CO2: убийца климата как сырье

Двуокись углерода, химическое соединение углерода и кислорода, — это газ, который не горит, не имеет цвета и запаха. Он возникает в процессе клеточного дыхания живых существ и при брожении органической материи. В этом смысле углекислый газ является естественной составной частью воздуха. В атмосфере углекислый газ абсорбирует часть отражаемого Землей солнечного излучения и тем самым способствует созданию знаменитого парникового эффекта, который поднимает среднюю температуру на Земле с –18 до +15 °C, благодаря чему только и возможна органическая жизнь. Свою репутацию убийцы климата он приобрел лишь с момента начала сжигания угля и нефти в промышленных масштабах, в результате чего в атмосфере стало накапливаться дополнительное количество углекислого газа. Если в атмосфере повышается концентрация абсорбентов тепла, то парниковый эффект усиливается. Средняя температура поверхности Земли повышается. Природные явления, такие как циклические колебания солнечного излучения, могут усилить или ослабить этот эффект, тем не менее в долгосрочной перспективе он оказывает влияние на климат Земли. С начала индустриализации концентрация CO₂ в атмосфере повысилась с 280 до 380 ppm, с 1880 по 2010 г. средняя температура поверхности Земли выросла на 0,9 °C, причем скорость увеличения этого показателя растет. 2000–2009-е гг. стали с большим отрывом самым теплым десятилетием с начала измерений, на втором месте — 1990-е гг. Если тенденция продолжится, ситуация может выйти из-под контроля, поскольку глобальное потепление не линейный и не равномерный процесс. Если температура повысится на 2 °C, может начаться экспоненциальный рост. Ученые говорят о переломных моментах в процессе изменения климата. Сюда относится, например, высвобождение гигантских масс метана вследствие таяния вечномерзлых грунтов в Канаде и России или таяние льдов в Заполярье и на Гималаях. Тогда Земля начнет абсорбировать больше солнечного тепла. Кроме того, исчезновение ледяного покрова Гренландии или Антарктиды грозит повышением уровня моря на несколько метров[191].

Поэтому стабилизация климата подразумевает сокращение выбросов углекислого газа до объемов, которые в состоянии абсорбировать биосфера. Во избежание хаотизации климатических процессов наш экономический уклад должен стать углеродно нейтральным не позднее 2050 г. Самый перспективный путь — замена ископаемых источников энергии возобновляемыми: солнце, ветер и биоэнергия вместо угля и нефти. Поскольку сейчас уровень выбросов парниковых газов стремительно повышается, мы должны найти возможности уменьшить концентрацию CO₂ в атмосфере. Наиболее эффективным на этом пути будет повышение абсорбирующей способности природных поглотителей углерода, иными словами, необходимо высаживать леса и рекультивировать земли. В последние годы ведутся интенсивные работы в области вторичной переработки CO₂ и его использования в качестве сырья. Если таким способом удастся на стабильной основе вытягивать CO₂ из атмосферы или заменить ископаемые источники энергии углекислым газом, нагрузка на климат уменьшится. Это может послужить интересной альтернативой технологии геологического секвестра углерода (Carbon Capture and Storage, CCS): зачем с таким трудом загонять углекислый газ в подземные накопители, если его можно использовать как полезное вещество? Журнал Wirtschaftswoche поместил публикацию о нескольких проектах, в настоящий момент находящихся в разработке[192]. Это не пустые слова, особенно если принять во внимание «игроков». Министерство энергетики США с 2010 г. инвестировало более 100 млн долларов в исследование и разработку проектов по использованию CO₂. Министерство научных исследований ФРГ вложило 100 млн евро. Среди участников и такие химические и технологические компании, как Bayer, Evonik, Siemens и BASF, энергетические компании RWE и EnBW. Заведующая кафедрой устойчивого развития Лионского университета Алессандра Квадрелли считает, что на этом пути можно сократить выбросы парниковых газов до 10 %. Это серьезные цифры, которые, однако, говорят о том, что вторичная переработка CO₂ не альтернатива отказу от выбросов углерода. Утверждая, что вторичная переработка углекислого газа «может избавить нас от страха перед убийцей климата», авторы журнала безмерно преувеличивают. Отказ от выбросов важнее вторичной переработки. Использование CO₂ в качестве полезного вещества лишь дополнительная мера.

Углерод — краеугольный камень химической промышленности. Поэтому двуокись углерода представляет такой интерес в качестве сырья. Уже сегодня она в промышленных масштабах используется для синтеза основного химического сырья. Только на производство мочевины, необходимой для синтеза удобрений и искусственных смол, требуется 50 млн т[193]. Растворитель на основе CO₂ используется также при удалении кофеина из кофе. Более широкому применению пока мешает высокий расход энергии: в двуокиси углерода мало энергии, он неохотно вступает в химические реакции. Их можно проводить лишь при высоких температурах и под высоким давлением. Поэтому важно разрабатывать биохимические катализаторы и процессы, которые ускорят реакцию двуокиси углерода с другими веществами, что позволит понизить энергопотребление и затраты. Углекислый газ может служить исходным веществом для производства извести, соды, строительных материалов, широко распространенных химикатов, лекарственных препаратов, искусственных покрытий, пенопласта и упаковок, пригодных для компоста. При этом углекислый газ заменяет нефть и газ. Некоторые методы уже нашли широкое промышленное применение. Ученые Фрайбургского центра изучения материалов разработали метод, позволяющий при помощи синтеза водорода и двуокиси углерода получать чистый метан. Используя специальные катализаторы, можно повысить реактивность CO₂ и сократить энергопотребление. 10 % сегодняшнего объема выбросов углекислого газа в ФРГ могут удовлетворить годовую потребность страны в топливе[194].

Еще одна возможность — использование углекислого газа в качестве удобрений в теплицах. CO₂ необходим для роста растений: при помощи солнечного света и воды растения синтезируют из него молекулы сахара, являющиеся энергоносителями и стройматериалом. В плотно «населенных» теплицах концентрация CO₂ в воздухе часто бывает недостаточной. Его дополнительное количество ускорит рост растений, при условии что в их распоряжении будет достаточно света.

Интерес также вызывает возможность использования углекислого газа в качестве питательного вещества при выращивании водорослей. Таким образом можно получить до 100 т сухой субстанции на 1 га в год. При этом поглощается до 200 т CO₂ — почти в 20 раз больше, чем, например, при выращивании на той же площади рапса. Иными словами, водоросли — эффективные «переработчики» CO₂. Сегодня они уже используются как богатая протеином добавка к кормам, основное сырье в химической и фармацевтической отраслях, а также при производстве биотоплива. Компания по производству оборудования GEA разрабатывает метод, при котором CO₂ можно будет использовать в качестве исходного материала производственной цепочки. Сначала с помощью углекислого газа выращивают крупные партии водорослей. Дрожжевые клетки преобразуют содержащийся в субстрате водорослей сахар в алкоголь, затем алкоголь отделяют и перерабатывают в биотопливо. В дальнейшем дрожжевые клетки, как и водорослевая масса, могут быть использованы в качестве кормов или удобрений. По сути это практически безотходный производственный цикл. В настоящее время идет эксперимент в Испании, в ходе которого утилизуют выбросы CO₂ одного цементного завода. Окажется ли этот метод экономически рентабельным, зависит, во-первых, от стоимости конечного продукта и, во-вторых, от платы за выбросы CO₂. Чем она будет выше, тем выгоднее будут инвестиции во вторичную переработку углерода[195].

Как это часто бывает, на этом пути нас тоже подстерегает опасность, что новая, многообещающая технология будет использована для того, чтобы прикрыть старую, экологически вредную промышленность зеленым фиговым листком. Если энергетические концерны вроде RWE или Vattenfall устанавливают на угольных ТЭС экспериментальные хранилища, используя лишь мизерную часть выбросов углекислого газа для выращивания водорослей, это еще не есть экологическое преобразование угля в электричество. Вторичная переработка CO₂ может стать выходом для промышленных предприятий, которые пока еще нуждаются в ископаемых источниках энергии. В сочетании с ТЭС, работающими на биомассе, и биогазовыми установками вторичная переработка CO₂ способна даже несколько понизить уровень выбросов углекислого газа, но никак не может служить санкцией на строительство угольных ТЭС.