Если автомобиль потребляет 8 л бензина на 100 км, то, чтобы проехать 16 тыс. км, приходится покупать 1280 л, т.е. 1 т бензина. При его сгорании выделяется примерно 3 т углекислого газа, уходящего через выхлопную трубу. Улавливать CO2 до того, как он покинет машину, и возвращать на автозаправочную станцию практически невозможно. Гораздо легче представить себе улавливание CO2, вырабатываемого стационарной электростанцией, на которой сжигается уголь.

Неудивительно, что сегодня улавливать и захоронять углекислый газ пытаются на электростанциях, являющихся источником одной четверти всемирных выбросов двуокиси углерода. Большая электростанция мощностью 1 тыс. МВт, работающая на угле, производит 6 млн. т газа ежегодно (эквивалент выхлопа 2 млн. автомобилей). Общее всемирное производство CO2 (эквивалент работы 1 тыс. больших электростанций) в последующие десятилетия удвоится, т.к. США, Китай, Индия и другие страны строят новые электростанции (см. ниже). Поскольку в ближайшие 25 лет появятся новые работающие на угле предприятия, их лучше спроектировать таким образом, чтобы углекислый газ сразу отфильтровывался. Сегодня энергетические компании могут выбрать один из двух типов систем выработки энергии. Системы третьего типа находятся в стадии разработки. Традиционные угольные паровые электростанции полностью сжигают уголь в воздухе за один этап: выделяющееся тепло превращает воду в пар высокого давления, который вращает паровую турбину с генератором, вырабатывающим электричество. В исходной версии системы (рабочей лошадке угольных электростанций прошлого столетия) смесь отходящих газов после удаления из нее серы выходит при атмосферном давлении через высокую трубу. 15% выбрасываемого газа составляет углекислый газ, все остальное - азот и водяной пар. Чтобы приспособить технологию к отделению CO2, можно заменить дымовую трубу поглотительной башней, в которой отходящие газы вступают в контакт с капельками химикалий (аминов), выборочно поглощающих двуокись углерода. Во второй реакционной колонне (в башне десорбции) жидкость, содержащая амины, нагревается, освобождает концентрированный CO2 и восстанавливает химический поглотитель.

Другая "угольная" система получения энергии известна как комбинированный цикл газификации угля. В нем уголь сначала частично сжигают в камере газификации в присутствии кислорода для того, чтобы получить синтез-газ, состоящий в основном из смеси водорода и окиси углерода (угарного газа). После удаления соединений серы и других примесей смесь синтез-газа с воздухом сжигается в газовой турбине, производящей электричество. Прежде чем попасть в дымовую трубу, горячие выхлопные газы, покидающие газовую турбину, используются для превращения воды в пар, который вращает лопасти паровой турбины, вырабатывающей дополнительную энергию. Для улавливания углерода в такой установке к синтез-газу добавляют пар, чтобы преобразовать большую часть угарного газа в углекислый газ и водород. Перед сжиганием остающегося газа, состоящего главным образом из водорода, CO2 отфильтровывают и производят электричество в газовой и паровой турбинах.

Третий подход состоит в сжигании угля в кислороде, а не в воздухе. Один из вариантов - использовать кислород в системах с одноэтапным сжиганием, чтобы в отходящей газовой смеси не было азота, а оставался только CO2 и водяной пар, которые легко разделить. В комбинированном цикле газификации угля можно сжигать в кислороде синтез-газ. При этом исключается реакция преобразования и выделяются только CO2 и водяной пар. Однако конструкционные материалы, способные противостоять высоким температурам, сопровождающим горение в кислороде, еще не созданы.

Улавливание углекислого газа не только повышает сложность и стоимость, но также снижает эффективность извлечения энергии из топлива. Другими словами, для успешного сохранения углеродсодержащих побочных продуктов необходимо добыча и сжигание большего количества угля. Затраты могут быть частично возмещены, если предприятие одновременно отфильтрует серосодержащие газообразные продукты и сохранит их так же, как CO2, экономя таким образом значительную часть расходов на удаление серы.

Чтобы максимизировать прибыль за весь срок эксплуатации электростанции (60 лет и более), следует не забывать о затратах на соблюдение не только современных, но и будущих экологических норм. Дополнительные расходы на улавливание CO2 для предприятий с комплексным циклом газификации угля, вероятно, будут существенно ниже, чем для традиционных электростанций. Удаление углекислого газа при высоких давлениях, как в случае с синтез-газом, обходится дешевле, т.к. не требует установки громоздкого оборудования. Однако сегодня функционируют лишь несколько экспериментальных образцов, так что выбор такой схемы газификации чреват дополнительными расходами на резервное оборудование. Следовательно, чтобы как можно дольше не расходовать средства на борьбу с выбросами CO2 в атмосферу, следует выбрать традиционную электростанцию, работающую на угле, которую в дальнейшем можно будет оснастить оборудованием для улавливания углерода. Однако если квоты на выбросы парниковых газов появятся в течение ближайшего десятилетия, лучше прибегнуть к схеме с газификацией угля.

Чтобы представить, какие расходы в связи с переходом к стратегии улавливания углекислого газа понесут производители угля, хозяева электростанций и домовладельцы, необходимо оценить требуемые затраты. Эксперты подсчитали, что дополнительные средства на улавливание и хранение тонны углекислого газа на предприятии с комплексным циклом газификации угля составят примерно $25. (Для традиционной паровой электростанции эта цифра может оказаться вдвое больше. В обоих случаях сумма станет меньше, когда появится новая технология.)

Производители угля, хозяева электростанций и домовладельцы почувствуют увеличение стоимости по-разному. Поставщикам ископаемого топлива придется платить за улавливание и хранение углекислого газа приблизительно по $60 за тонну угля, что утроит ее стоимость для владельца электростанции. Последний столкнется с 50%-ным повышением стоимости энергии, отдаваемой в энергосистему (примерно на 2 цента/кВт-ч сверх базовой стоимости 4 цента/кВт-ч). Домовладелец, который покупает электроэнергию, вырабатываемую только угольными электростанциями, и платит в среднем около 10 центов/кВт-ч, испытает повышение цены электричества на одну пятую (если предположить, что дополнительные 2 цента/кВт-ч за улавливание и хранение не будут сопровождаться увеличением платы за передачу и распределение энергии).

Перенесемся в будущее и рассмотрим город около электростанции с газификацией угля мощностью 1 тыс. МВт, которая в течение 10 лет улавливала углекислый газ. Город получает воду из неглубокого водоносного слоя, не затронутого закачкой CO2. Рельсовая дорога транспортирует уголь на электростанцию, а линии электропередачи отводят вырабатываемое электричество.

За первые 10 лет работы электростанции было собрано около 60 млн. тонн CO2, размещенного в пористых подземных слоях. Углекислый газ был введен через скважины в две глубокие формации, содержащие рассол и расположенные под непроницаемым куполом на глубине более 2 км от поверхности. Находящийся под давлением "сверхкритический" CO2 плотностью 0,7 кг/м3 занимает почти 90 млн. м3. В обоих формированиях 10% объема составляют поры, треть которых заполнена углекислым газом (см. рис.). Две трети введенного газа были закачаны в верхнюю формацию толщиной 40 м, а одну треть направили в нижнюю формацию толщиной 20 м. В результате полная (горизонтальная) площадь пористой горной породы, пропитанной сверхкритическим углекислым газом, в каждой формации составляет около 40 м2.

Обратите внимание, что горизонтальные и вертикальные масштабы изображения различаются. Глубина каждой инжекционной скважины и длина их горизонтальных продолжений на самом деле примерно равны и составляют около 2 км.

Специалисты станции сейсмического контроля следят за расположением CO2, зондируя землю звуковыми волнами. За первое десятилетие работы электростанции они многое узнали о местной геологии, наблюдая, как углекислый газ распространяется в подземном "резервуаре". Накопленная информация поможет решить, продолжать ли закачку выбросов станции в старые скважины, бурить новые к тем же формациям или переключиться на другие подземные области.

Промышленные лидеры не дожидаются постройки новых электростанций, а испытывают технологии улавливания и хранения углекислого газа на существующих предприятиях по производству водорода и очистке природного газа (метана) для отопления и выработки энергии. Эти производственные процессы сопровождаются выделением CO2 в огромных количествах. В установках для промышленного производства водорода, расположенных на заводах по очистке нефти и получению аммиака, углекислый газ удаляют из находящейся под высоким давлением смеси CO2 с водородом, причем двуокись углерода выпускается в атмосферу. На заводах по очистке природного газа из него удаляют CO2, чтобы метан, поступающий в танкер со сжиженным природным газом, не содержал холодной твердой углекислоты (сухой лед), которая может забить систему, и чтобы концентрация CO2 не превышала 3% (требование сети распределения природного газа).

Сейчас в нефтегазовой промышленности рассматривается несколько проектов улавливания углекислого газа, поступающего из перечисленных источников. Производство водорода и очистка природного газа - первые шаги к полномасштабному улавливанию углекислого газа на электростанциях.

Рост спроса на импортную нефть в некоторых странах, например, в Китае, привел к использованию угля в качестве сырья для производства синтетического топлива, заменяющего бензин и солярку. С точки зрения изменения климата - это шаг назад. Если учесть выхлопы автомобилей и выбросы заводов по производству такого топлива, то можно сказать, что при его сжигании в атмосферу попадает вдвое больше углекислого газа, чем при использовании бензина. При получении синтетического топлива в него переходит лишь половина углерода из угля, а все остальное выбрасывается в заводскую трубу. Завод по производству топлива можно спроектировать таким образом, чтобы выбрасываемый CO2 улавливался. В будущем автомобили будут приводиться в движение электричеством или не содержащим углерода водородом, получаемым на заводах, оснащенных оборудованием для улавливания двуокиси углерода.

Электроэнергию также можно получать из биомассы: зерновых культур, отходов древесной и бумажной промышленности и т.п. Если пренебречь ископаемым топливом, используемым при сборе и обработке урожая, то обмен между атмосферой и землей будет сбалансирован, т.к. количество углекислого газа, выделяемого традиционной электростанцией на основе биомассы, почти равно его количеству, удаляемому из атмосферы при фотосинтезе в процессе роста растений. Но если биоэлектростанции оснастить оборудованием для улавливания углекислого газа, а биомассу из собранной растительности использовать повторно, то в итоге можно заметно снизить концентрацию CO2 в воздухе. К сожалению, низкая эффективность фотосинтеза ограничивает возможность очистки атмосферы, т.к. требует слишком больших участков земли для выращивания деревьев и зерновых культур. Однако новые технологии могут изменить ситуацию. Вероятно, когда-нибудь станет возможным и более эффективное удаление углекислого газа зелеными растениями и непосредственное удаление его из атмосферы (например, пропусканием воздуха над химическим поглотителем).

Выбросы углекислого газа от сжигания каменного угля на электростанциях, которые предполагается построить в ближайшие 25 лет, за весь срок их эксплуатации будут сопоставимы со всеми выбросами за предыдущие два с половиной столетия. Левый столбик показывает совокупный выброс углекислого газа от сжигания угля, нефти и природного газа для всех применений (включая транспорт и обогрев зданий) с 1751 по 2002 г., а справа показаны выбросы CO2 за срок эксплуатации электростанций на ископаемом топливе, которые, как планирует Международное агентство энергетики, войдут в строй до 2030 г. Предполагается, что работающие на угле электростанции будут действовать в течение 60 лет, а электростанции на газе - в течение 40 лет.

Пористость геологической формации вблизи от скважины (тонкая труба) для введения углекислого газа на участке Кречба в алжирской пустыне показана разными цветами: красный и желтый представляют области высокой пористости участка толщиной 20 м, а синий указывает области низкой пористости. Инженеры British Petroleum использовали грубую карту геологических слоев, которая была получена в результате сейсмической эхолокации, чтобы решить, где лучше всего разместить скважину. Скважинный электрический датчик дал более подробное описание пористости (изображено цветными бусинками), что позволило выявить пористость в пределах нескольких сантиметров от скважины. Инженеры использовали более точные данные, чтобы направить бурильную установку к участкам с высокой пористостью.

Улавливание углекислого газа - лишь половина работы. Если энергетическая компания построит угольную электростанцию мощностью 1 тыс. МВт, рассчитанную на улавливание CO2, инженерам придется задуматься о том, где прятать 6 млн. тонн газа в год на протяжении всего срока эксплуатации. Ученые полагают, что в большинстве случаев наиболее удачным местом станут подземные губчатые осадочные породы, поры которых заполнены рассолом (соленой водой). Подходящие участки должны лежать гораздо ниже любого источника питьевой воды, т.е. по крайней мере в 800 м от поверхности. Давление на такой глубине в 80 раз больше атмосферного, чего вполне достаточно, чтобы CO2 перешел в сверхкритическое состояние, в котором его плотность почти равна плотности рассола. Иногда в формированиях с рассолом можно обнаружить сырую нефть и природный газ, попавшие туда миллионы лет назад.

Количество углекислого газа, отправленного под землю, можно выражать в баррелях, т.е. в стандартных единицах объема, используемых в нефтяной промышленности (1 баррель = 159 л). Каждый год на угольной электростанции мощностью 1 тыс. МВт надо будет сохранять 50 млн. баррелей сверхкритического углекислого газа (около 100 тыс. баррелей в день). За 60 лет работы под землей придется разместить 3 млрд. баррелей (0,5 км3) CO2. Месторождение, способное выдать 3 млрд. баррелей нефти, в шесть раз больше наименьшего из так называемых гигантских (всего их не более 500). Таким образом, каждая большая модифицированная угольная электростанция должна быть связана с гигантским хранилищем CO2. На сегодняшний день 2/3 из 1 тыс. млрд. баррелей нефти, добытой во всем мире, поступило именно с гигантских месторождений, так что у промышленности есть большой опыт работы в масштабах, необходимых для хранения углекислого газа.

Первыми могильниками для углекислого газа станут участки, которые уже находятся в эксплуатации. Среди них - старые месторождения нефти, в которые можно вводить углекислый газ, чтобы повысить отдачу сырья. Так называемый процесс интенсификации отдачи нефти основан на том, что под давлением CO2 химически и физически вытесняет труднодоступную нефть, оставшуюся в порах геологических слоев после первых стадий добычи. Компрессоры закачивают углекислый газ в сырую нефть, которая в ходе химических реакций изменяется и затем перемещается сквозь пористую породу к нефтедобывающим скважинам. В частности, CO2 понижает контактное поверхностное натяжение сырой нефти (вид поверхностного натяжения, определяющего величину трения между нефтью и породой). Таким образом, углекислый газ помогает вдохнуть в старые нефтяные месторождения новую жизнь.

В ответ на поддержку британским правительством усилий по сбору и захоронению углекислого газа нефтяные компании предлагают новые проекты улавливания на электростанциях, работающих на природном газе, и повышения отдачи нефти на участках, расположенных под Северным морем. В США владельцы таких месторождений уже сегодня могут получать прибыль, даже если им придется платить от $10 до $20 за тонну углекислого газа, закачиваемого в скважину. Однако если цены на нефть по-прежнему будут расти, стоимость вводимого CO2, вероятно, тоже повысится.

Улавливание углекислого газа на нефтяных и газовых месторождениях, вероятнее всего, будет идти бок о бок с развитием его хранения в обычных геологических формированиях, заполненных рассолом, т.к. такие структуры встречаются гораздо чаще. Геологи надеются найти достаточно природных емкостей для хранения большей части углекислого газа, который выделится при сжигании ископаемого топлива в XXI в.

Захваченный углекислый газ может сохраняться не только в истощенных нефтяных и газовых месторождениях и подземных формациях с рассолом, но и в слоях минералов, которые могут образовывать карбонаты, в угольных пластах и в глубинах океана.

Минералы, которые могут превращаться в карбонаты, в принципе, способны связывать даже больше углекислого газа на поверхности земли, чем формирования с рассолом под землей. Окись магния, содержащаяся в двух распространенных железо-магниевых минералах, змеевике и оливине, соединяются с CO2, образуя очень устойчивый карбонат магния. Главная задача - заставить двуокись углерода быстро реагировать с большим количеством этой породы, возможно, размалывая ее в мелкий порошок, чтобы увеличить поверхность, на которой идут химические реакции.

Поверхность пор внутри угольных формирований адсорбирует метан. Во время горных работ часть этого газа может высвобождаться, часто вызывая подземные взрывы, что приводит к гибели шахтеров. Углекислый газ под давлением можно было бы вводить в неразрабатываемые угольные слои, где он мог бы заменять собой адсорбированный метан, который можно было бы собирать и продавать как топливо.

Закачивание углекислого газа в океан вызывает споры. Сторонники хранения в глубинах океана указывают, что атмосферный CO2 непрерывно поступает к поверхности океана, так что воздух и океан поддерживаются в химическом равновесии. Замедление роста уровня CO2 в воздухе уменьшит количество газа, растворяющегося в поверхностных слоях воды. Поэтому закачивание углекислого газа в глубины океана переместит некоторое его количество из поверхностных вод в самые глубинные слои, уменьшая экологическое воздействие около поверхности, где располагается большая часть морской жизни. Противники океанического хранения ссылаются на международное право, защищающее океаны от некоторых видов индустриального использования, и упоминают о трудностях контроля за перемещениями углекислого газа после его закачки.

Для каждого хранилища существует два вида риска: постепенная и внезапная утечка. В результате постепенной утечки часть парникового газа просто возвращается в атмосферу. А вот быстрое освобождение больших объемов CO2 может повлечь гораздо худшие последствия. Хранилище должно быть таким, чтобы постепенная утечка происходила медленно, а внезапная была чрезвычайно маловероятной.

Хотя углекислый газ обычно безопасен, большой и быстрый его выброс может обернуться катастрофой. В 1986 г. в Камеруне произошло ужасное природное бедствие: углекислый газ вулканического происхождения медленно просачивался сквозь дно озера Ниос, расположенного в кратере. Однажды ночью резкое опрокидывание основания озера привело к освобождению 200 тыс. тонн двуокиси углерода. Газ стек вниз через две долины (CO2 тяжелее воздуха), и 1700 сельских жителей погибли от удушья.

Постепенные утечки не опасны для жизни, однако снижают эффективность улавливания углекислого газа, призванного уменьшить его влияние на климат. Поэтому исследователи изучают условия, приводящие к медленным утечкам. Углекислый газ, плавающий в рассоле, будет подниматься, пока не достигнет непроницаемого геологического слоя-купола.

Двуокись углерода в порах породы подобна сотням воздушных шариков, наполненных гелием, а твердый купол похож на свод цирка. Шарик может ускользнуть, если в куполе есть разрывы или его поверхность наклонена. Геологам придется искать разрывы в куполе, через которые мог бы уходить газ, а также определять величину давления закачки, которое могло бы разрушить купол.

Не следует забывать и об очень медленном горизонтальном потоке углекислого газа, направленном от точек его закачки. Часто осадочные формирования похожи на огромные тонкие блины. Если углекислый газ вводится вблизи середины такого блина, имеющего лишь небольшой наклон, газ может не достигнуть края в течение десятков тысяч лет. Исследователи надеются, что к тому времени большая часть газа растворится в рассоле или окажется захваченной порами.

Даже если геологические условия благоприятны, использование для хранения формирований, в которых есть старые скважины, может быть проблематичным. Например, в штате Техас просверлено более миллиона скважин, многие из них были залиты цементом и оставлены. В принципе, кислотный рассол с CO2 может найти путь от места закачки к заброшенной скважине, разъесть цементную пробку и просочиться на поверхность. Чтобы изучить этот механизм, исследователи подвергают цемент действию рассола и берут пробы старого цемента из скважин. В карбонатных формированиях такой вид разрушения менее вероятен, чем в песчанике, т.к. карбонаты уменьшают активность соленой воды.

Правительства разных стран должны решить, как долго следует обслуживать могильники CO2. Строго следуя экологической этике, власти могли бы отказаться утверждать проект хранилища, в котором углекислый газ будет содержаться не более 200 лет. Однако одобрить его все же можно, если понадеяться, что через два столетия будет изобретен гораздо лучший способ борьбы с углекислым газом.

Ближайшие несколько лет станут критическими для разработки методов улавливания и консервации углекислого газа, т.к. вырабатывается политика, которая делает сокращение выбросов CO2 выгодным. Кроме того, начинается лицензирование участков, подходящих для могильников. Таким образом, повышение эффективности выработки и использования энергии, переход к использованию возобновляемых источников энергии, совершенствование ядерной энергетики и мероприятий по улавливанию и хранению CO2 помогут заметно снизить риск глобального потепления.

Подземное хранение углекислого газа осуществляется сегодня в газовом проекте Айн Салах в алжирской пустыне. Сырой природный газ, добываемый на этом участке фирмами British Petroleum, Statoil и Sonatrach, содержит слишком много CO2 для коммерческого использования, так что избыток удаляется химическими поглотителями (две пары башен десорбции в центре завода), сжимается и затем вводится под давлением в формацию с рассолом на двухкилометровую глубину. Закачка под землю производится со скоростью, которая лишь в шесть раз меньше той, которая потребовалась бы на гигаваттной электростанции с газификацией угля.