимум до 55%.
Для достижения заявленных целей есть два пути: уменьшение выбросов СО₂ в атмосферу и поглощение СО₂ из атмосферы. Оба пути имеют по два варианта действий. В частности, уменьшение выбросов СО₂ в атмосферу возможно путём внедрения технологий, при которых этого не происходит в принципе, например при использовании возобновляемых источников энергии, таких как ветро- и гидроэлектростанции, солнечные станции.
Другой вариант — это поглощение выбросов СО₂ до того, как они поступят в атмосферу. Уловленный газ можно хранить (такой подход реализует, например, норвежский проект Northern Lights — сжиженный углекислый газ хранится в толще геологических пластов на шельфе) либо использовать, например, для создания нового углеводородного топлива.
В чём суть технологии?
Идея производства углеводородного топлива из углекислого газа, в том числе для двигателей внутреннего сгорания, весьма привлекательна. Она означает, что можно не торопиться пересаживаться на электромобили, к которым ещё довольно много претензий, и при этом соблюсти требования «углеродной нейтральности».
Алгоритм следующий. Промышленное предприятие или электростанция внедряют специальное оборудование, улавливающее углекислый газ. Параллельно ветровые и солнечные электростанции в пиковые моменты своей производительности, когда много «лишнего» электричества, производят водород из воды методом электролиза. Далее водород (Н₂) и углекислый газ (СО₂), соединяясь, производят метан (СН4) и побочный продукт — кислород О₂.
После этого метан может идти на производство метилового спирта, который во многих странах уже давно стал жидким топливом, или использоваться в чистом виде в газобаллонных автомобилях.
Как работает технология производства углеводородного топлива из углекислого газа (на примере Petronor)
Подобная система постоянно совершенствуется. Всего два года назад в итальянской Трое начала работать установка, которая может захватывать в год около 150 тонн СО₂. Рядом солнечные электростанции дают электричество, которое идёт на производство водорода. В результате можно получать искусственный метан и заправлять им машины. Установка Climeworks стоит весьма дорого: стоимость улавливания одной тонны СО₂ в 2018 году составляла от 600 до 800 долларов, но создатели надеются, что цена по мере развития водородной энергетики и роста числа потребителей будет снижаться.
В том же году аналогичный экспериментальный проект стартовал на электростанциях компании Tauron в Польше, которая по-прежнему базирует свою энергетику на угле и давно ищет способ компенсировать значительные выбросы СО₂ в атмосферу.
В июле 2019 года учёные Швейцарской высшей технической школы Цюриха разработали новый катализатор на основе оксида индия и палладия для превращения углекислого газа и водорода в метиловый спирт.
150 тонн СО₂
может захватывать в год установка в итальянской Трое
А в июне 2020 года испанская компания Repsol начала инновационный проект по строительству завода для промышленного производства синтетического топлива из углекислого газа, который будет улавливаться на нефтеперерабатывающем заводе Petronor, и водорода, который методом электролиза из воды будут получать с использованием 100-процентно возобновляемой электроэнергии, которую тоже производит Repsol. Но для применения этой технологии в промышленных масштабах нужно улавливать много СО₂ и производить много водорода. С этими процессами связаны основные сомнения в её целесообразности.
Есть основания предполагать, что эти интересные технологии не станут массовыми не из-за сложности внедрения, а по экономическим и природным причинам. В частности, специалисты Стэнфордского университета полагают, что сам процесс улавливания СО₂ может быть экологически неэффективным. Дело в том, что его организация требует энергии, которую придётся получать из обычных источников. По расчётам специалистов, в течение 20 лет реальный объём сокращения выбросов СО₂ для угольной станции составит около 11%, а из воздуха — 10,5%. По их расчётам, проще напрямую использовать энергию ветра для зарядки аккумуляторов тех же электромобилей.
Есть ли альтернативные подходы?
Если не фокусироваться на задаче использовать СО₂ как исходный материал для топлива, а просто выводить его из газооборота в атмосфере, то возможны и другие решения: в США разработана технология связывания углекислого газа с химическими веществами и превращения его в связанное вещество, удобное для захоронения даже открытым способом. С учётом того, что в Массачусетском технологическом институте разработаны фильтры на основе заряженных электрохимических пластин, которые могут захватывать углекислый газ в том числе в атмосферной концентрации и выдавать поток, на 100% состоящий из СО₂, открывается возможность очищения самой атмосферы. И всё же, говорят оппоненты, откуда брать энергию для извлечения СО₂ из атмосферы? На данный момент Россия находится на 5-м месте со своими 2 233 876 килотоннами СО₂ в год. Китай — лидер (13 067 691 кт), на 2-м месте — США (6 444 396 кт), замыкает тройку Евросоюз, его доля, приведённая к СО₂ (потому что есть разные парниковые газы), составляла в 2015 году 4 499 851 килотонну. Поэтому предлагается остановить беспощадную вырубку лесов на планете и, наоборот, начать глобальную программу их восстановления.
При этом приходится учитывать, что рост числа лесов не решит все проблемы. Например, в Евросоюзе леса покрывают около 43% его территории и при этом поглощают лишь около 11% выброшенных в ЕС парниковых газов. Считается необходимым увеличение площади лесов, в том числе за счёт быстрорастущих пород деревьев. Для сравнения, лесистость территории России лишь на несколько процентов больше, около 47%. Резервы увеличения площади лесов есть у США, стран Африки и Латинской Америки и, разумеется, у Азии, но без сокращения выбросов СО₂ всё равно не обойтись.
47 и 43%
площадь, покрытой лесами территории России и Евросоюза
Экономика или экология?
Оценивая перспективы развития тех или иных технологий, стоит учитывать не только их экономическую целесообразность, но и политические факторы, имея в виду принятый в Евросоюзе «зелёный курс», выход США из Парижского соглашения и, с другой стороны, ратификацию его Россией. Очень часто ставится вопрос: «экономический рост или „зелёная“ экономика?» — причём не только в развивающихся странах, но даже в самой Европе, особенно в восточной её части.
Скептики отмечают, например, что производство столь нужного для синтеза метана водорода методом электролиза не даст нужных объёмов. А ведь именно водород выбран основой новой «зелёной» энергетики как самый эффективный энергоноситель.
С другой стороны, уже существуют технологии, которые позволяют производить водород из природного метана, выделяя не СО₂, а чистый углерод, который легко складировать без ущерба для экологии и который очень может пригодиться грядущим поколениям. В Германии концерн BASF уже развивает метод пиролиза метана в промышленных масштабах.
Российский «Газпром», в свою очередь, активно сотрудничает с европейскими компаниями, предлагая развивать производство водорода, используя свои мощности. В перспективе Россия могла бы стать одним из крупнейших поставщиков водорода на европейский и азиатский рынки, используя свою трубопроводную систему, пользуясь тем, что производство водорода методом пиролиза гораздо менее энергозатратно, нежели электролитический метод. Изобилие водорода дало бы особый толчок российской промышленности, которая могла бы производить экспортные товары с особо низким «углеродным следом».
Резюмируя, можно предположить, что на данный момент открыто несколько путей развития новой, «низкоуглеродной», экономики, и при этом не один из них ещё не стал главенствующим.
Водород сейчас в мире рассматривается как один из ключевых элементов декарбонизации глобальной энергосистемы. И именно озабоченность климатической проблематикой делает его очень востребованным: все понимают, что быстро сократить эмиссию парниковых газов во многих секторах, напрямую использующих топливо, а не электроэнергию, без водорода будет сложно и дорого.
Наша страна обладает потенциальными конкурентными преимуществами в сфере поставок водорода: есть и обширные ресурсы для его производства (ископаемые топлива, электроэнергия от атомных электростанций (АЭС) и возобновляемых источников (ВИЭ), и возможности для его экспорта (существующая газотранспортная инфраструктура и отработанные маршруты экспорта сжиженного природного газа — СПГ).
Кроме того, в России водород исторически играет серьёзную роль в космической отрасли и для оборонных нужд, поэтому внутри страны имеются и собственные научные школы, и перспективные технологии в различных элементах цепочки создания стоимости (производство, транспорт, хранение, потребление водорода).
Однако будет ли реализован этот потенциал, остаётся пока большим вопросом, как и с ВИЭ, где Россия — номер один по потенциалу ветрогенерации, но далека от лидерства по реальной выработке «зелёной» электроэнергии.
Водородную энергетику стоит рассматривать исключительно как попытку создать костыль для возобновляемой генерации. Во всяком случае, если рассматривать тот вариант водородной энергетики, который предлагает Евросоюз. Одна из основных задач, которые необходимо решить ЕС в ближайшем будущем, — проблема диспетчеризации в условиях большой доли возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
ВИЭ не могут обеспечивать непрерывную выработку электроэнергии в необходимом объёме и в необходимое время. Поэтому ветровые и солнечные электростанции требуют постоянного наличия резервных мощностей традиционных электростанций. Соответственно, чем больше ВИЭ в вашем энергобалансе, тем больше нужно традиционного резерва. Но это плохо сочетается с постулатами «зелёной сделки». Одним из способов решить данную проблему рассматривалось создание крупных аккумуляторов. Опыты в этом направлении велись, но этот способ на данном этапе развития технологий оказался тупиковым.
На этом фоне водородная энергетика показалась изящным компромиссом между климатической нейтральностью и доступными технологиями. Так, Германия к 2030 году планирует тратить 20 ТВтч электроэнергии, полученной из ВИЭ, на производство 14 ТВтч «зелёного» (полученного электролизом воды) водорода. Иного смысла, кроме накопления энергии, у такой системы быть не может.
Кстати, в данный момент Германия потребляет ежегодно 55 ТВтч водорода, получаемого более рациональными методами (из метана). И в будущем эта страна намеревается компенсировать часть потребностей в водороде за счёт импорта. Я предполагаю, что в течение ближайшего десятилетия принятая в 2020 году водородная стратегия Евросоюза претерпит ряд существенных изменений. А сам водород займёт относительно небольшую нишу в европейском энергобалансе.