-
-
Whatsapp
Технология прямого захвата углерода из воздуха (DAC) и ее индустриализация
2025-11-21
С продвижением углеродной нейтральности технологии снижения выбросов углерода, захвата углерода и геологического хранения углерода постоянно развиваются и обновляются. В Китае активно внедряются новые энергоэффективные технологии, обезуглероживание сырья, а также технические средства, такие как захват углерода в угольных электростанциях/производстве цемента/газовых котлоэлектростанциях с комбинированным циклом/котлоэлектростанциях с интегрированным газообразующим циклом/биомассовых энергетических установках. Однако в нашей технологической картине отсутствует важный элемент — прямой захват углерода из воздуха (DAC). Технология DAC является единственным техническим средством в современном мире, способным решить следующие три проблемы:
1.Разумная стоимость
2.Бесконечная масштабируемость
3.Удаление CO₂, выброшенногов любой момент времени; перманентное удаление CO₂ из атмосферы
Процесс прямого захвата углерода из воздуха включает три этапа:
1.Воздух всасывается вентиляторами, расположенными внутри коллектора. После всасывания он проходит через фильтры внутри коллектора, которые захватывают частицы диоксида углерода.
2.Когда фильтры полностью наполнены CO₂, коллекторзакрывается, и температура повышается до примерно 100 °C — примерно такой же, как необходима для заварки чашки чая!
3.Захваченный CO₂, смешанныйс небольшим количеством воды, инжектируется под поверхность земли и перманентно захватывается подземлей посредством минерализации.
Кроме того, захваченный
CO₂ можно преобразовать в синтетическое дизельное топливо или низкоуглеродное авиационное топливо, напрямую использовать для производства электроэнергии, доставлять в ближайшие тепличные комплексы или в пищевую промышленность (для производства напитков).
Рисунок 1 — Логистика захвата, хранения и использования CO₂ компании Carbon Engineering (CE)
Классификация технологии прямого захвата углерода из воздуха (DAC)
Согласно типу абсорбента в процессе DAC, технология делится на жидкую и твердую.
Жидкая DAC-технология
1) Растворы щелочных гидроксидов
DAC-технология на основе растворов щелочных гидроксидов включает два циклических реакции: сначала CO₂ из атмосферы реагирует с раствором щелочного гидроксида (гидроксид натрия NaOH или гидроксид калия KOH) с образованием водорастворимых карбонатов; затем посредством кальцинирования восстанавливается щелочной гидроксид, а карбонат кальция (CaCO₃), образовавшийся в реакции кальцинирования, нагревается до температуры выше 900 °C для выделения CO₂.
2) Аминные растворы
Абсорбция аминными растворами широко используется в захвате CO₂ после сжигания. Сначала при окружающей температуре аминный раствор поглощает CO₂ из дымовых газов, затем при температуре около 120 °C аминный раствор восстанавливается путем отгонки. Исследования показали, что алканоламины имеют высокую аффинность к CO₂, что соответствует требованиям прямого захвата CO₂ из воздуха.
3) Растворы аминокислотных солей
Используя растворы аминокислотных солей в качестве абсорбционного растворителя, CO₂ из атмосферы преобразуется в карбонатные кристаллы (PyBIGH₂(CO₃)(H₂O)₄) посредством гуанидиновых водородных связей. Эти кристаллы имеют очень низкую растворимость и могут быть отделены от раствора фильтрацией. Процесс DAC на основе аминокислотных солей/BIGs состоит из трех основных этапов, как показано на Рисунке 2:
сначала
CO₂из воздуха реагирует с раствором аминокислотной соли с образованием соответствующего гидрокарбоната;
затем гидрокарбонат взаимодействует с BIGs (бисиминогуанидинами) для восстановления аминокислотной соли и одновременного получения карбонатных кристаллов;
наконец, карбонатные кристаллы разлагаются при низкой температуре (80~120 °C) для восстановления BIGs и получения высокоочищенного CO₂.
Рисунок 2 — Схема процесса DAC на основе аминокислотных солей/BIGs
4) Изменение концентрации щелочности
Как показано на Рисунке 3, этот метод использует разбавленный щелочной водный раствор для поглощения CO₂ из воздуха. Когда раствор достигает равновесия с воздухом, щелочность увеличивается от начальной до равновесной. Затем раствор концентрируется, что увеличивает содержание растворенного неорганического углерода и щелочность до максимального значения, а также увеличивает парциальное давление CO₂ в растворе. После снижения давления системы ниже парциального давления CO₂ поглощенный CO₂ выделяется из раствора. Далее концентрированный раствор разбавляется для восстановления начальной щелочности, и процесс поглощения CO₂ из воздуха повторяется циклически.
Рисунок 3 — Схема процесса DAC с изменением концентрации щелочности
Твердая DAC-технология
1) Твердые щелочные (земельные) металлы
Существует три типа: чистые щелочные (земельные) металлы, нанесенные щелочные (земельные) металлы и твердые аминные адсорбенты. В качестве примера берем щелочной металл CaO:
Процесс захвата CO₂ включает два этапа:
сначала CaO вступает в реакцию карбонизации при контакте с CO₂, превращаясьв CaCO₃;
затем CaCO₃прокаливаетсядля выделения CO₂. Эти два этапа осуществляются непрерывно в цикле. Оксиды или гидроксиды щелочных (земельных) металлов также могут использоваться для захвата CO₂ из воздуха, но из-за того что концентрация CO₂ в воздухе значительно ниже, чем в дымовых газах, энергетические затраты на прямой захват CO₂ из воздуха значительно увеличиваются.
Рисунок 4 — Схема экспериментального процесса DAC на основе щелочных (земельных) металлов
2) Материалы MOFs
В последние годы MOFs (металлокарбонильные каркасы) стали предметом активных исследований в области DAC. Можно получить высокую адсорбционную способность к CO₂ путем нанесения аминовых групп на MOFs (раздел 3.2) или регулирования размера пор и распределения активных центров. Shekhah и другие исследователи изучали свойства SIFSIX-3-Cu/Ni/Zn в прямом захвате CO₂ из воздуха. Изменяя тип металла, они регулировали размер ячеек и распределение пор и обнаружили: при центре на цинке (Zn) размер пор максимален, а адсорбция CO₂ составляет 0.13 ммоль/г; при центре на меди (Cu) размер пор минимален, а адсорбция CO₂ достигает 1.24 ммоль/г.
3) Влажностно-регенерируемая адсорбция
DAC на основе влажностно-регенерируемой адсорбции состоит из трех этапов:
сначала в сухой среде щелочные группы (OH⁻или CO₃²⁻) на поверхности адсорбента поглощают CO₂ из воздуха;
затем при высокой влажности или высокой степени гидратации поглощенный CO₂постепенно десорбируется;
наконец, десорбированный CO₂сжимается и захватывается или используется.
Компании, реализующие индустриализацию DAC
В настоящее время такие компании, как Climeworks (Швеция), Carbon Engineering (Канада) и Global Thermostat (США), на протяжении многих лет занимаются исследованиями в области DAC-технологии и имеют несколько успешно действующих проектов DAC.
Обзор Climeworks
Climeworks была основана в Швейцарии в 2009 году как филиал Цюрих ского политехнического института. В 2014 году Climeworks в сотрудничестве с Sunfire и Audi запустила первый пилотный завод, способный захватывать 80% диоксида углерода из окружающей среды и преобразовывать его в синтетическое дизельное топливо. В 2017 году Climeworks AG успешно запустила первый промышленный завод по прямому захвату углерода из воздуха в мире с годовым объемом захвата 900 т CO₂; захваченный CO₂ напрямую доставляется в ближайшие тепличные комплексы или в пищевую промышленность (для производства напитков). Проект Orca — совместный проект по прямому захвату и хранению углерода, запущенный Climeworks в Исландии — является первым действующим проектом DAC в мире. Строительство проекта Orca началось в августе 2020 года, а официальная запуск состоялась в сентябре 2021 года с годовым объемом захвата 4000 т CO₂. В июне 2022 года Climeworks объявила о запуске второго проекта по прямому захвату и хранению углерода — Mammoth — с годовым объемом захвата 36 000 т CO₂; планируется запуск в 2024 году.
Обзор Carbon Engineering (CE)
CE была основана Дэвидом Китом (профессором Гарвардского университета) в Канаде в 2009 году. В 2017 году CE в сотрудничестве с исследователями Гарвардского университета разработала промышленный метод прямого захвата CO₂ из воздуха и использования его для производства жидких топлив. В 2021 году CE основала исследовательский центр по углеродной инженерии и создала крупнейшее в мире исследовательское оборудование для DAC. Позднее CE в сотрудничестве с Oxy Low Carbon Ventures запустила проект по захвату и хранению 1 миллиона тонн углерода из воздуха вблизи нефтяного месторождения OXY, а также в партнерстве с Pale Blue Dot Energy развернула коммерческий проект DAC в Великобритании. В 2022 году CE в сотрудничестве с 1PointFive завершила проектный дизайн первого в мире крупного коммерческого DAC-проекта с объемом 1 миллиона тонн; после запуска в эксплуатацию проект ежегодн сможет захватывать 500 000 т CO₂ из атмосферы с возможностью масштабирования до 1 миллиона тонн в год. 1PointFive и CE объявили, что планируют завершить строительство 70 таких крупных DAC-установок к 2035 году.
Обзор Global Thermostat
Global Thermostat была основана в США в 2010 году основателями, среди которых автор Киотского протокола и исследователи из Принстонского, Гарвардского, Колумбийского и Стэнфордского университетов. В том же году была запущена первая опытно-промышленная установка, а в 2013 году — первая коммерческая демонстрационная установка. В настоящее время Global Thermostat сотрудничает с ExxonMobil для продвижения своей технологии захвата углерода и масштабирования производства. В апреле 2021 года Global Thermostat подписала соглашение с HIF о поставке DAC-оборудования для пилотного завода Haru Oni Fuels в Чили; захваченный CO₂ будет смешиваться с электрохимическим водородом для производства синтетического бензина. Проектная мощность DAC-установки завода — 2000 т CO₂ в год.
Таблица 1 — Действующие мировые DAC-заводы
В настоящее время в Китае общее количество запланированных и действующих демонстрационных проектов по захвату, использованию и хранению углерода (CCUS) приближается к сотне, охватывая электроэнергетику, нефтегазовую отрасль, химическую промышленность, производство цемента, сталелитейное производство и другие отрасли. Более половины проектов уже введены в эксплуатацию, с общей мощностью захвата диоксида углерода более 4 миллионов тонн в год. Исследования по DAC-технологии в Китае начались относительно недавно, и на данный момент нет промышленных демонстрационных установок DAC. Группа Huaneng планирует построить первую промышленную демонстрационную установку DAC в Китае к 2024 году, чтобы заполнить пробел в области инженерных демонстраций DAC в стране. Цзянчжоуский университет разработал небольшой прототип DAC с производительностью 30 кг/день на основе технологии влажностной регенерации; захваченный CO₂ может использоваться для подпитки сельскохозяйственных тепличных комплексов.
Каков потенциал развития DAC-технологии? Ниже представлена кривая предельных затрат для различных маршрутов захвата углерода:
Рисунок 5 — Кривая предельных затрат для различных маршрутов захвата углерода
Источник: Исследовательский департамент Гольдман Сакс
Как видно из графика, прирост мощности DAC-технологии имеет бесконечные возможности: при достижении объема 29 Гт CO₂ предельные затраты начинают уменьшаться, и коммерческий потенциал становится очевидным.
Международное развитие DAC-технологии
Для борьбы с глобальным потеплением Министерство энергетики США выделит 1,2 миллиарда долларов США в виде субсидий на два проекта по прямому захвату углерода из воздуха (DAC); объявление об этом плане было опубликовано 11 августа. Проекты будут располагаться в Техасе и Луизиане. По словам Министерства энергетики США, после запуска в эксплуатацию проектыежегодн будут удалять более 2 миллионов тонн диоксида углерода из атмосферы (это эквивалентно снижению выбросов примерно 445 000 бензиновых автомобилей в год) и создадут 4800 рабочих мест в двух регионах.
Согласно 《Двухпартийскому закону о инфраструктуре США》, США планируют создать четыре центра DAC за следующие десять лет с поддержкой федерального правительства в размере 3,5 миллиарда долларов США; указанные 1,2 миллиарда долларов являются частью этой субсидии. По словам Министерства энергетики США, после крупномасштабного развертывания DAC сможет помочь США достичь цели углеродной нейтральности выбросов парниковых газов к 2050 году.
В 《Четвертом национальном оценочном отчете о климатических изменениях》, опубликованном в Китае в 2022 году, четко указано, что технология CCUS включает технологиies отрицательных выбросов, такие как захват и хранение углерода из биомассы (BECCS) и прямой захват углерода из воздуха (DAC). В том же году Государственное управление по развитию и реформам и Государственное министерство энергетики в 《Мнениях о совершенствовании механизмов, систем и политических мер по зеленому и низкоуглеродному переходу энергетики》 четко заявили, что Китай поощряет развитие низкоуглеродных технологий. Среди них захват углерода рассматривается как важная опора для достижения климатических целей Китая. Таким образом, DAC-технология имеет важное стратегическое значение для достижения цели углеродной нейтральности в Китае.
Кроме того, инвестиции крупных компаний в DAC растут стремительно. Alphabet, Shopify, Meta, Stripe, Microsoft, группа H&M и другие компании инвестировали средства и обязались совместно приобрести технологии «постоянного удаления углерода» на сумму почти 1 миллиарда долларов США за период с 2022 по 2030 год. В мае текущего года JP Morgan заключила с швейцарским пионером DAC Climeworks соглашение о удалении углерода на сумму 20 миллионов долларов США на девять лет.
DAC-технология необходима в комбинированных решениях для достижения углеродной нейтральности, но стоимость остается слабым
