0
12948
Газета Печатная версия

25.05.2021 21:58:00

Пять проектов покорения углерода в трех стихиях

Новые способы удаления углекислого газа должны обеспечивать низкую стоимость процесса

Александр Майборода

Об авторе: Александр Олегович Майборода – руководитель научно-исследовательской компании «АВАНТА-Консалтинг», участник рабочей группы SpaceNet, подразделения AeroNet НТИ, член организации содействия развитию космической деятельности «Московский космический клуб».

Тэги: co2, углерод, технологии, экология, природа, углекислый газ


co2, углерод, технологии, экология, природа, углекислый газ Рис. 1. Глобальный оборот СО2. Источник: авторская статья «Происхождение и открытие углекислого газа, круговорот его в природе и промышленности»

Глобальный четырехлетний конкурс XPRIZE Carbon Removal, объявленный Фондом Маска, приглашает новаторов и команды из любой точки планеты для создания и демонстрации решений, которые могут извлекать углекислый газ непосредственно из атмосферы или океанов и надежно и устойчиво улавливать его. Они должны создать технологию, которая может улавливать 1 т углекислого газа в день. Чтобы выиграть главный приз (призовой фонд конкурса – 100 млн долл. – является крупнейшим поощрительным призом в истории), команды должны продемонстрировать работающее решение в объеме не менее 1 тыс. т, удаляемых в год; смоделировать их затраты в масштабе 1 млн т в год и показать путь к достижению низкой стоимости в гигатонном масштабе.

Верхние слои океана

Проблема улавливания СО2 из воздуха – крайне высокая стоимость процесса, в отличие от его перехвата у источника загрязнения – завода или электростанции. Сейчас типовая станция по переработке атмосферного воздуха и очистке его от углерода, тратит на каждую тонну от 600 до 1000 долл. А ведь необходимо аккумулировать гигатонны газа. Например, международная команда, действующая под эгидой НИК AVANTA-Consulting, предлагает решать проблему, используя наиболее благоприятные условия в трех природных средах – воздухе, воде и почве. Комплексное решение необходимо также потому, что даже очень эффективное удаление диоксида углерода из атмосферы без его удаления из океана, точнее из его верхних слоев, не даст результата.

В долгосрочной тысячелетней перспективе океан может поглотить из атмосферы примерно 85% антропогенного СО2. Пока концентрация углекислоты в атмосфере продолжает расти, океаны будут продолжать поглощать СО2. Однако эта реакция обратима. Если в будущем содержание СО2 в атмосфере снизится, океаны начнут выпускать накопленный газ обратно в атмосферу.

Кроме того, велика доля СО2, поступающего в океаны через реки, которые собирают почвенный диоксид углерода со стоками из речных бассейнов. Эти основные источники и поглотители диоксида углерода показаны на рис. 1. Поэтому и предлагается не одно, а группа решений, охватывающих три природных среды.

Удаление СО2 имеет смысл, если энергия на эту работу берется из возобновляемых источников, использующих энергию Солнца, ветровых и водных потоков. Возобновляемые источники – низкоконцентрированные источники энергии, и это требует материалоемких и дорогих преобразователей. Поэтому для снижения затрат необходимо использовать особые зоны планеты, в которых, к примеру, ветровые или водные потоки имеют высокую удельную мощность.

Такие зоны имеются. Сейчас они не используются главным образом по причине высокой стоимости передачи недорогой полученной энергии. Однако в случае с удалением СО2 эта энергия может потребляться на месте ее генерации, а это может дать искомое решение проблемы снижения затрат. И тут возможны варианты.

В почве, в небесах и низовьях рек

1. Бесплотинные гидроэлектростанции имеют удельную мощность 1 кВт/м2 поверхности рабочей лопасти при скорости потока, равного 2,5 м/с. Однако в реках обычная скорость потоков 0,3–0,5 м/с.

В океанах наибольшая скорость постоянных течений 2,5 м/с, и такой скорости достигает только Гольфстрим; большею же частью скорость течения в океанах не превышает 0,5 м/с. Вместе с тем есть участки со скоростью течения до 4,2 м/с (15 км/ч). Здесь сила водного потока в 2,8 раза больше, а удельная мощность гидрогенератора выше в 4,6 раза с соответствующим эффектом сокращения затрат на удаление СО2.

2. Значительно больший эффект обеспечивают ветровые электростанции (ВЭС). Типовые ВЭС эксплуатируются в местах, где среднегодовая скорость ветра составляет 6 м/с. Причем они включаются начиная со средней скорости ветра от 4,5 м/с и отключается при ветре более 25 м/с. Вместе с тем есть районы, где 300 дней в году скорость ветра составляет 30–50 м/с и выше. И главное, существует техническая возможность создания ветровой станции для таких воздушных потоков.

Отдаваемая мощность пропорциональна третьей степени скорости ветра. В этом случае сила ветра повышается в 25–70 раз, а удельная мощность станции увеличивается в 125–580 раз. Это многократно сокращает стоимость генерируемой энергии, потребляемой при удалении СО2. Соответственно можно ожидать сокращения стоимости изъятия углекислого газа с 1000 долл. до как минимум 50–100 долл. за тонну.

3. На планете есть низкотемпературные зоны, использование которых сокращает затраты на выделение СО2 из воздуха. В некоторых регионах среднегодовая температура может составлять −60,1°С. Несложно дополнительно охладить воздух еще на 20°С аппаратными средствами. При температуре −78,5°C диоксид углерода утрачивает газообразное состояние и может быть выделен из воздуха при минимальных затратах энергии и соответствующем сокращении стоимости до 50–100 долл. за тонну.

4. Высокая концентрация углекислоты наблюдается и в почвенном воздухе. Установлено, например, что атмосфера Земли на 90% обеспечивается углекислым газом, основным источником углеродного питания растений, за счет его диффузии из почвенного воздуха. Почвенный воздух имеет почти такое же количество азота, как и атмосфера Земли, кислорода обычно в два раза меньше, а диоксида углерода больше в десятки и сотни раз!

В почвах с большим содержанием органического вещества концентрация СО2 летом и весной увеличивается до 3–9%, притом что в надпочвенном атмосферном воздухе доля диоксида углерода составляет всего 0,04%. При этом избыток углекислоты часто действует угнетающе на растения – ее излишек (более 1%) подавляет проращивание семян и рост корневой системы. Большинство растений бывает угнетено при содержании в почвенном воздухе менее 9–12% кислорода и более 1% углекислого газа. И это позволяет без вреда откачивать определенную долю газа. В конечном счете почвенные воды все равно растворяют СО2 и выносят его в реки, выбрасывая по пути значительные его количества в атмосферу.

Максимальное содержание углекислоты в почвенном воздухе отмечается на глубине 0,9–1,8 м, где концентрация углекислого газа в течение всего года составляет 8–12%. В поверхностных горизонтах вследствие активного газообмена с атмосферой она понижается до 2% и падает до 0,04% в открытой атмосфере.

С позиции выяснения перспектив извлечения СО2 из почвенного воздуха следует принять во внимание: минимальная среднегодовая эмиссия СО2 наблюдается в почвах тундры – 0,3–0,7 т С/(га∙год), максимальная – в черноземах – 6–8 т С/(га∙год). Это значит, что при создании относительно простой недорогой дренажной системы почвенных газов на черноземах с 1,5 кв. км можно извлекать в среднем 1000 т углерода в год при малых энергозатратах из-за высокой концентрации СО2.

5. Высокая концентрация СО2 наблюдается также в реках, несущих воды в океан. В речной воде концентрация диоксида углерода в 15–20 раз выше концентрации в океане. Если в океанской воде концентрация СО2 равна 0,53 г/т, то в холодной речной – 8–11 г/т. Таковы реки, текущие на север: Енисей, Лена, Обь, Кола, Северная Двина и многие другие реки Сибири.

Пресные воды, обогащенные СО2, растекаются из устья рек по поверхности океана, где создают бинарный пресно-соленый слой, и концентрация газа постепенно снижается до обычных значений. Устья рек также должны характеризоваться повышенным выходом углекислого газа в атмосферу, так как его растворимость в соленой воде меньше, чем в пресной.

Таким образом, аппаратно-энергетические комплексы улавливания диоксида углерода разумно размещать не в океанах и морях, а в низовьях рек. Перехват диоксида углерода до его попадания в океан в 15–20 раз эффективнее благодаря его высокой концентрации и потому обеспечивает требуемое радикальное снижение затрат.

Для перехвата СО2 до его попадания в океан пригодны не только реки Сибири, но и реки Аляски и Канады. Реки регионов с теплым климатом также подходят: в их водах концентрация диоксида углерода все равно выше, чем в соленой воде. Исследование динамики углекислого газа в реках Wailuku и Wailoa и прибрежных водах «большого острова» Гавайев, показали значения, близкие к данным рек Сибири: концентрация газа 5–9,5 г/т, а залив был источником СО2 в атмосферу.

6. Возможность использования геотермальной энергии для аккумуляции СО2 и откачка его из газов, выходящих из трещин и разломов, называемых мофетами. Эти возможности хорошо исследованы и поэтому здесь не рассматриваются.

7-11-2480.jpg
Рис. 2. Стержневая ветрогенерирующая
установка (проект). Пока экспериментальный
образец имеет в высоту 3 метра.
Фото из архива автора
Углерод из пролива Дрейка

Рассмотрим возможные проекты использования перечисленных выше природных ресурсов для извлечения углекислого газа с учетом возможных условий реализации. Каждый из них имеет свои достоинства, и наверное, некоторые из них могут быть реализованы в одной общей системе.

Первый проект достаточно прост с точки зрения реализации. Это автоматизированное надводное или подводное судно, зафиксированное в водном потоке, например, тросом, закрепленным на дне. Лопасти гидротурбины приводятся в движение океанским течением. Генерируемая энергия используется для улавливания СО2 из атмосферы и/или воды. Там же на борту судна производится преобразование СО2 в нелетучую форму – для последующего захоронения или продажи в зависимости от типа производимого вещества. В случае разложения диоксида на углерод и кислород прессованные блоки технического углерода могут сбрасываться за борт как биологически безвредные – подвергаться захоронению на дне океана.

В качестве источника энергии выгодно использовать океаническое течение Гольфстрим. Заметим, что размещение установки в проливе Дрейка в 4,6 раза выгоднее, чем в Гольфстриме. Однако из-за штормовых волн (до 15 м) и проходящих через пролив айсбергов (преимущественно в южной части пролива) судно желательно размещать под водой на глубине 25–50 м с возможностью регулировки глубины погружения. Пролив имеет глубины более 5000 м, что создает определенные, но некритичные сложности с постановкой судна на якорь.

В проливе Дрейка можно разместить большую группу таких судов: в самой узкой части его ширина составляет не менее 820 км.

Второй проект также одним из мест реализации предполагает пролив Дрейка. В проливе постоянный западный ветер, иногда достигающий 35 м/с (126 км/ч). Предполагается возможным использование заякоренного подводного судна, которое при слабом волнении всплывает и раскрывает лопасти ветрогенератора. Такой аппарат для генерации энергии использует водный и воздушный потоки. Тем не менее лучшим местом ветрогенератора будет не океан, а суша, где нет проблем с устойчивостью из-за штормовых волн.

Перспективное место размещения улавливателя СО2 – гренландский ледяной щит на восточном побережье Гренландии. Здесь дует холодный ветер Питерак (Piteraq). Скорость достигает 50–80 м/с зимой и 20–40 м/с – летом. Зимой мощность ветрогенератора в 580–2370 раз выше мощности тихоходного ветряка.

Другое выгодное место размещения – берега Восточно-Сибирского моря на подветренной стороне певекского хребта. Здесь дует южак – сильный юго-восточный арктический ветер, который по механизму возникновения относится к так называемым подветренным бурям. Скорость южака может достигать 35–50 м/с, а территория, на которой он проявляется, составляет 20–40 кв. км, что удобно для размещения большой группы установок. Ветер возникает в любое время года и может дуть неделями без остановки.

Ледяное плато Антарктиды, пожалуй, самое лучшее место для размещения энергогенерирующего оборудования для улавливателей СО2. Здесь возникают стоковые ветры – перенос выхоложенного воздуха по наклону местности в сторону океана. По мере приближения воздуха к береговой линии в нижних 100−200 м могут развиваться очень большие скорости ветра (до 20 м/с и более). Стоковые ветры делают многие районы побережья Антарктиды самыми ветреными местами на земном шаре.

Частота и скорость ветров у окраин континента и над океаном весьма велики. Скорость стоковых ветров, как правило, составляет 30–50 м/с, а при отдельных порывах достигает 90 м/с. В отдельных районах побережья бури особенно часты. В таких областях за год бывает до 340 дней с бурями. Повторяемость ураганов и штормов очень велика. В Мирном, например, за год бывает около 250 штормовых дней, а на австралийской станции «Моусон» – более 300 дней.

Большая скорость ветра не является препятствием для использования ветрогенераторов: аналогичные системы работают в режиме электродвигателей винтомоторных самолетов при еще большей скорости потоков воздуха. Некторые модели экранопланов с электродвигателями обеспечивают скорость полета 80 м/с (290 км/ч), что соответствует максимальной скорости стокового ветра. Поскольку электромоторы – это электрогенераторы наоборот, то силовая установка гидросамолета – это пример штормового ветрогенератора.

Проблему создают порывы ветра и обледенение трущихся частей. Однако известна конструкция генераторов (Vortex), которые вообще не содержат вращающихся частей и генерируют энергию за счет вибрации стержневого корпуса. В планах автора изобретения постройка 140-метровой установки мощностью 1 МВт. Такие устройства очень устойчивы к суровым условиям эксплуатации в Антарктике. На рис. 2 показана стержневая ветрогенерирующая установка.

Пока экспериментальный образец имеет в высоту всего 3 м. Он представляет собой вытянутый цилиндр на подвижной опоре, способный колебаться вперед-назад под действием напора ветра. В основании цилиндра имеются два кольцевых отталкивающих магнита, которые возвращают ее в исходное положение при наклоне. За счет таких движений, частота которых зависит от силы ветра, и происходит генерация электроэнергии. Отсутствие вращающегося генератора не позволит ему замерзнуть во время зимних штормов, как это происходило со многими ветряками в Техасе в феврале 2021 года.

Третий проект также связан с Антарктидой. Здесь удачно сочетаются постоянные ветры и низкие температуры, облегчающие вымораживание диоксида углерода из воздуха. В некоторых регионах Юго-Восточной Антарктиды среднегодовая температура может составлять −60,1°C. На российской станции «Восток» с апреля по сентябрь минимальная температура воздуха ниже −80°C, а среднемесячная ниже –70°С. При этом почти до середины апреля и с начала третьей декады сентября на станции средняя температура выше −70°C.

Экономия энергии на криогенной дистилляции СО2 дает ресурс для разложения диоксида на углерод и кислород, например, методом электрофореза – карбоната лития или водного раствора газа. Прессованные брикеты углерода могут складироваться в углублениях ледяного плато или сбрасываться в океан для захоронения на дне.

Четвертый проект – дренирование плодородных почв для получения доступа к почвенному воздуху с высокой концентрацией СО2 – от 3–9% до 20% в некоторых случаях. Предварительный анализ показывает, что газовый дренаж 1 кв. км площади может обойтись в 200–300 тыс. долл. С учетом 50-летнего срока службы пластиковых элементов дренажной системы и при улавливании до 800 т СО2 ежегодно удельная стоимость выделения газа составит 5–7,5 долл. за тонну (без учета дисконтирования и энергозатрат). При высокой концентрации газа в воздухе издержки по его выделению в десятки и сотни раз меньше, чем при концентрации в 0,04%.

Пятый проект – улавливание СО2 из речных вод Сибири, Аляски и Канады. Аппаратное решение очень простое. Поток речной воды пропускается через емкость с техническим вакуумом, что приводит к дегазации воды. Разряженный газ откачивается из емкости и утилизируется. Поскольку концентрация углекислого газа в воде этих рек в 15–20 раз выше, то энергозатраты пропорционально ниже в сравнении с дегазацией воды океанов. Получение 1 т СО2 в сутки возможно при мощности насосов в диапазоне 130–150 кВт. Энергоснабжение должно обеспечиваться ветровой и гидростанциями.

Возможно, все рассмотренные направления будут реализованы. Некоторые из них, полностью новаторские, могут быть запатентованы по патентным правилам России и США в течение 6 и 12 месяцев соответственно. Однако на данный момент требуется предоставить одно эффективное решение, воплощенное в металле. Команда стартапа выберет одно из рассмотренных направлений для подготовки демонстрационного аппаратного комплекса с производительностью 1 т СО2 в сутки.

Наиболее вероятным кандидатом является система выделения СО2 из речной воды. Декарбонизация речных стоков решает сразу две проблемы: удаление диоксида углерода из верхних слоев океана и защиту атмосферы от СО2, выделяющегося из воды. Конструктивно система проста – это комбинация труб, баллонов и насосов. 


Оставлять комментарии могут только авторизованные пользователи.

Вам необходимо Войти или Зарегистрироваться

комментарии(0)


Вы можете оставить комментарии.


Комментарии отключены - материал старше 3 дней

Читайте также


Леса помогут России достичь углеродной нейтральности

Леса помогут России достичь углеродной нейтральности

Татьяна Астафьева

Участники проекта «Чистое будущее» заявили о необходимости разработки в РФ собственной методологии по оценке природного поглощения CO2

0
1081
Остров технологического суверенитета

Остров технологического суверенитета

Андрей Ваганов

Конструирование географических и геополитических фантомов заменяет государственную научно-техническую политику

0
3791
О жизни в безжизненном мире

О жизни в безжизненном мире

Владимир Кутырев

Путь вы(в, за, ис, от, пере, при, про, у)хода во Вселенную

0
3135
На дне океана обитают существа, которые останутся, даже если на поверхности планеты жизнь исчезнет

На дне океана обитают существа, которые останутся, даже если на поверхности планеты жизнь исчезнет

Иван Сапрыкин

Океанология – технологичная наука

0
1072

Другие новости