Борьба с углеродом: могут ли химики превратить грязь в золото?

Мы, люди, выпустили 35,9 метрической гигатонны диоксида углерода в атмосферу в 2014 году, по большей части в процессе сжигания угля и природного газа на электростанциях, делая удобрения и цемент, и других промышленных дел. Если бы химики могли захватить углекислый газ и превратить его в химическое сырье для других продуктов, как это делают растения, «углекислый газ превратился бы из неприятности в подарок», говорит инженер-химик Корнелльского университета Линден Арчер.

Ученые давно ищут способ накапливать углекислый газ, захваченный из дымоходов на электростанциях и других объектах, опуская его глубоко под землю. Однако без существенных субсидий этот дорогостоящий процесс улавливания углерода не может быть экономически жизнеспособным. Можно было бы запускать углекислый газ в старые нефтяные скважины, чтобы вытеснить больше нефти, но этого недостаточно, а учитывая нынешние низкие цены на нефть — еще и сомнительно с позиции прибыли. Сторонники использования углерода вместо его хранения надеяться извлечь прибыль за счет создания полезного продукта из бесполезного. Наиболее вероятно использование газа в качестве сырья для производства химических продуктов.

Но у такого варианта есть масса химических проблем. Диоксид углерода является стабильной молекулой и не хранит много энергии в своих химических связях. Чтобы его использовать, химики должны добавить энергию, чаще всего путем нагревания, которое обычно требует электричества. Электричество поступает с электростанций, которые сжигают уголь или природный газ — в итоге в атмосферу будет выпущено еще больше углекислорода, нежели захвачено.

Инженеры, химики и другие ученые говорят, что новые технологии должны изменить правила игры. Пол Бундже, старший научный сотрудник группы по энергетике и окружающей среде в XPrize Foundation, надеется, что обещание большого приза за решение должно будет стимулировать к поиску различные группы технологов. На днях фонд объявит, что больше 40 команда будет состязаться за приз в 20 миллионов долларов. Победитель Carbon XPrize, который будет объявлен весной 2020 года, должен будет уметь переработать большую часть двуокиси углерода в продукт с большей чистой стоимостью. Некоторые попытаются сделать полимеры, топливо на замену бензину или промышленные химикаты.

В долгосрочной перспективе все компании, которые научатся делать то или иное химическое вещество, могут прийти к общему решению, которое изменит утилизационную промышленность. Такой вопрос, как масштабное изменение климата, требует множества решений, говорит Бундже.

«Вопрос теперь в том, как химики будут находить новые реакции, новые механизмы для использования диоксида углерода», — гоорит Арчер, также член консультативного совета Carbon XPrize. На этой неделе в Science Advances он предложил один вариант: топливный элемент, который вырабатывает электроэнергию при преобразовании диоксида углерода в полезное химическое вещество. Арчер и его студент Ваджи Аль Садат построили прототип реактора, который совмещает диоксид углерода с алюминием и производит оксалаты. Оксалаты используются для производства кислот, средств против ржавчины, красителей для ткани и прочих промышленных веществ.

Арчер хорошо осведомлен о подводных камнях в попытках сделать экологически чистую химию с применением диоксида углерода. «Обычно вы тратите столько энергии, что стоимость оказывается слишком высокой — но мы получили энергию обратно. Это нас удивило».

Топливный элемент работает с алюминием и воздухом. Кислород вступает в реакцию с алюминиевым электродом и образует супероксид алюминия с высокой реакционной способностью, способный взаимодействовать с диоксидом углерода. Их реакция приводит к появлению оксалата алюминия. Топливный элемент получает немного энергии от этих химических реакций, и хотя для протекания реакции необходимо электричество, но, как оказалось, процесс вырабатывает больше энергии, чем производит. Поскольку используется металл, важно выбрать подходящий. Алюминий был выбран, поскольку его много и он недорогой. И хотя при производстве алюминия в атмосферу выпускается диоксид углерда, Арчер надеется, что его система будет захватывать достаточно углерода, чтобы компенсировать это.

Корнелльская группа предупреждает, что она не в полной мере понимает вовлеченные химические реакции. Ранняя версия топливного элемента использовала дорогой материал — ионную жидкость — в качестве электролита. Если она играет важную роль и не может быть заменена, технологию нельзя считать пригодной, говорит Арчер.

Оксалаты — нишевый продукт, как и многие из химических веществ, производимые стартапами по утилизации углерода. Но некоторые ставят более амбициозные задачи. Опытный завод Skyonic в Сан-Антонио, штат Техас, захватывает выбросы от цементного завода и превращает их в известняк и кислоту. Solidia Technologies секвестирует углекислый газ в самом бетоне. И другие компании работают над созданием пластмасс, альтернативных видов топлива и химического сырья.

Если говорить безотносительно какого-либо проекта, Говард Херцог считает, что многие из тех, что обещают захватывать углерод слишком сладко все описывают. Херцог — старший научный инженер MIT Energy Initiative и сторонник поглощения углерода. «Углекислый газ это потраченная энергия», говорит он. «С точки зрения энергии выиграть невозможно. Об этом нам говорит термодинамика», говорит Херцог.

Хотя Херцог признает, что некоторые из этих компаний могут быть прибыльными, он скептически смотрит на возможность того, что утилизация углерода окажет значительное воздействие на окружающую среду. Он был ведущим автором специального доклада МГЭИК в 2005 году и говорит, что потенциал утилизации углерода слишком слаб, чтобы серьезно изменить картину глобальных выбросов. Даже если химическая промышленность будет делать все свои продукты из углекислого газа — что вряд ли — она не сможет впитать все выбросы.

Кендра Кул, соучредитель Opus 12, калифорнийского стартапа, также не считает, что утилизация углерода полностью решит мировые проблемы с выбросом. Opus 12 разрабатывает электрохимический реактор, который использует новые катализаторы и возобновляемую электроэнергию для превращения углекислого газа в полимерные строительные блоки и другие химические вещества. Кул говорит, что Opus 12 будет бороться за Carbon XPrize.

«Нам нужны новые химические пути», говорит Кул.