От воздуха к углероду – исследования для защиты климата

Даже легкого ветерка достаточно, чтобы сдуть черный порох. 

Это высокотехнологичное сырье – сажа, которую исследователи из Технологического института Карлсруэ (KIT) буквально производят из воздуха. С помощью аппарата они отсасывают из окружающего воздуха вредный для климата CO2 и производят из него углерод. Сажа – это еще не все, как говорит Бенджамин Дитрих из Института инженерии тепловых процессов KIT. В зависимости от температуры и давления можно также получать графит и графен – материалы, пользующиеся большим спросом в промышленности.

Будь то строительная или лакокрасочная промышленность, солнечные батареи, сенсорные экраны, литий-ионные аккумуляторы или автомобильные шины – возможные области применения этих продуктов многообразны. Например, Ассоциация промышленности минеральных красок подчеркивает «превосходную» защиту от ультрафиолетового излучения и антистатический эффект сажи, которую также называют промышленной сажей. В своем исследовании компания Ceresana, занимающаяся изучением рынка, предполагает, что спрос только на технический углерод вырастет до более чем 17 миллионов тонн в год во всем мире к 2030 году. 

Эксперименты с температурами от 900 до 1200 градусов

По сравнению с этим, полкилограмма углерода, которые экспериментальная установка в KIT производит из двух килограммов CO2 за восьмичасовой рабочий день, кажутся довольно ничтожными, по словам Дитриха. Но исследовательская группа находится только в начале пути: используя различные температуры от 900 до 1200 градусов и разное давление, они проверяют, как они могут повлиять на конечные продукты.

Все это работает в многоступенчатом процессе: С помощью так называемого адсорбера CO2 отделяется от воздуха – это называется «прямой захват воздуха». На втором этапе углерод и кислород разделяются в результате химических процессов и образуют новые связи, в результате чего образуются метан и вода. Метан содержит углерод, который отщепляется в реакторе с жидким оловом. Этот этап процесса называется пиролизом. 

В рамках проекта под названием NECOC команда изучает, сколько энергии требуется и производятся ли загрязняющие вещества в качестве промежуточных продуктов, как объясняет Дитрих. Часть полученного водорода, например, поступает непосредственно обратно в процесс метанизации. В конечном счете, процесс «конечно, имеет смысл» только в том случае, если при производстве необходимой энергии не выделяется CO2, признает Дитрих – другими словами, если используются возобновляемые источники энергии. 

Мурлыка: «Большой потенциал

Этого мнения придерживается и Катя Пурр, возглавляющая отдел «Стратегии и сценарии по защите климата и энергетики» в Федеральном агентстве по охране окружающей среды: При использовании возобновляемых источников энергии этот подход обещает «большой потенциал для будущего».

По словам Дитриха, можно также очищать выбросы химической промышленности, например, с помощью стандартного скруббера, используемого там, и подавать отфильтрованный таким образом CO2 непосредственно на второй этап процесса NECOC, т.е. на метанизацию. Однако это не совсем решение для будущего, потому что целью является работа без ископаемых источников углерода, насколько это возможно – ключевое слово декарбонизация. «Дымоходов должно стать меньше, если мы хотим достичь климатического поворота», – также подчеркивает Пурр. 

Более насущная основная проблема заключается в том, что в ядерной сфере слишком много вредного для климата CO2. Потому что углекислый газ нагревает планету. Единственный способ избавиться от этого – так называемые отрицательные выбросы, то есть удаление парниковых газов, поясняет Пурр. «Нам нужны отрицательные выбросы, без этого не обойтись».

Огромное количество должно быть выведено из атмосферы

Однако недавний доклад Исследовательского института Меркатора по глобальным сообществам и изменению климата (MCC) показал, что международному сообществу еще многое предстоит наверстать. В настоящее время новыми методами удаляется только 0,002 гигатонны (миллиарда тонн) CO2 в год. Однако, учитывая климатические цели, к середине века – в среднем по различным сценариям – это количество должно быть в 1300 раз больше. Чтобы представить это в перспективе: по оценкам, в прошлом году глобальные выбросы CO2 составили 40,6 гигатонн. 

Тем не менее, сейчас существует несколько возможностей для хранения CO2 в огромных количествах в земле, например, или даже преобразования его в камень. «Ученые предполагают, что, улавливая CO2 при сжигании ископаемого топлива и затем храня его под землей, можно надолго удержать от 65 до 80 процентов CO2 в атмосфере», – поясняет Федеральное агентство по охране окружающей среды. 

Улавливание и хранение углерода является спорным

Однако технология, известная как улавливание и хранение углерода, является спорной. Это в значительной степени зависит от почвы, объясняет Пурр. Необходимо тщательно следить за тем, чтобы CO2 действительно оставался в земле. В Германии разрешены только исследования, испытания и демонстрация таких технологий. 

В этом отношении хранение в твердом углероде, как в случае с NECOC, также может быть более безопасным вариантом, говорит Пурр. «Я впервые сталкиваюсь с таким подходом». Дитрих из KIT также говорит, что отдельные подпроцессы были разработаны и протестированы в течение некоторого времени. Но: «Технологическая сеть с ее особыми задачами была реализована таким образом впервые в мире, согласно нашим текущим знаниям». Кроме того, KIT занимает лидирующие позиции в мире в области пиролиза жидких металлов как важного подэтапа.

Это вписывается в текущие дискуссии: Между тем, все большее значение приобретает не только хранение CO2, но и его повторное использование. Незадолго до Рождества правительство Германии приняло решение о разработке в этом году стратегии управления выбросами углекислого газа. На закрытом заседании в середине января федеральный исполнительный совет ХДС высказался за «подлинную циркулярную экономику CO2». Климатическая нейтральность не может быть достигнута только за счет предотвращения выбросов CO2.

Однако NECOC все еще находится в стадии становления. Испытательный комплекс, который KIT построил совместно с двумя компаниями, построен в масштабе контейнера. Фундаментальное исследование, в конце концов. На вопрос о том, когда его можно будет использовать в более широких масштабах, Дитрих не решается делать какие-либо прогнозы: «Нам еще предстоит сделать несколько шагов.