Назавжди видалити CO2 з повітря: Наука знайшла безпечний спосіб

Надлишок вуглекислого газу (CO2) в атмосфері вже давно став головним болем для людства, що прагне до чистішого повітря, стабільного клімату та здоровішої планети. Викиди цього парникового газу, переважно від спалювання викопного палива, є основним рушієм глобального потепління. Багато країн докладають зусиль для скорочення своїх емісій, переходячи на відновлювані джерела енергії та підвищуючи енергоефективність. Проте експерти все частіше сходяться на думці, що лише скорочення викидів може бути недостатньо для досягнення амбітних кліматичних цілей, зокрема утримання глобального потепління в межах 1.5−2°C порівняно з доіндустріальним рівнем. Необхідні також технології для активного видалення вже існуючого CO2 з атмосфери.

Саме тут на перший план виходять стратегії уловлювання вуглецю та його довгострокового зберігання (Carbon Capture and Storage, CCS, або Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS). Одна з найбільш перспективних ідей — «висмоктувати» CO2 безпосередньо з повітря або з промислових джерел і надійно «ховати» його глибоко під землею, у відповідних геологічних формаціях. Цей підхід зараз активно досліджується науковцями по всьому світу, зокрема Марко Де Паолі з Університету Твенте (Нідерланди) та Інституту механіки рідин і теплопередачі Віденського технічного університету (TU Wien, Австрія).

Проте зберігання CO2 під землею — процес значно складніший, ніж може здатися на перший погляд. Закачаний під поверхню вуглекислий газ не просто зникає. Він займає порожнини в підземних гірських породах (наприклад, у пористих пісковиках) і починає взаємодіяти з наявними там підземними водами, поступово розчиняючись у них. Одним із ключових питань, яке турбувало багатьох вчених, була довгострокова стабільність такого зберігання: чи не зможе закачаний CO2 через десятиліття або століття поступово просочитися назад на поверхню, нівелюючи всі зусилля?

«Чистий CO2 має нижчу щільність, ніж вода, тому в теорії він прагне піднятися вгору», — пояснює Де Паолі. Це створювало потенційний ризик витоку, особливо якщо верхні шари породи (так звана «покрівля» або «caprock») не є ідеально непроникними або з часом можуть утворити тріщини. Однак, як показують дослідження та чисельне моделювання на потужних комп'ютерах, ситуація кардинально змінюється, коли CO2 розчиняється у воді. «Рідина, що утворюється при розчиненні CO2 у воді, виявляється щільнішою (важчою), ніж сама вода», — зазначає Де Паолі.

Саме ця зміна щільності є ключовим фактором, що визначає поведінку рідин під землею. Коли вода, насичена вуглецем, стає важчою за навколишню воду, вона природним чином починає рухатися вниз під дією сили тяжіння, а не спливати до поверхні. Цей процес, відомий як щільнісна конвекція, створює самопідтримуваний механізм занурення розчиненого CO2 у глибші шари геологічної формації. З часом утворюються шари щільної «вуглецевої» води, які осідають у нижній частині резервуару і залишаються там стабільно «замкненими».

Це означає, що таке геологічне зберігання може бути не просто тимчасовим рішенням, а дійсно довгостроковим, потенційно постійним методом видалення CO2 з активного вуглецевого циклу. Експерти, що займаються екологічними технологіями, розглядають цей керований щільністю процес як реальний шанс надійно ізолювати CO2 під шарами гірських порід на геологічні проміжки часу. Це значно знижує ризики витоків, які могли б поставити під загрозу довгострокові кліматичні цілі. Надійність покрівлі (caprock) стає менш критичною в довгостроковій перспективі, оскільки основну роботу з утримання виконує сама гравітація, що тягне щільну воду вниз.

Звичайно, не кожне місце підходить для безпечного зберігання CO2 таким методом. Необхідні специфічні геологічні умови: наявність пористого водоносного шару (аквіфера) на достатній глибині, здатного вмістити значні обсяги рідини, та наявність над ним товстого, відносно непроникного шару породи (покрівлі), який забезпечить початкове утримання закачаного CO2 до моменту його повного розчинення та початку міграції вниз. «Такі геологічні умови не є надто рідкісними», — зауважує Де Паолі. Численні потенційні місця вже ідентифіковані, включаючи регіони під дном океану, виснажені нафтові та газові родовища, а також глибокі соляні водоносні горизонти, які не використовуються для питного водопостачання.

Однак залишається важливе питання: як саме гірська порода реагує на тривалий контакт з водою, насиченою розчиненим CO2 (яка фактично є слабкою вугільною кислотою)? Деякі породи можуть хімічно взаємодіяти з такою водою, частково розчиняючись або змінюючи свою мінеральну структуру. Це може як створювати нові шляхи для міграції рідини (що потенційно добре для процесу занурення), так і, навпаки, «заліковувати» пори та тріщини, ще надійніше герметизуючи сховище. Дослідники використовують передові лабораторні методи та комп'ютерне моделювання, щоб з'ясувати, чи зміцнюють, чи ослаблюють ці хімічні зміни структуру породи в довгостроковій перспективі. Мета — уникнути неприємних сюрпризів, які могли б завадити планам постійного зберігання.

Розуміння цих процесів дозволяє інженерам розробляти більш ефективні та безпечні методи закачування CO2. Ідея полягає в тому, щоб спроєктувати процес ін'єкції таким чином, аби CO2 максимально швидко і ефективно контактував з підземними водами у відповідній зоні, де розчинення та подальше занурення відбуватимуться оптимально. Існуючі промислові проєкти, такі як Sleipner Field у Північному морі (Норвегія), де вже закачано мільйони тонн CO2 з 1996 року, надають цінні практичні дані. Тривалий моніторинг на цьому об'єкті показує, що за умови правильного вибору місця та технології закачування, вуглець дійсно залишається під землею і поступово переміщується в стабільні зони на глибині.

Довгостроковий прогноз для зберігання розчиненого CO2 виглядає оптимістично. Після розчинення та опускання у нижні шари резервуара, ймовірність того, що вуглець повернеться в атмосферу, стає надзвичайно низькою. Навіть значні сейсмічні події (землетруси) навряд чи зможуть виштовхнути важку суміш назад на поверхню після того, як вона опустилася глибоко під надійний геологічний «замок». Цей аспект безпеки є однією з головних причин, чому багато вчених вважають подальше дослідження та розвиток технологій постійного підземного зберігання CO2 надзвичайно важливим. Розрахунки показують, що потенційна глобальна ємність відповідних геологічних формацій є величезною і може вмістити значну частину антропогенних викидів CO2.

Проте залишаються питання, що потребують подальшого вивчення. Марко Де Паолі зараз очолює проєкт, що фінансується Європейською дослідницькою радою (ERC), який зосереджений на детальному вивченні хімічних реакцій між насиченою CO2 водою та гірськими породами. Ранній аналіз вказує на те, що ці реакції можуть навіть прискорювати процес опускання щільної рідини, хоча конкретні ефекти залежать від типу породи та умов на конкретному об'єкті. Ці знання допоможуть удосконалити майбутні плани зберігання вуглецю, дозволяючи інженерам з більшою впевненістю проєктувати та масштабувати такі об'єкти, спираючись на точні дані, а не на припущення.

Важливо розуміти, що жодне окреме рішення не зможе повністю вирішити проблему зміни клімату. Скорочення викидів, перехід на чисту енергію, зміна моделей споживання та землекористування залишаються абсолютними пріоритетами. Проте технології видалення CO2 з атмосфери, такі як геологічне зберігання, можуть стати цінним додатковим інструментом у нашому арсеналі боротьби з глобальним потеплінням, допомагаючи компенсувати викиди з секторів, які важко декарбонізувати, або навіть досягти негативних викидів у майбутньому.

В міру появи нових результатів досліджень, вчені сподіваються надати політикам та громадськості достовірні дані про ефективність, безпеку та вартість цього методу, а також надійні рекомендації щодо проєктування. Це може підвищити довіру до широкомасштабного впровадження стратегії геологічного зберігання CO2. Вже зараз проєкти з уловлювання та зберігання вуглецю реалізуються в промислових центрах США та інших країн світу, стимульовані державним та приватним фінансуванням. Наукові центри об'єднують зусилля для обміну знаннями в галузі геології, гідродинаміки та безпечних методів зберігання. Залишається з'ясувати, чи достатньо глобального потенціалу для зберігання мільярдів тонн CO2 щороку, і знайти найкращі місця, щоб гарантувати, що вловлений вуглець ніколи більше не потрапить в атмосферу.