Улавливание углекислого газа непосредственно из атмосферы становится одним из ключевых направлений в глобальной борьбе с изменением климата. Современные технологии направлены на снижение выбросов CO2, однако для достижения целей Парижского соглашения необходимы методы не только контроля источников эмиссии, но и активного извлечения уже накопленного углекислого газа из воздуха. Одним из перспективных методов является прямое улавливание воздуха (DAC), которое способно извлекать СО2 непосредственно из атмосферного воздуха, где концентрация углекислого газа относительно низкая, около 400 частей на миллион. Несмотря на значительный потенциал, технологии DAC сталкиваются с серьезными энергетическими и экономическими барьерами. Традиционные адсорбенты на основе аминов обладают высокой селективностью, но требуют больших энергозатрат на регенерацию, что приводит к высоким операционным расходам.
В последние годы научное сообщество уделяет все больше внимания альтернативным подходам, где в качестве сорбентов используются материалы с физической адсорбцией углекислого газа. Эти адсорбенты характеризуются более быстрыми кинетиками адсорбции, устойчивостью к деградации и уменьшенной зависимостью от условии эксплуатации. Особенно перспективным стало применение адсорбентов при низких температурах, что способствует увеличению сорбционной способности и снижению энергозатрат на регенерацию. Недавние исследования показали, что еще более существенное повышение эффективной емкости по CO2 может быть достигнуто при работе в диапазоне температур от 160 до 220 К, близких к криогенным условиям. Такой подход именуют как низкотемпературный или почти криогенный DAC.
Одним из ключевых факторов успешного внедрения данной технологии является поиск и разработка адсорбентов, которые способны эффективно адсорбировать углекислый газ именно при таких условиях. В крупномасштабном моделировании и лабораторных испытаниях были выделены два материала с наилучшими характеристиками – цеолит 13X и экспериментальный сорбент CALF-20. Оба материала обладают высокой емкостью по CO2 при температурах порядка 195 К, демонстрируют низкую энтальпию десорбции и устойчивость к множественным циклам адсорбции-десорбции. Высокая сорбционная емкость в диапазоне 4.5–5.
5 ммоль на грамм позволяет значительно увеличить эффективность процесса улавливания. Совершенно новым и уникальным решением стала интеграция процесса низкотемпературного DAC с регазификацией сжиженного природного газа (LNG). Отрасль сжижения и регазификации природного газа постоянно расширяется, и в процессе регазификации наблюдается избыток «холодной» энергии при низких температурах, которые до сих пор не получили широкого применения. Использование этой энергии для реализации процедуры низкотемпературной адсорбции позволяет сэкономить значительные объемы электроэнергии на охлаждение и снизить себестоимость извлечения CO2. Такой синергичный подход может существенно повысить энергетическую и экономическую привлекательность прямого улавливания воздуха по сравнению с обычными решениями.
По оценкам экспертов, даже с учетом инфраструктурных особенностей и текущих темпов развития LNG-сектора, интеграция технологии низкотемпературного DAC может позволить улавливать порядка 100–140 миллионов тонн CO2 в год к 2050 году. Это значительный вклад в декарбонизацию и борьбу с глобальным потеплением. Несмотря на очевидные преимущества, технологии низкотемпературного DAC требуют дальнейших исследований в области материаловедения, оптимизации процессов и системного проектирования. Одной из важных задач остается преодоление влияния влаги, которая при низких температурах может ухудшать свойства адсорбентов и снижать эффективность процесса. Также необходимо разработать методы масштабирования производства адсорбентов с сохранением их функциональных характеристик и устойчивости.
Отдельное внимание уделяется снижению капитальных и эксплуатационных затрат, развитию систем интеграции с LNG-терминалами и предлагаемым инфраструктурным решениям. В мировом контексте низкотемпературный DAC может стать частью многоуровневого подхода к снижению концентрации парниковых газов, сочетая технологическую инновационность и возможности энергетического сектора. Новые прорывные технологии адсорбции на основе физической адсорбции при криогенных температурах открывают путь к созданию более дешевых, надежных и масштабируемых систем улавливания CO2. Это, в свою очередь, способствует укреплению глобальной энергетической безопасности и развитию устойчивой экономики с низким уровнем выбросов парниковых газов. В ближайшие годы ожидается увеличение инвестиций в научные проекты, связанных с улучшением сорбентов, оборудованием для низкотемпературного скафрирования, а также внедрением комплексных решений в промышленные процессы.
Учитывая текущие климатические вызовы, сочетание передовых материалов и инновационного использования энергетических ресурсов LNG предлагает многообещающий путь в формировании глобальной системы отрицательных выбросов. Таким образом, низкотемпературное прямое улавливание CO2 при помощи адсорбентов представляет собой перспективное направление с большим потенциалом для снижения углеродного следа и достижения климатических целей мирового сообщества. Продолжающееся развитие и интеграция данной технологии с энергетическим сектором облегчит переход к устойчивому будущему и даст мощный инструмент в борьбе с изменением климата.
