Ученые пытаются найти места для захоронения углекислоты, которая образуется при сжигании ископаемых видов топлива и пагубно воздействует на климат нашей планеты

Норвежская нефтедобывающая компания Statoil придумала радикальное решение: чтобы защитить природу от зловредного углекислого газа, компания закачивает углекислоту в водоносные слои песчаника, залегающие под дном Северного моря
Выделить углекислый газ — непростая задача. Еще сложнее — придумать, как от нее избавиться
Глобальное потепление в цвете Результаты компьютерного моделирования демонстрируют географическое распределение выбросов диоксида углерода при сжигании ископаемого топлива. Карта была рассчитана на основе данных 1987 года о потреблении природного газа, сырой нефти и угля различными странами. Данные о выбросах были соотнесены с населением стран (исходя из потребления энергии на душу населения) и изображены на карте. Цветовая шкала градуирована в килограммах углерода на 1 м² в год. Для областей, закрашенных черным, данные отсутствуют. Выбросы диоксида углерода, который является типичным «парниковым» газом, обычно принято принимать за один из основных показателей глобального потепления.
Как упаковать СО2 Сначала научились отделять двуокись углерода от общей смеси из всех отходов горения, но тут же ученые уперлись в более серьезную проблему — куда девать эти «богатства»? Наиболее известное предложение — закачивать углекислоту в виде жидкости в подземные полости (глубина, в зависимости от места, может быть разной). Другие решения — это взаимодействие с минеральными залежами в Омане или формирование озер из углекислоты на океанском дне.

Восток штата Огайо, угольная электростанция R.E. Burger. Рядом с ней на заросшем сорняками пустыре торчит оголовок скважины — железяка двухметровой высоты. Выглядит он не слишком серьезно — так, что-то вроде увеличенного пожарного гидранта. Тем не менее и этот оголовок, и сама скважина, уходящая под ним в скалистый грунт на глубину 2,5 км, представляют собой реализацию весьма честолюбивого плана — попытки загнать причины глобального потепления под землю.

Это один из экспериментов, нацеленных на то, чтобы организовать в земных глубинах вечные захоронения двуокиси углерода (CO2), побочного продукта, всегда образующегося при сжигании ископаемых видов топлива и способного воздействовать на земной климат. Финансируется этот проект министерством энергетики США, Институтом исследований в области электроэнергии, а также множеством общественных и частных партнеров.

Этот подход называют «углеродной секвестрацией». Углекислый газ отделяется от остальных продуктов сгорания (точно так же, как на фильтрах современных электростанций из дыма выделяют загрязнения типа сажи или двуокиси серы), а затем подыскивают место — под землей, на океанском дне или где-нибудь еще — чтобы это вещество заложить на хранение.

На практике даже просто выделение углекислого газа — хлопотная задача, требующая и больших расходов энергии, и серьезных капиталовложений. Но этот этап бледнеет рядом со второй целью — как заложить на хранение столь большие количества углекислоты.

Одна 1000-мегаваттная угольная электростанция может ежегодно выбрасывать через свои дымовые трубы по 6 млн тонн углекислоты. Сотни таких электростанций, работающих по всему миру, сливают в атмосферу более трети из тех 25 млрд тонн СО2, которые человечество ежегодно развеивает по ветру, и пока не видно ни малейших намеков на то, что этот процесс замедлится.

В Соединенных Штатах различные энергетические компании проектируют сейчас еще сотню угольных электростанций. Китай планирует на ближайшие пять лет еженедельную сдачу в эксплуатацию по одной новой угольной станции. Национальные академии наук всего мира на многочисленных международных встречах пришли к единодушному выводу — выбросы в атмосферу продуктов сжигания угля представляют собой самый весомый фактор в проблеме глобального потепления.

Даже если сжать полученный СО2 до жидкого состояния, количество углекислоты, выработанной на 1000-мегаваттной электростанции за 60-летний срок эксплуатации, способно вызвать оторопь — это будет 3 млрд тех баррелей, которыми сейчас принято считать нефть. Подземное хранилище, которое было бы способно принять такое количество двуокиси углерода, должно быть раз в шесть больше, чем то, что нефтяники считают гигантским месторождением (для такой категории характерен запас нефти по крайней мере в 500 млн баррелей). Помножим этот объем на сотни имеющихся электростанций, и перед нами встанет проблема секвестрации во всем ее гигантском масштабе. Если послушать Говарда Херцога, старшего инженера-исследователя в Массачусетском технологическом институте, то становится понятно, что вопрос стоит о создании целой новой отрасли в мировой промышленности. «Количество потребляемой нами ежедневно нефти может оказаться примерно аналогичным количеству СО2, которое ежедневно нужно куда-то пристраивать», — говорит он. Именно сейчас ученые и инженеры закладывают основы под отрасль, которая будет заниматься хранением окиси углерода, а направления, в которых предлагают двигаться, включают в себя и проверенные технологические решения, и революционные идеи на грани фантастики.

Хранение в соляных камерах

В нынешнем году экспериментальная фильтрующая установка на основе аммиака начнет отлавливать углекислый газ из дымовых труб электростанции Burger. Уловленный газ будут сжимать до сверхкритического состояния и загонять на полтора километра вниз по скважине — в огромные залежи пористого песчаника, заполненного рассолом.

Мы сидим в маленьком трейлере в нескольких метрах от оголовка скважины, руководитель проекта Фил Ягуцки (сотрудник компании Batelle Laboratories) показывает нам схему минеральных отложений, а точнее, слой плотной скальной породы, покрывающей сверху залежи песчаника. Спонсоры проекта надеются, что этот слой будет непроницаем для углекислоты. «Скальная кровля должна служить ловушкой, удерживающей оксид углерода именно там, куда мы его закачаем», — говорит Ягуцки.

Эта идея должна сработать — в аналогичных геологических образованиях нефть и природный газ дожидались нас миллионы лет, пока их не проткнули буры геологов. Однако сможем ли мы найти достаточно природных хранилищ с плотно закрывающимися крышками, чтобы залить туда всю выделяемую в промышленности углекислоту? Согласно произведенным недавно исследованиям глубоко залегающие соляные образования под штатом Пенсильвания способны вместить в себя углекислотные выбросы 79 угольных электростанций этого штата, которые будут уловлены за 300 лет эксплуатации.

Использование углекислоты при добыче нефти

На продуваемых ветрами равнинах Северной Дакоты можно найти образец углеродной ловушки другого типа, а километров на 300 к северу — еще один вариант хранилища для этого добра. Уже с 2002 года непрерывный поток двуокиси углерода, который производит химическое предприятие Great Planes Synfuels Plant (здесь углекислый газ образуется как побочный продукт при синтезе природного газа из мягких бурых углей, которые называют лигнитом), сжимают компрессорами мощностью по 20 000 л.с. и переправляют по трубам в канадскую провинцию Саскачеван. Здесь его загоняют под землю на глубину в полтора километра — в нефтяное месторождение, которое уже считается выработанным. В результате на поверхность выжимается та нефть, которую иначе добыть было бы уже невозможно, а ее место занимает парниковый газ.

В течение ближайших 20 лет энергетическая компания EnCana предполагает повысить производительность пласта примерно в полтора раза, а на место нефти закачать приблизительно 20 млн тонн двуокиси углерода.

Конечно, подобные способы повышения производительности нефтеносного пласта известны давно — нефтяники уже много лет закачивают в нефтяные скважины коммерчески производимую углекислоту, однако новизна данного решения состоит в том, что здесь мы имеем дело с первым проектом, когда в пласт закачивают СО2, выделенный из промышленных отходов.

Использование углекислоты при добыче газа

Не всегда источник углекислотных выбросов оказывается рядом с подходящим нефтяным месторождением. Куда еще можно было бы направить СО2? Да туда, откуда и взяли, то есть обратно в угольные шахты. Метан (природный газ) зачастую адсорбируется поверхностью угля. Из некоторых давних экспериментов следует, что двуокись углерода еще более склонна к такой адсорбции. Когда углекислый газ закачивают в выработанные шахты, где остались только не поддающиеся разработке мелкие линзочки угля, СО2 вытесняет из угля метан, а природный газ можно уже выкачивать из шахты и пускать в продажу. Уголь тем временем будет связывать двуокись углерода.

Превратить углекислоту в камень

В конце 2008 года ученые из Тихоокеанской Северо-Западной национальной лаборатории планируют начать новый эксперимент — предполагается закачать 1000 т двуокиси углерода в пористые вулканические базальты, залегающие под штатом Вашингтон. Согласно лабораторным исследованиям, в течение двух-трех лет должно начаться химическое превращение углекислого газа в минеральные вещества.

Во‑первых, некоторая часть СО2 будет взаимодействовать с водой, которая содержится в базальте. В результате будет образовываться слабая угольная кислота. «Она не кислее апельсинового сока», — поясняет сотрудник лаборатории Питер Макгрэйл. Кислота растворит содержащийся в базальте кальций. Он в свою очередь будет взаимодействовать с дополнительными количествами СО2, образуя карбонат кальция, то есть, по сути, известняк. Как говорит Макгрэйл, подобные базальты залегают по всей земле, включая огромные просторы Индии с безграничными возможностями для хранения углекислоты.

Геолог Питер Келемен из Колумбийского университета заинтересовался, нельзя ли использовать какие-либо породы на поверхности земли, для того чтобы напрямую связывать двуокись углерода из атмосферы. Примерно половина территории в султанате Оман на берегу Персидского залива выстлана глубинной породой перидотитом, которая обычно формирует океанское дно. Перидотит может вступать в реакцию с водой и двуокисью углерода, образуя в результате карбонаты.

Келемен говорит, что залежи перидотита в Омане фантастически обширны — их хватило бы, чтобы многократно извлечь из воздуха весь избыточный углекислый газ, — и стоило бы подумать об ускорении этого природного процесса, чтобы значительную часть парниковых газов прямо на месте обратить в камень.

Труба в океан

Можно себе представить и еще более экстравагантный сценарий. Некоторые ученые полагают, что большие количества двуокиси углерода можно хранить прямо на дне океана в глубоководных зонах, где высокое давление могло бы сжать газ до жидкого состояния. Жидкая углекислота имеет более высокую плотность, чем морская вода, так что она будет застаиваться у океанского дна. Правда, пока еще никто точно не знает, будет ли такая лужа оставаться в компактном состоянии или же растечется в стороны, нанося значительный ущерб экологии в придонной зоне.

В наши дни приемы стимулирования нефтедобычи и другие устоявшиеся технологии представляются наиболее привлекательными вариантами. Говард Херцог из Массачусетского технологического института говорит, что его огорчают политики, которые действуют без должного напора. Ученый уверен, что всеобъемлющую структуру для секвестрации углекислоты создать вполне возможно, какую бы форму она в конце концов ни приняла.

«Неужели вы думаете, — говорит Херцог, — что, когда Генри Форд в первый раз выехал на дорогу в своем автомобиле, он отдавал себе отчет в том, что из этого вырастет, — представлял в своем воображении всю инфраструктуру, все эти миллионы километров асфальта, миллионы заправок, все эти супертанкеры, перевозящие по миру нефть? Мы еще не готовы в технологическом плане к тому, чтобы построить прямо сейчас всю эту инфраструктуру, но у нас достаточно знаний, чтобы начать».

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№8, Август 2008).