Спешната необходимост от улавяне на въглерод
Нивата на въглероден диоксид (CO₂) в атмосферата ни са рекордно високи, което води до опасни климатични промени. През 2024 г. концентрациите на CO₂ достигнаха около 426 части на милион – приблизително 50% по-високи от прединдустриалните нива news.berkeley.edu. Намаляването на емисиите е от решаващо значение, но експертите са единодушни, че това няма да е достатъчно само по себе си. Междуправителственият панел по изменение на климата (IPCC) казва, че трябва също да премахнем милиарди тонове CO₂, които вече са във въздуха, за да постигнем глобалните климатични цели reuters.com, news.berkeley.edu. Тук идват на помощ технологиите за улавяне на въглерод: улавяне на CO₂ при източника (например електроцентрали или фабрики) и дори директно от околния въздух, за да се постигнат „отрицателни емисии“. Както казва един климатолог, разчитането само на премахване на въглерода е рисковано – „Само чрез амбициозно намаляване на емисиите в близко бъдеще можем ефективно да намалим рисковете… [но] премахването на CO₂ (CDR) може да помогне за забавяне на затоплянето“ reuters.comreuters.com. Накратко, имаме нужда от улавяне и премахване на въглерод наред с намаляването на емисиите, а последните пробиви правят тези технологии по-реалистични.
Защо улавяне на въглерод? Трудно намаляващи емисии индустрии (цимент, стомана, енергетика) все още изпускат големи обеми CO₂. Улавянето на въглерод може да пречисти CO₂ от техните изгорели газове, като го предотврати да достигне въздуха. Например, само производството на цимент причинява ~7–8% от световните CO₂ емисии, а улавянето на тези „процесни емисии“ дълго време се смяташе за много трудно ccsnorway.com. Междувременно, директното улавяне от въздуха (DAC) системи могат да извличат разредения CO₂ от открития въздух (около 0,04% концентрация) – огромно предизвикателство, но съществено, ако целим да намалим вече натрупания CO₂ в атмосферата news.berkeley.edu. „Директното улавяне от въздуха се разчита да обърне тенденцията на нарастване на нивата на CO₂… Без него няма да постигнем целта за ограничаване на затоплянето до 1,5 °C,“ отбелязва Центърът за климатични промени на UC Berkeley, обобщавайки изводите на IPCC news.berkeley.edu.
До скоро улавянето на въглерод беше скъпо, енергоемко и основно ограничено до пилотни проекти. Традиционното улавяне използва течни амини (химикали, които свързват CO₂) в големи скруберни кули, които работят за концентрирани димни газове, но изразходват много енергия – и не са ефективни при ниски нива на CO₂ като във въздуха news.berkeley.edu. През 2024–2025 г. обаче учени и инженери по света представиха нови структури и технологии, които обещават да направят улавянето на CO₂ драстично по-ефективно, достъпно и мащабируемо. От авангардни материали, наподобяващи гъба, които поглъщат CO₂, до масивни нови инсталации, които съхраняват CO₂ в хиляди тонове, тези иновации ускоряват надпреварата за почистване на атмосферата ни.
По-долу разглеждаме най-новите пробиви в улавянето на CO₂ – включително усъвършенствани материали (метал-органични рамки, ковалентно-органични рамки, сорбенти), нови процеси (от улавяне при висока температура до слънчево захранвано DAC), както и големи проекти и инициативи по света. Включваме и мнения на водещи учени и климатични експерти за това какво означават тези развития за борбата с климатичните промени.
Усъвършенствани материали за улавяне на CO₂: MOF, COF и сорбенти
Голяма революция в улавянето на въглерод идва от материалознанието. Изследователите са създали нови порести твърди вещества с удивителни способности да улавят CO₂ молекули. Двама звездни играчи са метал-органични рамки (MOFs) и ковалентни органични рамки (COFs) – кристални материали с наноскопични пори, които действат като гъби с голяма повърхност за газове. Тези рамки могат да бъдат персонализирани с химични групи, които се захващат за CO₂, предлагайки огромни подобрения спрямо традиционните течни аминни филтри energiesmedia.comatoco.com.
- MOFs (Метално-органични рамки): MOFs се състоят от метални атоми, свързани чрез органични линкери, образувайки отворена решетка с вътрешна повърхност, толкова голяма, че „само един грам съдържа еквивалентната повърхност на футболно игрище“ energiesmedia.com. Учените могат да декорират порите на MOF с функционални групи (като амини или други реактивни места), за да улавят селективно CO₂. MOFs се изследват за улавяне на CO₂ повече от десетилетие, но нови формулировки издигат ефективността на нови висоти. Например, в края на 2024 г. екип от UC Berkeley, ръководен от проф. Джефри Лонг, откри MOF, който може да улавя CO₂ от горещ димен газ – при 300 °C, далеч над границите на конвенционалните материали news.berkeley.edu. Този MOF, известен като ZnH-MFU-4𝓁, използва цинков хидрид (ZnH) в порите си вместо амини, и тези се оказаха изключително стабилни при високи температури news.berkeley.edu. „Нашето откритие е на път да промени начина, по който учените мислят за улавянето на въглерод. Открихме, че MOF може да улавя CO₂ при безпрецедентно високи температури… нещо, което досега не се смяташе за възможно,“ казва д-р Къртис Карш, съавтор на изследването news.berkeley.edu. Материалът постига над 90% улавяне на CO₂ в симулирани изгорели газове (ниво, наречено „дълбоко улавяне“), дори при ~300 °C, с капацитет, сравним с най-добрите сорбенти на основата на амини news.berkeley.edu. Това е промяна на играта за индустрии като цимент и стомана, където димните газове често достигат 200–400 °C news.berkeley.edu. Вместо да се инсталират сложни охладителни системи за използване на конвенционално улавяне, такива високотемпературни MOFs един ден могат да бъдат интегрирани директно в комините. Както отбелязва проф. Лонг, „Тази работа показва, че с правилната функционалност – тук, цинкови хидридни места – бързо, обратимо, висококапацитетно улавяне на CO₂ наистина може да бъде постигнато при високи температури като 300 °C“ news.berkeley.edu. Изследователите сега проучват варианти на този MOF и настройват металните му места, за да насочат други газове или да увеличат още повече капацитета news.berkeley.edu.
- COFs (Ковалентни органични рамки): COFs са като MOFs, но без метал – те са изградени изцяло от леки елементи (C, H, N, O), свързани със здрави ковалентни връзки. Това може да ги направи по-устойчиви на определени условия. През октомври 2024 г. екип, ръководен от проф. Омар Яги (изобретателят на MOFs/COFs) и проф. Лаура Галярди, представи COF-999, нов COF за улавяне на CO₂, който впечатли изследователите с представянето си pme.uchicago.edu. COF-999 е пореста решетка, чиито хексагонални канали са „декорирани с полиамини“ – по същество, дълги вериги от аминогрупи, израснали вътре в порите pme.uchicago.edu. Тези амини действат като молекулярни куки за CO₂. При тестове в UC Berkeley, само малка проба от COF-999 успя да отстрани напълно CO₂ от околния въздух. „Пуснахме въздуха от Бъркли – просто външен въздух – през материала, за да видим как ще се представи, и беше прекрасно. Почисти въздуха напълно от CO₂. Всичко,“ съобщи проф. Яги news.berkeley.edu. Според изследователите, 200 грама COF-999 (около половин паунд) могат да улавят 20 кг CO₂ годишно, приблизително колкото абсорбира едно зряло дърво news.berkeley.edu. Важно е, че COF-999 е изключително стабилен: той показа никаква деградация за 100 цикъла на улавяне и освобождаване на CO₂ pme.uchicago.edu. „Той е много стабилен както химически, така и термично, и може да се използва поне 100 цикъла,“ каза проф. Галярди pme.uchicago.edu. Тази издръжливост решава голям проблем – много по-ранни материали се разпадаха след многократна употреба, особено заради вода или замърсители във въздуха. Гръбнакът на COF-999 е изграден от олефинови (въглерод-въглеродни) връзки, които са сред най-здравите в химията news.berkeley.edu. За разлика от някои MOFs, които се разпадаха във влажен въздух или при основни условия, този COF не се влияе от вода, кислород и други газове news.berkeley.edu. „Улавянето на CO₂ от въздуха е много предизвикателно – трябва ви голям капацитет, висока селективност, водоустойчивост, ниска температура на регенерация, мащабируемост… Това е трудна задача,“ обясни Яги, „Този COF има здрав гръбнак, изисква по-малко енергия и показахме, че издържа 100 цикъла wбез загуба на капацитет. Няма друг материал, който да е показал такова представяне” news.berkeley.edu. Всъщност, Яги нарече COF-999 „на практика най-добрият материал за директно улавяне на въглерод от въздуха“ до момента news.berkeley.edu. Поглъщането на CO₂ достига до 2 милимола на грам сорбент, което го нарежда сред най-добрите твърди сорбенти news.berkeley.edu. А тъй като освобождава CO₂ при нагряване само до ~60 °C (140 °F), потенциално може да използва нискокачествени топлинни източници за регенерация news.berkeley.edu. Екипът вече използва AI техники, за да проектира още по-добри рамки, с цел материали, които могат да улавят „два пъти повече CO₂“ преди да се нуждаят от регенерация pme.uchicago.edu. Такова AI-движено откриване е нарастваща тенденция: например, изследователи от Университета на Илинойс в Чикаго и Националната лаборатория Аргон наскоро използваха изчислителна рамка, за да пресеят 120 000 хипотетични MOF структури и да идентифицират обещаващи за улавяне на CO₂ energiesmedia.com. Лабораторията на Яги също е създала стартъп, Atoco, за комерсиализация на тези ретикуларни материали за улавяне на въглерод.
- Твърди сорбенти и други материали: Освен МОФ и КОФ, се тестват различни нови твърди сорбенти. Това включва модифицирани зеолити, порести полимери, йонообменни смоли и дори материали, вдъхновени от природата. Много от тях са функционализирани с аминови групи, за да свързват химически CO₂. Целта е да се постигне висока капацитетност и селективност към CO₂, като същевременно се изисква по-малко енергия за регенериране в сравнение с течните аминови разтвори. Някои стартъпи изследват сорбенти на основата на ензими или електрохимично улавяне на CO₂ (използване на електричество за освобождаване на CO₂ вместо топлина). Други, като Heirloom Carbon в САЩ, прилагат различен подход: използват естествено срещащи се минерали. Heirloom разстила калциев оксид (получен от варовик), който пасивно абсорбира CO₂ от въздуха, като се превръща обратно в калциев карбонат, след което се нагрява, за да освободи чист CO₂ и да регенерира оксида. Този минерален цикъл използва евтини и изобилни материали (на практика ускорено изветряне на варовик). През 2023–2024 г. Heirloom привлече големи инвестиции за разрастване – над 150 милиона долара – и строи първите си търговски съоръжения businesswire.com, heirloomcarbon.com. Макар и по-бавен от системите с вентилатори, минералният DAC може да бъде евтин и работи на топлина; Heirloom твърди, че може да постигне разходи под $100/тон при мащабиране. Междувременно, мембраните за улавяне на CO₂ отбелязват постепенни подобрения, макар че работят основно за концентрирани газове. Изследователите разработват и хибридни сорбенти (например, свързване на ензими или течноподобни материали върху твърди носители), за да комбинират най-добрите качества на всеки. Пейзажът на материалите бързо се разширява, подпомаган от AI дизайн и високопроизводително тестване. Както отбеляза един енергиен медиен източник, „усъвършенстваните метал-органични рамки… функционират като молекулярни гъби“, а когато се комбинират с интелигентно инженерство на процесите (като вакуумни цикли), новите системи са демонстрирали до 99% улавяне на CO₂ в лабораторни тестове – далеч над типичните 50–90% за по-старата технология energiesmedia.com. Накратко, усъвършенстваните материали позволяват улавянето на въглерод да бъде по-ефективно (улавяйки по-голяма част от CO₂, >95–99% в някои случаи), като използва по-малко енергия. Например, един нов МОФ филтър постигна същата степен на улавяне на CO₂ с около 17% по-малко енергия и 19% по-ниски разходи в сравнение с конвенционалните аминови системи energiesmedia.com. Всички тези подобрения са от решаващо значение, тъй като по-ниската енергийна консумация означава по-евтина експлоатация и по-малък въглероден отпечатък на самия процес на улавяне.
Иновативни процеси и синергии за улавяне на CO₂
Успоредно с новите материали, инженерите преоткриват как се улавя и освобождава CO₂, правейки процеса по-практичен. Традиционното улавяне на въглерод често използва температурна или налягане-суинг адсорбция – излагате сорбента на газ, за да адсорбира CO₂, след което променяте условията (загрявате го или намалявате налягането), за да го накарате да освободи CO₂ за съхранение. Нови техники подобряват този цикъл:
- Синергия между Moisture-Swing и добив на вода: Пробивна идея през 2024 г. беше използването на водна пара за подпомагане на десорбцията на CO₂. В статия, публикувана в Nature Communications (ноември 2024), изследователи показаха, че добавянето на импулс от влажност може драстично да намали енергията, необходима за регенериране на DAC сорбенти nature.com. Техният метод улавя както вода, така и CO₂ от въздуха с помощта на твърд аминов сорбент; след това, при около 100 °C, въвеждат концентрирана водна пара, която ефективно изтласква CO₂ от сорбента. Процесът дава 97,7% чист CO₂ (готов за съхранение или използване) и едновременно произвежда прясна вода, всичко това без необходимост от вакуум помпи или парни котли с високо налягане nature.com. Всъщност, прост in-situ парен продух беше достатъчен за възстановяване на 98% от уловения CO₂ с около 20% по-малко енергия nature.com. Още по-впечатляващо, те демонстрираха прототип, захранван изцяло от слънчева топлина, показвайки потенциала за DAC устройства, работещи с възобновяема енергия в отдалечени райони nature.com. Тази концепция за „разпределен DAC“ – използване на слънчева светлина и околна влага – може да позволи достъпно премахване на въглерод в региони с недостиг на вода, като едновременно се произвежда вода. Това е умен обрат на проблема: водата обикновено се смята за замърсител при улавяне на CO₂ (влажният въздух прави много сорбенти по-малко ефективни), но тук водата се превръща в предимство за подпомагане на освобождаването на CO₂.
- Енергийно ефективна регенерация: Друг акцент е извличането на по-голяма ефективност от етапа на освобождаване на CO₂. Един пример е топлинната интеграция. В първия в света проект за улавяне на въглерод в циментов завод в Норвегия (обсъден по-късно), инженерите внедряват система за възстановяване на топлина при улавяне на въглерод: отпадната топлина от компресора за CO₂ се рециклира за генериране на пара, която подпомага работата на аминия скрубер, осигурявайки около една трета от необходимата топлина за регенерация man-es.com. Чрез повторно използване на топлина, която иначе би се загубила, системата значително намалява енергийния разход за улавяне man-es.com. Дигиталната оптимизация на процеса също така съкращава времето за стартиране и елиминира някои ненужни компоненти, правейки системата по-гъвкава в експлоатация man-es.comman-es.com. По подобен начин много нови системи за улавяне използват вакуумна или пресурна адсорбция с усъвършенствани сорбенти, за да избегнат напълно нагряването: те създават вакуум, за да освободят CO₂ от сорбента при стайна температура, спестявайки енергия. Някои дизайни редуват две или повече легла със сорбент, така че едното улавя, докато другото се регенерира, осигурявайки непрекъсната работа (така работят DAC модулите на Climeworks, използвайки ниско налягане на пара или вакуум за регенериране на филтрите си).
- Електрохимични и каталитични подходи: Извън топлинните/налягане цикли, компаниите иновират с улавяне на CO₂, задвижвано от електричество. Например, спиноф на MIT, наречен Verdox, разработва електро-суинг адсорбция, при която прилагането на напрежение променя афинитета на материала към CO₂ – на практика „зареждате“ сорбента да поеме CO₂ и след това го „разреждате“, за да освободи CO₂, без значително нагряване. Това може да се захранва с възобновяема електроенергия и да се мащабира модулно. Други изследователи добавят катализатори към системи на основата на разтворители, за да намалят енергията, необходима за освобождаване на CO₂ (например ензими въглеродна анхидраза или метални катализатори, които помагат за разкъсване на връзката CO₂-амин при по-ниски температури). Макар тези подходи да са предимно в R&D, те представляват обещаващ фронт за намаляване на енергийните разходи за улавяне чрез използване на по-умна химия вместо груба топлина.
- Хибридни системи (CCUS): Някои нови инсталации комбинират улавяне на CO₂ с незабавна употреба, за да подобрят икономиката. Например, съществуват проекти за директно улавяне на CO₂ от въздуха за горива, при които CO₂, извлечен от въздуха, се подава в реактор (със зелен водород) за производство на синтетични горива. Има пилотни проекти, които свързват DAC модули с синтез на горива или с производство на бетон (минерализиране на CO₂ в строителни материали). В един забележителен проект, DAC технологията на Carbon Engineering ще бъде комбинирана със синтеза на горива на Air Company в планиран завод за производство на самолетно гориво от атмосферния CO₂. Друга хибридна концепция е BECCS (биоенергия с CCS), при която електроцентрали на биомаса улавят своите CO₂ емисии – постигайки нетно-отрицателни емисии, тъй като CO₂ идва от въглерод, фиксиран от растенията. Тези иновации все още са в начален етап, но могат да създадат приходи (горива, продукти), които да компенсират разходите за улавяне и да помогнат за мащабирането на технологията.
Като цяло, темата е ефективност и интеграция: превръщане на CO₂ улавящите модули в умни машини, които извличат CO₂ с минимална енергия, често използвайки природни процеси (като воден цикъл, отпадна топлина или възобновяема енергия). Тези технологични пробиви, комбинирани с напреднали материали, водят до рекордни резултати в лаборатории и ранни демонстрации. Например, използвайки специален MOF филтър и вакуумен цикъл, един екип наскоро постигна 99% улавяне на CO₂ в лабораторни тестове, използвайки с около 17% по-малко енергия от по-старите методи energiesmedia.com, energiesmedia.com. Всички тези подобрения ни доближават до мечтата за рентабилно улавяне на въглерод в голям мащаб.
Улавяне на въглерод при източника: Пречистване на индустриите
Улавянето на CO₂ от точкови източници – като електроцентрали, фабрики и рафинерии – е ключов елемент в борбата с климатичните промени. Тези източници произвеждат CO₂ с висока концентрация и обем, така че улавянето тук може да предотврати големи емисии да достигнат атмосферата. Няколко големи развития през 2024–2025 г. засилиха улавянето на въглерод от точкови източници:
- Цимент и стомана – първите проекти в пълен мащаб: В началото на 2025 г. норвежкият проект за улавяне и съхранение на въглерод Longship отбеляза исторически етап: съоръжението Brevik CCS стана първият в света завод за улавяне на CO₂ в пълен мащаб в циментова фабрика ccsnorway.com. След завършване на строителството в края на 2024 г., Brevik CCS започна да улавя CO₂ от циментовия завод на Heidelberg Materials в Бревик, Норвегия. До май 2025 г. вече бяха безопасно уловени първите 1 000+ тона CO₂ по време на тестовете за пускане в експлоатация ccsnorway.com. След като заработи напълно, ще улавя 400 000 тона CO₂ годишно, елиминирайки около 50% от емисиите на завода man-es.com. Този CO₂ се втечнява на място и се транспортира до постоянно хранилище под Северно море като част от проекта Northern Lights ccsnorway.com. Това е пробив за тежката индустрия – както заяви Gassnova (норвежката агенция за CCS), „Циментовият сектор е отговорен за 7–8% от световните CO₂ емисии… Улавянето на процесни емисии от тази индустрия дълго време се смяташе за изключително предизвикателство. Фактът, че Brevik CCS вече улавя CO₂ на практика, е пробив… технологично и индустриално“ ccsnorway.com. Това доказва, че дори „трудно намаляемите“ индустриални CO₂ емисии могат да бъдат улавяни в мащаб. Следващият проект е норвежки завод за енергия от отпадъци в Осло, който ще започне работа с улавяне на CO₂ (~400 хил. тона/годишно) през 2026 г., като допълнително демонстрира CCS в различни сектори.
- Улавяне при високи температури за индустрията: Един голям проблем за индустрии като стоманодобива и циментовата промишленост беше, че техните отпадъчни газове са твърде горещи за конвенционалните CO₂ скрубери (които изискват охлаждане на газовете до ~40–60 °C). Охлаждането на тези газове струва енергия и вода, което затруднява внедряването news.berkeley.edu. Новият цинков хидрид MOF от UC Berkeley (споменат по-рано) директно решава този проблем: той улавя CO₂ при 300 °C, типично за димните газове от циментови/стоманени пещи news.berkeley.edu. При тестове, симулиращи реални отпадъчни газове (20–30% CO₂, с други газове), този MOF улавя над 90% от CO₂ дори при температури като във фурна news.berkeley.edu. Такива материали могат да позволят ретро-фит на системи за улавяне върху индустриални пещи без добавяне на големи охладители. Както отбелязва д-р Карш, това отваря „нови посоки в науката за разделяне“ – проектиране на сорбенти, които работят при екстремни условия news.berkeley.edu. Засега повечето проекти за улавяне от точкови източници все още използват усъвършенствани амини или улавяне на основата на амоняк, но и те се развиват. Китай, например, обяви през 2024 г., че ще тества улавяне на въглерод в няколко въглищни електроцентрали до 2027 г., наред с изпитания за съвместно изгаряне на биомаса и амоняк за намаляване на емисиите spglobal.com. Китайските инженери са разработили собствени системи за улавяне на основата на разтворители и дори мембранни контактори за димни газове от електроцентрали. С нарастващата политическа подкрепа (китайските насоки от 2024 г. включиха CCUS в официалната си декарбонизационна пътна карта climateinsider.com), очакваме скоро да видим демонстрационни блокове за улавяне в голям мащаб във въглищни и газови централи в Азия.
- Електроцентрали на природен газ с CCS: В САЩ и Великобритания напредват планове за изграждане на първите газови електроцентрали с пълно улавяне на въглерод. В британския регион Тийсайд проектът Net Zero Teesside цели да оборудва нова газова електроцентрала с CCS до края на това десетилетие, като CO₂ ще се изпраща за съхранение в Северно море. В САЩ NET Power (американски стартъп) е разработил Allam-цикъл електроцентрала, която по същество произвежда чист поток CO₂ чрез изгаряне на природен газ с чист кислород в CO₂ среда – по същество енергиен цикъл, който дава течен CO₂, готов за съхранение. Очаква се 300 MW NET Power централа да заработи в Тексас до 2026 г., като потенциално ще стане първата по рода си газова електроцентрала с нулеви емисии. Тези интегрирани проекти могат да осигурят чиста енергия, като улавят почти 100% от произведения CO₂.
- По-евтини разтворители и модулни системи: Редица компании работят по постепенно по-добри технологии за улавяне на въглерод от източника – например, Mitsubishi Heavy Industries и Aker Carbon Capture вече са внедрили усъвършенствани аминови разтворителни системи, които намаляват енергийната консумация с около 30% спрямо по-старите амини, благодарение на патентована химия, която свързва CO₂ също толкова здраво, но го освобождава по-лесно. Модулни улавящи единици (монтирани на скида) се предлагат на пазара, които могат да улавят, например, 30–100 тона CO₂ на ден от малки индустриални източници (като заводи за етанол или циментови пещи) без масивна инфраструктура. Тези по-малки единици могат да се умножават за увеличаване на капацитета. В Япония правителството си постави цел до 2030 г. да улавя 6–12 милиона тона CO₂ годишно (включително от индустрията) и финансира НИРД за следващо поколение разтворители и методи за адсорбция iea.org. Стремежът е улавянето на въглерод да стане plug-and-play за много съоръжения, вместо всеки път да се правят индивидуални мегапроекти.
Като цяло, улавянето на въглерод от източника през 2024–2025 г. преминава от пилотен етап към реални проекти, които прихващат CO₂ от индустриални операции. С първите по рода си инсталации като Brevik, които доказват, че това е възможно, фокусът сега е върху намаляване на разходите и енергийната консумация – където новите материали и процеси ще играят голяма роля. Крайната визия е, че в близко бъдеще въглищна централа или циментов завод ще могат да добавят модулна система за улавяне, пълна с усъвършенствани сорбенти (може би MOF пелети или подобни), които могат да отделят >90% от CO₂ дори от горещи, замърсени изгорели газове, и след това или да рециклират този CO₂ в продукти, или да го изпращат безопасно под земята. С разпространението на тези решения, те могат значително да намалят въглеродния отпечатък на ключови индустрии по време на прехода към по-чисти алтернативи.
Директно улавяне от въздуха: Извличане на CO₂ от въздуха
Докато улавянето от източника предотвратява нови емисии, директното улавяне от въздуха (DAC) цели реално да намали вече съществуващия CO₂ в атмосферата. DAC често се сравнява с „прахосмукачка за атмосферата“ – трудна задача, като се има предвид, че CO₂ е само около 0,04% от въздуха. Но през 2024–2025 г. DAC постигна осезаем напредък, с нови инсталации, които влизат в експлоатация, и по-добри сорбенти, които правят процеса по-осъществим.
Разширяване на DAC съоръженията: През май 2024 г. швейцарската компания Climeworks включи най-голямата досега DAC инсталация в света, наречена Mammoth, в Исландия climeworks.com. Mammoth е около 10 пъти по-голяма от предишната инсталация Orca на Climeworks. След като заработи напълно, нейните 72 модулни CO₂ колектора ще улавят до 36 000 тона CO₂ годишно от въздуха climeworks.com. Инсталацията работи с възобновяемата геотермална енергия на Исландия; след улавянето CO₂ се предава на Carbfix, исландски партньор, който го инжектира дълбоко под земята, където се минерализира в камък climeworks.com. Mammoth започна с инсталиране на 12 от своите колекторни модули през 2024 г. и вече е започнала „да улавя първия си CO₂“, като завършването се очаква до края на 2024 г. climeworks.com. Съизпълнителният директор на Climeworks Ян Вурцбахер го нарече „още едно доказателство в нашето пътуване към мащабиране до мегатонен капацитет до 2030 г. и гигатонен до 2050 г.“, подчертавайки, че компанията натрупва безценен практически опит как да оптимизира DAC в по-големи мащаби climeworks.com. Всъщност Climeworks вече има седем години опит на терен и обработва 200 милиона данни дневно от своите инсталации, за да усъвършенства работата им climeworks.com. Уроците от Mammoth ще бъдат използвани за още по-големи проекти: Climeworks е част от три предложени „мегатонни“ DAC хъба в Съединените щати, всички от които бяха избрани през 2023 г. от Министерството на енергетиката на САЩ за начално финансиране climeworks.com. Най-големият от тях, Project Cypress в Луизиана, получи 50 милиона долара в началото на 2023 г. за стартиране на инженерните дейности; предвижда се да улавя 1 милион тона CO₂ годишно след построяването си climeworks.com. Тези американски DAC хъбове целят да използват изобилната възобновяема енергия и геоложкото съхранение, за да мащабират драстично DAC.
САЩ в частност залагат много на DAC. През 2022 г. правителството задели 3,5 милиарда долара за регионални DAC хъбове. В края на 2024 г. Министерството на енергетиката стартира нов кръг за финансиране от 1,8 милиарда долара, за да подкрепи до 9 нови DAC съоръжения, вариращи от средни (улавяне на 2 000–25 000 тона/годишно) до големи (≥25 000 тона/годишно), плюс инфраструктура „хъб“ за свързване с места за съхранение или използване energy.gov. Тази програма изрично търси „трансформационни“ DAC технологии и ще помогне на обещаващи проекти да преминат от пилотен към търговски мащаб energy.gov. Министърът на енергетиката Дженифър Гранхолм отбеляза, че широкото внедряване на DAC ще бъде ключово за климатичните цели на САЩ и за нова чиста индустрия. Вече се движат няколко високопрофилни проекта: дъщерното дружество на Occidental Petroleum – 1PointFive (в партньорство с Carbon Engineering) получи награда до 500 милиона долара от DOE през 2024 г. за изграждане на DAC завод в Южен Тексас 1pointfive.com. Първоначалните 50 милиона ще финансират инженеринг и оборудване за завод, проектиран да улавя 500 000 тона CO₂ годишно от въздуха, с планове за разширяване до 1 милион тона/годишно и в крайна сметка до 30 милиона/годишно на този обект 1pointfive.com. „Големият мащаб на DAC е една от най-важните технологии, които ще помогнат на организациите и обществото да постигнат нетни нулеви емисии,“ каза изпълнителният директор на Occidental Вики Холъб, като похвали подкрепата на DOE и изрази увереност в реализирането на „премахване на CO₂ в мащаб, релевантен за климата“ 1pointfive.com. DAC хъбът в Южен Тексас ще използва високотемпературния DAC процес на Carbon Engineering (който използва разтвори на калиев хидроксид и гигантски контактори за абсорбиране на CO₂, след което регенерира чист поток CO₂ чрез калцинация). Забележително е, че обектът в King Ranch, Тексас, има подземни солени формации, които могат да съхраняват до 3 милиарда тона CO₂, позволявайки десетилетия на работа 1pointfive.com. Чрез комбиниране на улавянето и съхранението на едно място, това ще опрости логистиката и може да се превърне в модел за бъдещи DAC ферми.Глобално участие: DAC не е само начинание на САЩ/Европа. През юли 2024 г. Китай обяви, че „CarbonBox“, първият им собствен DAC модул, е преминал изпитания за надеждност news.cgtn.com. Разработен от Шанхайския университет Джао Тонг и държавната CEEC, CarbonBox е модул с размер на корабен контейнер, който може да улавя над 100 тона CO₂ годишно от въздуха, с обявена ефективност на улавяне от 99% news.cgtn.com. Това е най-големият DAC модул в Азия досега и множество единици могат да бъдат внедрени модулно, за да се достигне мащаби от милиони тонове годишно news.cgtn.com. Всеки CarbonBox модул, с размер на стандартен контейнер, може да бъде изграден и тестван във фабрика и след това транспортиран до мястото – много подобен подход на този, който Climeworks или Carbon Engineering предвиждат за модулно внедряване на DAC. Интересът на Китай към DAC се съчетава с огромния му капацитет за възобновяема енергия, която може да захранва тези системи. В други части на света стартъпи в Канада, Австралия и Близкия изток също навлизат в сферата. Например, CarbonCapture Inc. в САЩ разработва модулни DAC единици с MOF сорбенти и има проект в Уайоминг за използване на възобновяема енергия и минерално съхранение. В Кения компанията Octavia Carbon цели да изгради първия DAC завод в Африка (и беше избрана за финалист на XPRIZE), използвайки геотермална енергия от Рифт Вали. Секторът става наистина глобален, с обмен на знания чрез инициативи като Mission Innovation „Премахване на въглероден диоксид“ и състезанието XPRIZE.
Пробивни сорбенти за DAC: Вече обсъдихме COF-999, новият шампион сред сорбентите за DAC, който „напълно изчисти въздуха от CO₂“ при тестове news.berkeley.edu. Материали като този ще бъдат ключови за подобряване на DAC. Когато Climeworks започна преди десетилетие, използваше търговски сорбентни филтри (твърдо поддържани амини), които улавяха няколко десетки милиграма CO₂ на грам филтър. Новите MOF и COF могат да улавят стотици милиграми на грам, потенциално скок с един порядък в капацитета. Това означава по-малки, по-ефективни DAC устройства. Стабилността на COF-999 във влажен въздух също решава голям проблем – предишните DAC сорбенти често се разграждаха поради влага или изискваха предварително изсушаване на въздуха (което хаби енергия) nature.com. С водоустойчиви сорбенти като COF-999, DAC устройствата могат да работят в реални външни условия без обширна предварителна обработка. Друга обещаваща посока е стремежът към регенерация при по-ниска температура. Някои нови сорбенти могат да се регенерират при 80–100 °C, което означава, че отпадна топлина или слънчева термална енергия могат да задвижват DAC цикъла (както показа изследването в Nature с водна пара при ~100 °C nature.com). Това избягва изгарянето на допълнително гориво за осигуряване на топлина, което прави нетния въглероден баланс по-благоприятен. Няколко изследователски групи също изследват директно улавяне на въздух с метални оксиди, които освобождават CO₂ при електрохимично редуциране, предлагайки алтернатива на термичния цикъл.
Траектория на разходите и енергията: Исторически, DAC беше много енергоемък – ранните устройства на Climeworks се нуждаеха от ~2 000 kWh топлина плюс 500 kWh електричество на тон CO₂, а разходите бяха от порядъка на $600–$1000 на тон. Новите технологии целят драстично да намалят това. Climeworks не е разкрил точните числа за Mammoth, но твърдят, че всяко ново поколение инсталации се подобрява. Подходът на Carbon Engineering (високотемпературна химия) оценява енергийна консумация около 8 GJ (2 200 kWh) природен газ на тон и цена ~$250/тон в първия им голям завод, с потенциал да падне под $150 при мащабиране. С материали като COF-999 и подобрени процеси, някои изследователи прогнозират, че DAC може да падне под $100 на тон в рамките на десетилетие – ключов праг за масово внедряване, тъй като това е приблизително цената, при която извличането на въглерод от въздуха става жизнеспособно климатично решение наред с други мерки. Държавната подкрепа помага за намаляване на разходите: американският данъчен кредит 45Q вече предлага $180 на тон за премахнат и съхранен CO₂ от въздуха, осигурявайки стимул за ранни проекти. На доброволния въглероден пазар корпорации като Microsoft, Stripe и Shopify наляха средства в DAC чрез споразумения за авансови покупки (чрез инициативи като Frontier Climate), плащайки премиум цени сега, за да помогнат на компаниите да мащабират и да намалят бъдещите разходи.
По-специално, Microsoft през 2023 г. се съгласи да закупи 315 000 тона премахване на CO₂ за 10 години от Heirloom и CarbonCapture Inc., което е силен вот на доверие в DAC технологиите. А през 2024 г. световният авиационен сектор, чрез инициативата Jet Zero, започна да инвестира в DAC като източник на въглеродни кредити за компенсиране на емисиите от въздушния транспорт (например, фондът за устойчивост на United Airlines вложи средства във бъдещ DAC завод). Всичко това показва, че директното улавяне на въглерод от въздуха, някога научнофантастична концепция, бързо се превръща в индустрия. „DAC в частност вече не е просто концепция, а осезаема индустрия,“ се отбелязва в доклад за DAC срещата на Climeworks през 2023 г. climeworks.com. Въпреки това, необходимият мащаб е огромен – някои проучвания предполагат милиарди тона годишно премахване до средата на века, за да се ограничи значително климатичната промяна reuters.com. В момента сме на етап килотони годишно, така че увеличение с 1 000 или 1 000 000 пъти е голямото предизвикателство напред. Наградата XPRIZE за премахване на въглерод за 2025 г. ще присъди 50 милиона долара на екипи, които могат да демонстрират жизнеспособни пътища за мащабиране на премахване на 1 000+ тона/ден, подчертавайки колко спешна и голяма е нуждата.
Държавни и частни инициативи, движещи напредъка
Осъзнавайки значението на улавянето на CO₂, правителства и индустрии по света стартираха големи инициативи през последните две години:
- Съединени щати – „Лунен скок в улавянето на въглерод“: САЩ се очертаха като лидер във финансирането на улавянето и премахването на въглерод. Освен споменатата програма за DAC хъбове ($3,5 млрд.), Офисът за изкопаема енергия и управление на въглерода към Министерството на енергетиката инвестира и в улавяне на въглерод от източника – например, НИРД за следващо поколение улавяне за газови електроцентрали и индустриални съоръжения, а пилотни проекти като Project Cypress ще улавят и от завод за етанол, освен DAC. През 2024 г. DOE също обяви $2,6 млрд. за разширяване на инфраструктурата за транспорт и съхранение на CO₂ (напр. тръбопроводи и кладенци за съхранение) efifoundation.org, тъй като улавянето на CO₂ има смисъл само ако може да се съхранява или използва безопасно. По-широкият климатичен закон на администрацията на Байдън (Закон за намаляване на инфлацията) значително увеличи данъчния кредит 45Q (вече до $85/тон за съхранен CO₂ от източника и $180/тон за съхранен CO₂ от DAC), което предизвика вълна от планирани проекти за улавяне на въглерод в енергетиката, етанола и индустриалните сектори, тъй като компаниите се стремят да получат кредити. Например, няколко газови електроцентрали в Луизиана и Калифорния сега обмислят добавяне на улавящи модули, за да получат 45Q. Правителството продължава да подкрепя и подобрено извличане на нефт (EOR) с CO₂ – макар и спорно, CO₂-EOR (инжектиране на улавен CO₂ в нефтени находища за увеличаване на добива) все пак съхранява част от CO₂ и може да осигури приходи за компенсиране на разходите по улавянето. Част от CO₂ от DAC хъба в Тексас може първоначално да отиде за EOR. Освен това САЩ финансират хъбове за съхранение (като солени формации в крайбрежието на Мексиканския залив и Средния запад), които могат да приемат CO₂ от много места за улавяне. Всички тези действия създават екосистема за управление на въглерода.
- Европа – Политики и проекти: ЕС и Обединеното кралство също инвестират сериозно в улавянето на въглерод, с фокус върху декарбонизацията на индустрията. Британското правителство през 2023 г. избра два индустриални клъстера (Хъмбър и Ливърпул Бей) като Track-1 CCUS клъстери, които да получат финансиране и подкрепа. Тези клъстери планират да оборудват множество фабрики и електроцентрали с улавяне на CO₂ до около 2030 г., свързани с общи CO₂ тръбопроводи, водещи до офшорно съхранение в Северно море. Проектите включват централата Drax биоенергия с CCS (BECCS) – с цел улавяне на 8 милиона тона/година от централа на биомаса – и електроцентралата Net Zero Teesside с CCS. Инвестиционният фонд на ЕС отпусна средства на няколко CCS проекта, като например инсталация за улавяне на въглерод във фабрика Dyneema в Нидерландия и DAC проекти с участието на Climeworks и Carbfix в Исландия (които помогнаха за изграждането на Orca и Mammoth) climate.ec.europa.eu. През 2024 г. ЕС също предложи обвързваща цел за премахване на 5–10% от емисиите чрез CDR до 2040 г., което на практика задължава държавите членки да внедряват технологии като DAC или залесяване за извличане на CO₂ от атмосферата climeworks.com. Норвегия, освен Longship, планира „Longship 2“ за разширяване на CO₂ инфраструктурата и евентуално добавяне на още обекти за улавяне (като производство на водород с CCS). В цяла Европа се изграждат множество пилотни инсталации – от швейцарски завод, улавящ CO₂ от димните газове на инсинератор за отпадъци, до испански проект, който тества нови мембрани за улавяне на CO₂ от циментови заводи. Важно е, че Европа разработва регулаторна рамка за сертифициране на въглеродно отстраняване, така че компаниите да могат да инвестират във висококачествени отстранявания (като DAC) и да ги отчитат към климатичните си цели по проверим начин.
- Азия и Близък изток: Видяхме навлизането на Китай в DAC с CarbonBox. Китай също така експлоатира някои от най-големите в света пилотни инсталации за улавяне от източника – например, съоръжение в Дзянсу, което улавя 500 000 тона/година от завод за въглища към химикали за производство на сода бикарбонат. Държавни гиганти като Sinopec изграждат CO₂ инсталации за улавяне в рафинерии и петрохимически заводи (като използват CO₂ за EOR или химикали). В Близкия изток Саудитска Арабия и ОАЕ обявиха планове за масово внедряване на улавяне на въглерод като част от ангажиментите си за нетни нулеви емисии (например проектът NEOM на Саудитска Арабия включва амбиции за DAC, а ADNOC на ОАЕ разширява улавянето на CO₂ от газопреработка). Забележително е, че директното улавяне от въздуха беше акцентирано на COP28 в края на 2023/началото на 2024 г., домакинствано от ОАЕ – дори имаше демонстрационна DAC инсталация на място. И двете богати държави от Залива имат идеални условия за DAC: евтина земя, много слънчева енергия и геология за съхранение на CO₂. Може да видим първите DAC „ферми“ с гигатонен мащаб, изградени в тези региони, ако разходите намалеят.
- Частен сектор и стартъпи: Десетки стартъпи се надпреварват да иновират в улавянето на въглерод. Освен вече споменатите (Climeworks, Carbon Engineering/1PointFive, Heirloom, CarbonCapture Inc., Octavia, Verdox), други включват Global Thermostat (разработили DAC процес с използване на аминирани порести сорбенти върху оребрени панели), Svante (използва твърди сорбентни филтри в въртящо се легло за улавяне от източника; твърдят, че техните MOF-базирани филтри могат да улавят CO₂ за <$50/тон в индустриални условия) и Mission Zero (базиран във Великобритания, работи по електрохимичен DAC). Петролни и газови компании инвестират в много от тях – Occidental в Carbon Engineering, Chevron в Svante, United Airlines във фирми за премахване на въглерод и др. Междувременно, Atoco, стартъпът, основан от пионера в MOF Омар Яги, разработва „нови ретикуларни материали“ за решения както за улавяне на въглерод, така и за добив на вода от атмосферата atoco.com. „Нашата технология използва с 50% по-малко енергия за улавяне и разделяне на CO₂ от директен въздух или димни газове,“ казва изпълнителният директор на Atoco Самер Таха atoco.com. Компанията е проектирала материали с изключително високо сродство към CO₂, което „драматично намалява енергийните изисквания и разходите“ за улавяне atoco.com. Подобно подобрение може да направи по-малките, модулни улавящи устройства икономически изгодни в много приложения.
От финансова гледна точка, частният капитал се влива в улавянето и премахването на въглерод. Венчър инвестициите в стартъпи за премахване на въглерод рязко нараснаха (до стотици милиони долари в сектора). А корпорациите създават клубове на купувачите, за да гарантират бъдещо търсене: консорциумът Frontier (финансиран от Stripe, Alphabet, Meta и др.) се е ангажирал с $1 млрд. за закупуване на постоянно премахване на въглерод през това десетилетие, като на практика гарантира пазар за компании, които могат да осигурят проверимо премахване на CO₂. Това даде увереност на стартъпите да разширят НИРД. Дори се появяват пазари за кредити за премахване на въглерод, макар че обемите все още са малки, а цените високи (в момента $500+ на тон за DAC кредити).
Всички тези инициативи – публични и частни – показват силен импулс зад улавянето на въглерод. Както отбелязва Global CCS Institute, разгръщането на улавяне на въглерод все още изостава от необходимото за климатичните цели, но разликата започва да се затваря с тези нови политики и проекти catf.us. Има усещане, че моментът на улавянето на въглерод е настъпил, не като алтернатива на намаляването на емисиите, а като съществена паралелна стратегия.
Перспективи и експертни мнения
Към 2025 г. технологиите за улавяне и премахване на въглерод преминават от научна фантастика към факт, но остават значителни предизвикателства. Водещи учени подчертават както потенциала, така и ограниченията на тези технологии:
От една страна има оптимизъм. „Това е на практика най-добрият материал за директно улавяне на въглерод от въздуха,“ каза Омар Яги за COF-999, изразявайки вълнение от това как подобни пробиви „отварят нови хоризонти в нашите усилия за справяне с климатичния проблем“ news.berkeley.edu. Мнозина в областта споделят истинска надежда, че с продължаващи иновации улавянето на въглерод може да стане достатъчно ефективно и евтино, за да се внедри в световен мащаб. Визията е, че след няколко десетилетия ще имаме нова индустрия с мащаба на съвременната нефтена и газова – но в обратна посока, работеща по целия свят за извличане на въглерод от системата. Това може да включва „гигантски въздушни пречистватели“ на стратегически места, както си представя проф. Галяарди, с DAC инсталации, които „значително допринасят за глобалните усилия за постигане на въглеродна неутралност“ pme.uchicago.edu. Климатичните модели потвърждават, че отрицателни емисии от такива технологии вероятно ще са необходими, за да се компенсират най-трудните за елиминиране източници (като авиация, селско стопанство и исторически емисии), ако искаме да останем близо до 1,5 °C затопляне.
От друга страна, експертите предупреждават да не се разглежда улавянето на въглерод като универсално решение или извинение за отлагане на намаляването на използването на изкопаеми горива. Д-р Фатих Бирол, ръководител на Международната енергийна агенция, предупреди, че „продължаването на обичайния бизнес с нефт и газ, докато се надяваме, че масовото внедряване на улавяне на въглерод ще намали емисиите, е фантазия“. С други думи, улавянето на въглерод може да допълва, но не и да замени бързия преход към чиста енергия x.com. Учените също отбелязват, че премахването на въглерод се отнася до въглероден диоксид, но не и до други парникови газове или климатични въздействия. „Дори и да сте върнали температурите надолу [с CDR], светът, който ще виждаме, няма да е същият,“ каза д-р Карл-Фридрих Шлойснер, подчертавайки, че проблеми като покачването на морското равнище няма просто да се обърнат reuters.com. И трябва да помним мащаба: в момента всички DAC инсталации заедно премахват само няколко хиляди тона CO₂ годишно; природата (гори, почви) премахва около 2 милиарда тона; но за да помогнем реално на климатичните цели, 7–10 милиарда тона годишно премахване може да са нужни до средата на века reuters.com. Това е колосално предизвикателство – приблизително десетократно увеличение спрямо сегашното премахване от природата, или хиляди DAC инсталации с размера на Mammoth. За да се постигне това, ще са нужни продължаващи иновации, инвестиции и подкрепяща политика в продължение на много десетилетия.
Изводът от развитието през 2024–2025 г. е, че кривата на обучение при улавянето на въглерод наистина е започнала. Разходите постепенно намаляват, а първите по рода си проекти доказват ключови концепции. Виждаме първия циментов завод с CCS, първите финансирани DAC проекти с мащаб от мегатон, нови материали, които разбиват досегашните ограничения (улавяне на CO₂ при 300 °C; издържане на 100+ цикъла; работа във влажен въздух; улавяне на 99% от CO₂ и др.), както и правителства, които влагат реални средства. Всеки успех натрупва знания, които правят следващия проект по-лесен и по-евтин. Както се казва в един доклад, маратонът за изграждане на индустрия за премахване на въглерод едва сега започва, но бегачите най-накрая са на стартовата линия youtube.com.
През следващите години следете тези „мега-проекти“ – ако проекти като Project Cypress (САЩ) или клъстърът Humber във Великобритания успеят, те ще улавят CO₂ в безпрецедентни мащаби и ще покажат дали разходите могат да спаднат, както се очаква. Следете също и XPRIZE Carbon Removal конкурса, който през 2024 г. се стесни до 20 финалисти, обхващащи DAC, улавяне чрез океана, минерализация и други xprize.org. Победителят (който ще бъде обявен през 2025 г.) трябва да демонстрира премахване на 1 000 тона CO₂ и жизнеспособен път към мащабиране до 1 милион тона/година. Този конкурс стимулира креативността и доведе до това, че екипи като Heirloom, Carbfix и други бяха изведени на преден план и финансирани cen.acs.org.
В обобщение, нови структури и технологии за улавяне на CO₂ се появяват бързо – от авангардни COF кристали, които действат като супер-гъби за CO₂ news.berkeley.edu, до масивни инженерни проекти, целящи да изсмукват въглерод от атмосферата в мащаб на мегатони climeworks.com. Всеки от тях допринася с парче към пъзела на стабилизирането на климата. Тонът сред експертите е „предпазлив оптимизъм.“ Да, улавянето на въглерод е технически сложно и в момента скъпо, но напредъкът през 2024–2025 г. показва, че човешката изобретателност постепенно преодолява тези предизвикателства. Както проф. Яги отбелязва относно съчетаването на AI с химия за проектиране на по-добри сорбенти, „Много, много сме развълнувани“ news.berkeley.edu – и този ентусиазъм все повече се споделя от климатолози, инженери, инвеститори и политици, които виждат улавянето на въглерод като основен инструмент за предаване на обитаема планета на бъдещите поколения.
Само улавянето на въглерод няма да спаси света, но може да ни купи време и да намали натрупаното замърсяване, докато вършим трудната работа по декарбонизацията. С пробивни технологии, които вече са на разположение и още предстоят, някога теоретичната идея за почистване на атмосферата ни се превръща в реалност. Следващите няколко години ще бъдат решаващи за прилагането на тези решения в голям мащаб – и ако успеем, бъдещите поколения може да се обърнат назад и да разпознаят този период като зората на нова ера на премахване на въглерода, когато човечеството буквално започна да почиства небето, за да помогне за възстановяването на безопасния климатичен баланс.
Източници: Изследвания и новини за улавяне на въглерод (2024–2025) news.berkeley.edu, pme.uchicago.edu, ccsnorway.com, climeworks.com, 1pointfive.com, atoco.com, reuters.com, правителствени съобщения и експертни коментари energy.gov, news.berkeley.edu, energiesmedia.com, man-es.com, и оценки на климата от IPCC news.berkeley.edu, reuters.com.
