Можно ли изъять из атмосферы и утилизировать весь созданный человеком углекислый газ? да, соответствующие технологии не только созданы, но и показывают свои возможности в виде раз- личных демонстрационных, а то и коммерческих установок. дело в финансировании.
Борьба с газом
Тем, кто живет в холодной стране с большими запасами нефти, угля и газа, трудно понять тех, кто призывает от всего этого богатства отказаться и перейти к безуглеродной экономике. более того, некоторых такие призывы раздражают, поскольку подрывают основу их благосостояния, связанную именно с по- ставками упомянутых полезных ископаемых тем, кто их лишен. однако последние настроены весьма решительно и, подписав парижское климатическое соглашение, твердо намерены выполнить взятые на себя обязательства, а именно: сделать к 2050 году экономику своих стран углеродно-нейтральной. то есть такой, в которой объем парниковых газов, образо- вавшихся от человеческой деятельности, равен объему этих газов, утилизированных в рамках все той же деятельности. и для этого придумывают хитрые технологии, позволяющие замкнуть углеродный антропогенный цикл, добыв энергию на это из возобновляемых источников.
В советское время схожая проблема называлась комплекс- ной переработкой сырья (тогда, правда, никому в голову не могло прийти, что придется перерабатывать безвредный и мало кому нужный углекислый газ), однако, как можно судить по многочисленным публикациям «химии и жизни» 70—80-х годов, решена она так и не была. возможно, к современным инженерам из стран Евросоюза фортуна повернется лицом и им удастся осуществить комплексную переработку метана и углекислого газа — двух веществ, объявленных главными врагами современного человечества. своими последними идеями по этому поводу они поделились друг с другом на конференции «диоксид углерода как сырье для производства топлива, химических компонентов и полимеров», прошедшей в кёльне в марте 2018 года. Материалы конференции были любезно предоставлены нашей редакции организаторами. главный среди них — берлинская частная исследовательская организация «Nova-Institute», которая ставит перед собой задачу построения экономики на основе биотехнологий и утилизации углекислого газа.
СО2 : хоронить или перерабатывать?
После того как климатологи в конце XX века нарисовали апокалиптическую картину гибели цивилизации из-за ан- тропогенной эмиссии парниковых газов, стали возникать идеи, как бороться с этим бедствием, благо климатологи все же дают на решение проблемы несколько десятилетий. по- мимо очевидных соображений о том, что экономика должна быть экономной, что она должна перейти на возобновляемые
источники энергии и химического сырья, в числе прочих по- явилась идея захоранивать углекислый газ, образующийся в большом количестве при сжигании ископаемого топлива на тепловых электростанциях, а также на предприятиях по изготовлению металлов, цемента, бумаги, химических производствах и в сельском хозяйстве. всего в мире на- считывается около 8 тысяч крупных предприятий, дающих примерно половину глобальной эмиссии антропогенного углекислого газа, а она в 2015 году составляла около 40 гт. вот именно их газ, чтобы не распыляться на многие тысячи мелких котельных, и предполагается захоранивать. отличным местом захоронения считались полости в земной коре, например те, что остаются после извлечения нефти и природного газа, — по расчетам, имеющихся в наличии полостей нам хватит на полтора столетия.
Однако у этой замечательной идеи были два серьезных не- достатка. первый — угроза экологической катастрофы, если такое хранилище прохудится, второй — полная экономическая несостоятельность: захоронение газа порождает дополни- тельные расходы и не дает никаких денежных доходов, а только чувство удовлетворения от спасения планеты. поэтому со временем идея захоронения трансформировалась в идею переработки — использования углекислого газа перечислен- ных предприятий для изготовления чего-то нужного. лучше всего — топлива для них же. несколько ранее аналогичные соображения позволили наладить утилизацию другого парни- кового газа — метана, который образуется, в частности, при перегнивании отходов сельского хозяйства: во многих странах благодаря соответствующей налоговой политике этот газ те- перь не бесконтрольно поступает в атмосферу, а тщательно собирается и используется для замены ископаемого газа.
Вот как директор «Nоva-Institute» Михаэль карус объясняет разницу подходов: «сегодня ископаемый углерод содержится в земле. у нас есть такие альтернативы. первая — извлечь его, использовать запасенную энергию, собрать получившийся углекислый газ и снова его закопать. вторая — оставить ис- копаемый углерод там, где он лежит, заменив его топливом и химическим сырьем, которое сами же и синтезируем из имею- щегося углекислого газа. Если использовать возобновляемую энергию, такое синтетическое топливо или химическое сырье будет лучше, чем ископаемое, и даже лучше, чем полученное из растений. синтетическое топливо, изготовленное из «чер- ного», то есть полученного от сжигания ископаемого топлива, углекислого газа, снижает скорость роста концентрации пар- никовых газов: оно ведь заменяет ископаемое топливо. одна- ко эта замена возможна не везде. Если произойдет перевод городского транспорта на электричество, такое топливо будет хуже, чем электричество из возобновляемых источников. а вот для самолетов, грузовых судов и перевозок по суше на боль- шие расстояния только синтетическое топливо и оказывается спасительной для климата заменой ископаемому. причиной тому, что мы до сих пор не летаем на синтетическом керосине, служат глупость, невежество и лоббизм традиционных постав- щиков. изготовление синтетических углеводородов оказыва- ется не временной малоэффективной мерой, а полноценной альтернативой захоронению углекислого газа, поскольку так удается замкнуть углеродный цикл и тогда не потребуется никакого захоронения лишнего углекислого газа, его ведь по- просту не будет. главный залог успеха — использование при переработке углекислого газа возобновляемых источников электроэнергии. пессимисты говорят, что их слишком мало и они ненадежны. однако при правильном выборе технологии переработки и правильном размещении соответствующих предприятий это не станет лимитирующим фактором».
какие же идеи и технологии имеются сегодня для создания этого прекрасного нового мира с замкнутым углеродным ци- клом и безопасным топливом?
Утилизация растением
Самый известный и повсеместно используемый уже не одну сотню миллионов лет способ извлечения углекислого газа из атмосферы — это фотосинтез. казалось бы, им и надо вос- пользоваться для решения проблемы накопления углекислого газа в атмосфере. например, восстановить существовавшую в доиндустриальную эру площадь лесов, поскольку деревья за свою долгую жизнь накапливают в своих стволах много угле- рода. сделать это не просто – суша в основном распахана под сельскохозяйственные культуры, — площадь лесов составляет лишь 39% площади обитаемых земель. однако некоторые пустующие земли можно засадить быстрорастущими деревья- ми, которые и захоронят в своих корнях и стволах углекислый газ. увы, они это сделают на весьма непродолжительное вре- мя — полвека-век, то есть пока лес молодой и бурно растет. а после гибели деревья будут достаточно быстро утилизиро- ваны бактериями и грибами и превращены, по сути, в воду и углекислый газ. в лучшем случае часть изъятого углекислого газа превратится в гумус, где задержится на продолжительное время. дольше всего этот углерод будет захоронен в виде торфа, но его образование к лесам отношения не имеет.
один из способов надолго спрятать углерод, изъятый рас- тениями из атмосферы, — пережечь их на уголь, а тот закопать в почву: считается, что такая добавка улучшает ее структуру и повышает плодородие. угольный углерод будет храниться столетиями, и некоторые энтузиасты проводят опыты, чтобы выяснить детали этого процесса. другой способ — исполь- зовать дерево как строительный материал, тогда срок осво- бождения из него углерода увеличится еще на век-полтора.
Сторонники переработки углекислого газа, однако, скажут, что таким деревьям можно найти лучшее применение — пре- вратить их в моторное топливо, прежде всего, в этанол. тогда мы оказываемся на пути к биологической экономике, которая активно развивается в странах Евросоюза. в качестве энерге- тических быстрорастущих деревьев там используют тополя, ивы, а также травянистые растения-гиганты, вроде кенафа или бамбука. Если их не превращают в древесно-волокнистую плиту, не разлагают пиролизом на углерод и углеводороды, то перерабатывают в биоэтанол. для этого, правда, нужно отделить целлюлозу от принципиально несбраживаемого лигнина, что требует немалых затрат энергии и порождает большое количество отходов. однако можно пойти и другим путем, опробованным в бурятском городе тулуне (см. «химию и жизнь», 2009, No 5). созданная там при перепрофилировании спиртзавода технология переработки древесины в бутанол позволяет не только получать это ценное топливо — по ха- рактеристикам бутанол не отличается от бензина, его можно заливать в бензобак и использовать без переделок двигателя автомобиля, — но и делать из лигнина пеллеты для топливных котлов. при использовании такой технологии и целлюлозно- бумажный комбинат с подшефной теплицей оказались бы в числе предприятий замкнутого углеродного цикла: лигнин с добавкой солнечного/ветряного электричества обеспечат по- требности предприятия в энергии, а углекислый газ из дыма, ранее утилизированный деревьями, пройдет сквозь теплицу, повышая урожай, то есть создавая добавочную стоимость, и вернется в атмосферу в том же количестве. при этом часть целлюлозы надо бы отправлять на производство не бумаги, а бутанола — он служит топливом для техники лесорубов и работников теплицы. даже из этого простого примера вид- но, сколь разные бизнес-интересы должны быть учтены для того, чтобы сделать предприятие углерод-нейтральным, и неочевидно, что в конце концов вся эта система не окажется планово-убыточной.
Микроб-синтезатор
Борясь за экономическую эффективность, золотой спонсор конференции, компания «Phytonix» из северной каролины (сша), придумала, как можно обойтись без всякой деревопе- реработки и получать чистейший бутанол сразу из выбросов промпредприятия и солнечного света. для этого ее специ- алисты модифицировали цианобактерию. обычно этот микро- организм занимается фотосинтезом, изготавливая прежде всего сахара. из них другие микроорганизмы делают спирт. например, в упомянутой тулунской технологии эту работу выполняют анаэробные бактерии клостридии, перерабаты- вающие созданную деревом целлюлозу. инженеры компании сумели убрать посредника и встроили гены, ответственные за превращение сахара в спирт, в геном цианобактерии. она не только сохранила жизнеспособность, не отравившись чуже- родным продуктом, но и стала выделять его в культуральную жидкость. работникам компании оставалось только закачивать в биореактор углекислый газ, солнечный свет и очищать жид- кость от нарабатываемого бутанола — 560 литров на каждую тонну поданного углекислого газа. бонусом получается тонна кислорода, который можно отделить да и продать пользова- телям промышленных газов.
На конференции основатель и бессменный руководитель компании брюс данненберг сообщил, что с 2017 года идут переговоры о строительстве первых двух фабрик для реа- лизации этой технологии — в колумбии, столице северной каролины, где будут использованы выбросы углекислого газа от газовой электростанции местной ковровой фабрики, и в Евросоюзе, где источником углекислого газа послужит дым угольной электростанции. интересно, что в производстве такой бутанол оказывается чуть ли не в три раза дешевле, чем получаемый по традиционной технологии из пропилена. при- чины, видимо, в том, что и сам пропилен обходится в восемь раз дороже, чем бросовый углекислый газ, и переработчики углекислого газа в сша получают неплохие налоговые льготы, хотя сша и вышли из парижского соглашения.
Сейчас бутанол используют не в качестве топлива, по- скольку он дорогой, в 2018 году стоил в четыре раза дороже, чем бензин или этиловый спирт; бутанол — это химическое сырье. а вот у сделанного бактериями бутанола себестои- мость оказывается всего в полтора раза выше, чем у самого дешевого этанола из кукурузы, и почти такая же, как у самого дорогого, то есть он имеет неплохие шансы стать востребо- ванным топливом. по оценкам оптимиста данненберга, если бы ему удалось синтезировать и продать столько бутанола, чтобы его хватило на замену всех видов моторного топлива планеты, тогда глобальная эмиссия углекислого газа упала бы примерно на треть. при этом получится еще и выигрыш в зем- ле. так, сейчас в сша под производство этанола из кукурузы отведено 50 тыс. км2 плодородных земель, которые дают 60 млн литров этанола, а синтез такого же количества бутанола модифицированными бактериями потребует в двадцать раз меньшую площадь, причем неорошаемых земель.
Уксус и мясо из электричества
Бактерии можно заставить эффективно превращать молекулы углекислого газа в цепочки из нескольких углеводородных звеньев — то есть уже не топливо, а химическое сырье —не только генетической модификацией, но и при помощи элек- тричества. в биоэлектрореакторе микроорганизмы заселяют пористый электрод и при пропускании углекислого газа со- единяют его молекулы друг с другом и с ионами водорода, а необходимые для этого электроны они получают из сети. в 2010 году так были в лабораторных экспериментах получены первые заметные партии уксусной кислоты. спустя пять лет ученые располагали предварительными результатами по элек- тробиосинтезу этанола, бутанола, пропионовой и масляной кислот — последние содержат соответственно три и четыре атома углерода. а в 2017 году в продуктах синтеза случайно заметили и следы капроновой кислоты, содержащей шесть атомов с. это было уже очень интересно. оказалось, что с помощью электричества можно практически из ничего — из бросового углекислого газа — получать жирные кислоты, а за- тем использовать их как кормовые добавки либо превращать в синтетическое топливо или химическое сырье.
в принципе, биохимики давно научились наращивать углеродную цепочку уксусной кислоты с помощью фермен- тативных систем, где донором электронов служит этиловый или метиловый спирт. однако спирт надо еще получить из ис- копаемого сырья или из растений; в любом случае возникают как сточные воды, так и выбросы углекислого газа, то есть для уменьшения эмиссии такой способ не очень годится. а вот возобновляемое электричество в качестве донора электрона делает такую технологию интересной для защитников климата планеты от парниковых газов.
На сегодня самых высоких результатов добились голланд- ские исследователи из вагенингеновского университета во главе с людовиком жордином. год они гоняли электричество и смесь из 20% углекислого газа с 80% азота через электроре- актор. и вот на четвертом месяце опыта на его катоде сформи- ровался толстый мат из нескольких видов микроорганизмов, которые стали весьма охотно — о чем судили по резкому росту силы проходящего через систему тока — синтезировать уксусную, масляную и капроновую кислоты с максимальной скоростью 10, 6 и 1 граммов на литр в день соответственно. это меньше, чем скорости синтеза в коммерческих фермен- тативных реакторах (30— 90 г/л в день для производства этанола из крахмала), но, как видно, не безнадежно. затраты же электричества составили 23,5, 64,3 и 174 вт*ч на грамм каждой кислоты, что неудивительно: для синтеза уксусной кислоты из углекислого газа надо затратить 8 электронов, а капроновой — 32.
Эта технология еще находится в начале пути, поэтому иссле- дователи полны оптимизма. все-таки они до сих пор не разо- брались даже во взаимоотношениях внутри бактериального сообщества и, соответственно, не оптимизировали его. зато не используют никаких витаминов и других дорогостоящих питательных добавок — бактериальное сообщество обходится собственными силами. как бы то ни было, по факту, исследо- ватели уже умеют получать если не масло, то уксус из воздуха и электричества. а уксусная кислота — важное сырье для хи- мического синтеза, главное — получить на такое климат-обе- регающее производство льготы, дотации да и свести баланс.
А вот финские коллеги из технического исследовательского центра финляндии и лаппенрантского технологического ин- ститута во главе с доктором Юха-пекка питканеном пошли еще дальше: из тех же субстанций они собираются делать искусственную еду, которой накормят всех людей. в приду- манном ими процессе электричество используют несколько по-иному: им разлагают воду на кислород и водород. кис- лород как-то утилизируют, а водород вместе с углекислым газом отправляют в реактор. там живут водород-окисляющие бактерии: они умеют соединять водород с кислородом в мо- лекулу воды, а получившуюся при этом энергию направляют на усвоение углекислого газа, который в конце концов превра- щают в сахар и далее в белок. в сущности, этот процесс подобен фотосинтезу — там на одной из первых стадий тоже идет разложение воды, — только он проходит без действия света и волей человека. и в этом, по мнению питканена с коллегами, его большое преимущество. эффективность фотосинтеза у высших растений в пересчете на получаемые человеком по- сле гидролиза биомассы сахара оказывается менее 1%. Если использовать одноклеточные водоросли вроде хлореллы или спирулины, то эффективность вырастает до 5%. а снабжение бактерий уже подготовленным водородом увеличивает ее до 10% (солнечный свет здесь служит источником электричества для электролиза воды). аминокислотный состав такой пищи из углекислого газа тепловой станции и солнечного элек- тричества, как показали опыты, ничуть не хуже, чем у водо- рослевой или грибной (из белка плесневых грибов Fusarium venenatum с 1985 года делают искусственное мясо куорн). по соотношению питательных компонентов «электрическое» мясо оказывается очень диетическим: содержание жиров около 1% при 18% углеводов. самое же главное — такому реактору не нужно ничего из того, что требуется в сельском хозяйстве, ни пахотных земель, ни пастбищ, ни водопоя, ни стойла, ни хранилища. не нужны ему и протяженные светлые бассейны для выращивания одноклеточных водорослей или огромный реактор, где зреет упомянутая плесень: установка питканена помещается в стандартном контейнере и круглый год работает в холодном финском климате. польза же от технологии огромная: по расчетам питканена, углекислого газа всего лишь от одного, третьего по объему производства, целлюлозно-бумажного комбината финляндии хватит, чтобы синтезировать 59 000 тонн белка, что покрывает половину финского дефицита, а пойдет на это лишь 1% финского про- изводства электроэнергии. в перспективе же каждый сможет поставить у себя в доме мини-реактор и получать съедобный белок самостоятельно, из собственного солнечного электри- чества, обеспечив индивидуальную пищевую безопасность.
Поймать углекислый газ
Как это — в своем доме? — спросит внимательный читатель. хорошо, воду можно заправить, бактерий купить, солнечную электростанцию развернуть хоть в пустыне, хоть в подмо- сковье, а откуда взять углекислый газ? воздух здесь явно не подойдет, ведь углекислого газа в нем ничтожно мало, сотые доли процента. оказывается, об этой проблеме инженеры уже подумали и создали несколько технологий для улавливания углекислого газа. принципиально различаются те, что пред- назначены для обработки отходящих газов промпредприятий и для обычного воздуха.
например, квебекские инженеры из компании «со2Solutions» придумали и запатентовали самый перспективный, как они ут- верждают, способ изъятия углекислого газа из дыма электро- станций. ход их мысли таков. промышленность углекислого газа существует не одно десятилетие, ведь этот газ нужен многим. в пищевой промышленности им газируют напитки, нефтяники закачивают его в старые скважины для увеличения нефтедобычи, его применяют как безвредный подкислитель при подготовке питьевой и промышленной воды, для полу- чения сухого льда. поэтому технология извлечения углекис- лого газа из дыма предприятий создана давно. однако в ней используют раствор аминов, который требует достаточно бережного обращения, высокой температуры и вызывает быструю коррозию оборудования. в результате углекислый газ выходит дорогим. то есть для указанных целей его цена всех устраивает, а вот если смотреть в будущее и пытаться ис- пользовать углекислый газ там, где без него можно обойтись, нужно снижать цену. например, если в теплице поднять его концентрацию в три раза, до 0,1%, то урожайность удвоится. однако не покупают фермеры углекислый газ в баллонах, а направляют в теплицу дым от сожженного природного газа. дым — это не очень хорошо, в нем много влаги – не все рас- тения это любят, зато любят вредители. но при учете потерь все равно выходит экономически выгодно.
Промышленные легкие компании «CO2Solutions», как и настоящие, используют ферменты для поглощения и выделения углекислого газа квебекцы же решили отказаться от аминов и за несколько лет провели большую работу, создав ферментативную тех- нологию, которая должна давать столь дешевый углекислый газ, что даже в тепличном хозяйстве не смогут устоять перед соблазном. технология работает по принципу легких человека: главным в ней оказался фермент карбоксидегидрогеназа (у всех дышащих организмов он обеспечивает растворение в крови углекислого газа при его высокой концентрации и выде- ление из крови при низкой). в 2014 году химики компании син- тезировали улучшенную версию фермента, которая позволила всерьез заявить о готовности к промышленному внедрению технологии. в 2015 году была построена демонстрационная установка мощностью в одну тонну углекислого газа в день. а спустя год начались два коммерческих проекта. в одном, мощностью 30 тонн газа в день, будет утилизирован газ цел- люлозно-бумажного комбината, а затем, вместе с бросовым теплом, его употребят в строящейся неподалеку теплице. в другом же, расположенном на территории химического заво- да, утилизируемый газ станет сырьем для изготовления мета- нола, который превратится в уксусную кислоту и отправится в заводской производственный цикл. в недалеком будущем опробуют и технологию изготовления из метанола прекрасно- го топлива и химического сырья —диметилового эфира, а так- же начнут использовать углекислый газ для получения белка с помощью микробов. электричество для этих проектов будет, как и положено, возобновляемым — гидроэлектростанций в квебеке предостаточно.
иначе выглядит технология извлечения углекислого газа из бедного источника — имеющегося на планете воздуха. в установке швейцарской компании «Climeworks» поток воздуха продувают сквозь пористую мембрану с аминами, молекулы углекислого газа и водяного пара совместно осаждаются на поверхности пор. при наполнении мембраны ее нагревают до 1000с, вода испаряется, связь CO c аминами разрушается, большой, вполне хватает солнечной энергии или бросового тепла предприятия. поставив батарею таких устройств, можно обеспечить непрерывный поток углекислого газа в соответ- ствующую установку. попутно, при охлаждении испарений с мембраны, получается немало воды. поместив в наших фан- тазиях такой утилизатор газа где-нибудь в пустыне недалеко от моря – источника влаги, – получаем рядом с ним участок орошаемой земли.
Хотя такая установка совсем необязательно должна стоять рядом с предприятием — источником выбросов, это все равно будет считаться извлечением антропогенного углекислого газа. нет разницы, забирают ли его непосредственно из ис- точника или из окружающего воздуха — все равно содержа- ние газа в атмосфере уменьшается, а предприятие получает льготы и привилегии. правда, непосредственно из источника газ брать удобнее и экономичнее. при больших масштабах локальное обеднение атмосферы углекислым газом может сказаться на фотосинтезе растений в месте расположения установки, но эта тема пока не обсуждается — масштабы считаются слишком малыми, чтобы беспокоиться о такой опасности.
Первые промышленные установки компании «Climeworks» уже работают. одна, запущенная 31 мая 2017 года, снабжает углекислым газом теплицу в швейцарском хинвиле неподалеку от Цюриха. Мощность установки — 2,5 тонны углекислого газа в день, а поставили ее на крыше местного небольшого завода по переработке отходов. при этом, как отмечают менеджеры тепличного хозяйства, удается использовать бросовое тепло, что повышает энергетическую эффективность предприятия, а демонстрируемая экологическая ответственность способству- ет маркетингу помидоров и огурцов, выращенных в теплице.
Другая, мощностью 135 кг в день, стоит в исландском хед- лисхейде, где расположена третья в мире по мощности гео- термальная электростанция. эта установка демонстрирует способность при помощи бросового тепла электростанции извлекать из воздуха углекислый газ и надежно захоранивать его — газ растворяют в воде и закачивают под землю, на глу- бину 700 метров, где находится базальт. В нем происходит минерализация — отложение карбонатов. видимо, у исланд- цев, располагающих огромными ресурсами для производства геотермальной электроэнергии, есть возможность безболез- ненно проводить такие опыты, получая доход от продажи квот на выбросы парниковых газов.
Третий проект не менее интересен: в феврале 2018 года компания заключила контракт с путешественниками робертом и барни сванами. недавно они добрались до Южного полюса, используя только возобновляемые источники энергии, а с помощью установки «Climeworks» изъяли из атмосферы угле- кислый газ, который оказался там вследствие их перелета на самолете и доставки оборудования экспедиции в антарктиду. загоревшись идеей показать всему миру, как важно подчи- щать углеродный след, они твердо намерены использовать свой авторитет, чтобы организовать изъятие из атмосферы не менее 326 млн тонн со2 в ближайшие шесть лет. компания «Climeworks» со своими установками участвует и в несколь- ких международных проектах с большим финансированием (десятки миллионов евро) по превращению углекислого газа в топливо и химикалии. действительно, благодаря таким установкам эти проекты получают неплохое преимущество: нет необходимости располагать новое производство исклю- чительно поблизости от мощных источников антропогенного углекислого газа. Можно, напротив, удалиться в места, наибо- лее перспективные для получения второго необходимого ком- понента — электроэнергии из возобновляемых источников.
Воздушный пластик
Использование для производства пищи углекислого газа, изъятого из атмосферы либо из дыма предприятия, имеет достаточно отдаленное отношение к углерод-нейтральной экономике. Еда, будучи потребленной, очень быстро станет все тем же углекислым газом, то есть ископаемый углерод, что освободился при горении угля на электростанции, даже если его поймали и отправили в теплицу или в реактор питконена, в течение года-двух все равно окажется в атмосфере. в теплице некоторый выигрыш получится от того, что для ее насыщения углекислым газом не потребуется сжигать природный газ. кроме того, если продукцию продадут в окрестных поселках, не придется ее везти издалека.
С производством синтетического белка хоть из водорослей, хоть из плесени, хоть из воздуха ситуация несколько иная. такой белок, несомненно, сокращает объем сельскохозяй- ственного производства, а оно, особенно когда речь идет о животноводстве, дает немало парниковых газов. повсемест- ный переход на синтетическое мясо позволил бы избавиться
от сельскохозяйственных выбросов или существенно их со- кратить. однако, как свидетельствует горячая любовь жителей рф к ветчине из индейки, мороженому и сыру из пальмового масла или колбасе из сои, подавляющее большинство челове- чества перейдет на мясо из водорослей или бактерий только под дулом пистолета.
Творцы безуглеродного будущего, видимо, догадываются об этом и основным направлением своей деятельности считают все-таки утилизацию углекислого газа для получения топлива или сырья химической промышленности. впрочем, некоторым удается и прямо использовать этот газ как сырье для изготов- ления современных пластиков. интересным примером служит деятельность одного из лидеров немецкой химической про- мышленности — компании «Covestro», которая до недавнего времени называлась «Bayer MaterialScience».
За годы сотрудничества с университетом аахена и техниче- ским университетом берлина специалисты компании сделали катализатор, который обеспечивает полимеризацию углекис- лого газа. в результате они создали блоксополимер с фирмен- ным названием «Cardyon», состоящий из фрагментов такого полимера и полиольных участков. из кардиона можно делать как волокна, так и пористый упругий полиуретан, например, для изготовления матрасов или мягкой мебели. технологи су- мели запихнуть в молекулу кардиона до 20% углекислого газа без какого-либо ухудшения свойств материала по сравнению с полностью полученным из нефти. такая замена не только позволяет захоронить углекислый газ в изделии с длительным сроком службы, но и сокращает потребность в ископаемом сырье. в 2017 году было запущено производство кардиона объемом 5 тысяч тонн в год, а мебельщики уже используют сделанные из него матрасы в мягкой мебели. в дальнейшем номенклатуру планируется расширить, создать не линейные, а разветвленные, то есть более жесткие, полимеры — они пойдут в композиты как наполнители. а пока специалисты компании удовлетворены тем, что продемонстрировали воз- можность прямого использования углекислого газа в синтезе пластиков, позволили на реальном примере оценить экономи- ческую целесообразность подобной замены, заодно получив полное право рекламировать свое детище лозунгом «Sleeping on CO » — «сплю на углекислом газе». Впрочем, такое прямое использование углекислого газа в
химии — скорее исключение из правила.
Топливо из воздуха и солнца
У возобновляемой энергетики есть несколько серьезных про- блем. одна из них — крайне неравномерное распределение удачных мест на планете, зачастую очень далеко от потреби-телей — например, как геотермальное тепло в исландии или сильный ветер у нас на берегу северных морей. другая — по- ток этого электричества, особенно солнечного и ветряного, непостоянен, он зависит от времени дня, сезона, погоды. поэтому использовать такое электричество трудно: нужно создавать какие-то емкости для сохранения энергии во вре- мя максимума производства и расходования при минимуме. оптимального, то есть дешевого и надежного, решения этой проблемы пока нет. одно из перспективных — массовая рас- становка аккумуляторных батарей. считается, что этому по- способствует переход на электромобили — их аккумуляторы можно будет использовать как емкости для хранения электри- чества, ведь большую часть времени автомобиль простаивает в ожидании хозяина. Если при этом он подключен к сети, то его аккумулятор либо накапливает, либо отдает электричество, за что хозяин получает дополнительный доход. впрочем, даже этот способ не считается идеальным.
вот тут-то и появляется превращение углекислого газа в моторное топливо. для этого нужно провести электролиз воды и получить водород, затем нагреть смесь водорода с углекислым газом, сделать синтез-газ, то есть смесь водо- рода и угарного газа, а из него по известным химическим технологиям синтезировать углеводороды, прежде всего метанол. это гораздо эффективнее аккумуляторов: кубо- метр метанола содержит столько же энергии, сколько 222 новейших, полностью электрических автомобилей «BMW i3». Можно отправить синтез-газ и в реактор фишера — тропша, из него выйдет целый набор углеводородов: жидкое дизельное топливо, густая нафта для нефтехимии и твердый воск. не так давно считалось, что процесс фишера — тропша неэффек- тивен и проще все это делать крекингом нефти, но борьба с потеплением и экономическое соперничество вносит свои коррективы. так, в катаре, бедном нефтью, но богатом газом, компания «Shell» построила крупнотоннажное производство методом фишера — тропша жидких и твердых углеводородов именно из природного газа.
о том, как создают технологии производства углеводоро- дов из углекислого газа и возобновляемого электричества, можно судить по истории немецкой компании «SunFire», штаб-квартира которой находится в дрездене, как и демон- страционная установка. изначально эта компания занималась разработкой топливных ячеек и электролизом, в частности создавала установки для электролитического получения во- дорода — он нужен многим химическим и металлургическим производствам. когда идея утилизации углекислого газа обрела перспективы получения финансирования хотя бы от правительства, в компании решили освоить новую область за счет накопленного опыта.
для начала была собрана небольшая установка, где прохо- дил совместный электролиз водяного пара и углекислого газа. после отделения кислорода продукты отправляли в колонку, в ней шла так называемая обратная реакция конверсии водяно- го газа, в ходе которой получался синтез-газ. Его направляли в колонку фишера — тропша, откуда выходила синтетическая нефть. за 2000 часов процесс был отработан и успешно дал три тонны нефти. при этом конверсия электроэнергии в энергию топлива составила 60%, а утилизировано было 85% поступившего в реактор углекислого газа. так подтвердилась справедливость концепции.
на втором этапе начались улучшения. например, для про- ведения электролиза использовали высокотемпературную топливную ячейку с твердооксидной мембраной. удалось избавиться и от промежуточных стадий — синтез-газ стали делать сразу в этой ячейке. сейчас на демонстрационной установке при расходе 150 квт солнечного электричества получается 540 кубометров синтез-газа в час, который отправ- ляют химикам. а дальше будет еще интереснее — к установке добавят устройство извлечения углекислого газа компании
«Climeworks». в нем получается уже нагретая до 100ос смесь углекислого газа с водяным паром, поэтому можно обойтись вообще без расхода воды — надо лишь немного подогреть полученную из установки смесь. для нагрева собранного на мембране газа используют бросовое тепло реактора — про- ходящие в нем реакции экзотермические. все это с
