через что удаляется углекислый газ
Швейцарские ученые описали эффективный способ удаления из атмосферы и удержания углерода
Исследователи из Института Пауля Шеррера PSI и Швейцарской высшей технической школы Цюриха выяснили, как прямой захват углекислого газа (CO2) из воздуха может помочь эффективно удалить парниковые газы из атмосферы.
Схема прямого улавливания и хранения углерода в воздухе
Они выяснили, что при тщательном планировании, например, в отношении местоположения, и обеспечении необходимой энергией CO2 можно удалить без вреда для климата.
Прямое улавливание и хранение углерода в воздухе (DACCS) — сравнительно новая технология удаления углекислого газа из атмосферы. Потенциально она позволит снизить парниковый эффект. Исследователи изучили, насколько эффективно технологию можно реализовать в различных конфигурациях. Для этого они проанализировали в общей сложности пять конфигураций для улавливания CO2 из воздуха и их использование в восьми разных локациях по всему миру. Общий итог: в зависимости от сочетания используемых технологий и конкретного местоположения CO2 может быть удален из воздуха с эффективностью до 97 %.
Чтобы отделить CO2 от атмосферы, воздух сначала пропускается через так называемый абсорбент с помощью вентиляторов. Это связывает углекислый газ до тех пор, пока не исчерпается его способность поглощать парниковый газ. Затем на второй, так называемой стадии десорбции, CO2 снова высвобождается из абсорбента. В зависимости от используемого вещества это происходит при сравнительно высоких температурах до 900 градусов по Цельсию, либо при довольно низких температурах, около 100 градусов по Цельсию. Но помимо энергии, необходимой для производства и установки оборудования, работа вентиляторов и выработка необходимого тепла, опять же, приводят к выбросам парниковых газов.
Границы применения DACCS
«Использование этой технологии имеет смысл только в том случае, если данные выбросы значительно ниже, чем количество СО2, которое она помогает удерживать», — говорит Том Терлоу, который проводит исследования в Лаборатории анализа энергетических систем PSI и является первым автором исследования.
Исследователи сосредоточили свое внимание на системе швейцарской компании Climeworks, которая работает с низкотемпературным процессом. Они проанализировали использование этой технологии в восьми странах по всему миру: в Чили, Греции, Иордании, Мексике, Испании, Исландии, Норвегии и Швейцарии. Для каждого местоположения были рассчитаны общие выбросы парниковых газов за весь жизненный цикл завода. Исследователи сравнили эффективность процесса, когда необходимое электричество вырабатывается за счет солнечной энергии или поступает из существующей электросети. В качестве источников необходимой тепловой энергии они брали солнечные тепловые станции, отходящее тепло промышленных процессов или тепловые насосы. Для исследования было составлено пять различных схем улавливания атмосферного CO2 для каждого из восьми участков. Результаты показали, что эффективность удаления парниковых газов в разных системах составляет от 9 до 97 %.
Выбросы парниковых газов и эффективность их удаления по системе DACCS в разных средах
«Технологии улавливания CO2 просто дополняют общую стратегию декарбонизации и не могут ее заменить», — подчеркивает Кристиан Бауэр, ученый из Лаборатории анализа энергетических систем и соавтор книги. изучение. «Однако они могут быть полезны в достижении целей, определенных в Парижском соглашении об изменении климата, потому что определенных выбросов, например, от сельского хозяйства, избежать невозможно».
Содержание
Определения
Антропогенная деятельность по удалению CO
2 из атмосферы и длительное хранение в геологических, земных или океанских резервуарах или в продуктах. Он включает существующее и возможное антропогенное усиление биологических или геохимических стоков, а также прямой захват и хранение воздуха, но исключает естественный CO.
2 поглощение, не вызванное непосредственно деятельностью человека.
Базирующаяся в США Национальной академии наук, инженерии и медицины (NASEM) использует термин «технология выбросов отрицательные» с подобным определением.
Концепция намеренного снижения количества CO
2 в атмосфере часто ошибочно классифицируется с управлением солнечным излучением как формой климатической инженерии и считается по сути рискованным. Фактически, CDR устраняет основную причину изменения климата и является частью стратегии по сокращению чистых выбросов. Будет ли CDR удовлетворять общим определениям «климатическая инженерия» или «геоинженерия», обычно зависит от масштаба, в котором она будет проводиться.
Понятия, использующие похожую терминологию
CDR можно спутать с улавливанием и хранением углерода (CCS), процессом, при котором диоксид углерода собирается из точечных источников, таких как угольные электростанции, дымовые трубы которых выделяют CO2 в виде концентрированного потока. Затем CO2 сжимается и изолируется или утилизируется. При использовании для улавливания углерода угольной электростанции, CCS сокращает выбросы от постоянного использования точечного источника, но не снижает количество углекислого газа, уже находящегося в атмосфере.
Возможность сокращения чистых выбросов
Любой аргумент в пользу отсрочки усилий по смягчению последствий, потому что сети будут обеспечивать поддержку, резко искажает их текущие возможности и вероятные темпы прогресса исследований.
Связывание углерода
Методы
Облесение, лесовозобновление и управление лесным хозяйством
Биоэнергетика с улавливанием и хранением углерода
Биоэнергетика с улавливанием и хранением углерода, или BECCS, использует биомассу для извлечения диоксида углерода из атмосферы, а также технологии улавливания и хранения углерода для его концентрации и постоянного хранения в глубоких геологических образованиях.
В настоящее время (по состоянию на октябрь 2012 г.) BECCS является единственной технологией CDR, развернутой в полном промышленном масштабе, с общей производительностью 550 000 тонн CO 2 в год, распределенной между тремя различными объектами (по состоянию на январь 2012 г.).
Сельскохозяйственные практики
Восстановление водно-болотных угодий
Biochar
Усиленное выветривание
Прямой захват воздуха (DAC)
Удобрение океана
Экономические вопросы
Ключевой проблемой для методов CDR является их стоимость, которая существенно различается для разных технологий: некоторые из них недостаточно развиты для проведения оценки стоимости. В 2011 году Американское физическое общество оценило затраты на прямой захват воздуха в 600 долларов за тонну с оптимистическими предположениями. Исследование 2018 года показало, что эта оценка снижена до 94–232 доллара за тонну. Программа исследований и разработок парниковых газов МЭА и Ecofys дают оценку, что 3,5 миллиарда тонн могут удаляться из атмосферы ежегодно с помощью BECCS (биоэнергетика с улавливанием и хранением углерода) при цене на углерод всего 50 евро за тонну, в то время как отчет Biorecro а Глобальный институт улавливания и хранения углерода оценивает затраты «ниже 100 евро» на тонну для крупномасштабного развертывания BECCS.
Риски, проблемы и критика
В специальном отчете МГЭИК на 1,5 ° C было очень четко сказано о CDR: «Масштабное развертывание CDR не доказано, и использование такой технологии представляет собой серьезный риск для возможности ограничить потепление до 1,5 ° C».
Однако сильная зависимость от CDR в моделях комплексной оценки, которые в настоящее время используются для разработки политики смягчения последствий изменения климата, подвергается сомнению учеными, утверждая, что это вполне может способствовать блокированию путей распространения высоких температур.
Удаление других парниковых газов
Удаление углекислого газа из помещений
За последние 40 тыс. лет уровень СО2 не поднимался выше 320 ррm. Исследования показывают, что увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере, происходящее в настоящее время связано с деятельностью человека, например, с неэкономным сжиганием топлива.
До недавнего времени в научных статьях и исследованиях уровень СО2 в помещении рассматривался лишь как суррогатный показатель адекватной работы вентиляции, однако исследования ученых, проведенные в последнее время, показывают, что даже при низких концентрациях углекислый газ сам по себе токсичен для человека. Всем знакомо ощущение духоты в помещении и связанные с этим симптомы: усталость, сонливость, раздражительность, сложность с концентрацией внимания.
Такие состояния многие связывают с нехваткой кислорода. Однако расчеты показывают, что появление этих симптомов вызвано с тем, что содержание углекислого газа превысило комфортный и безопасный для человека уровень, в то время как кислород остается еще на уровне, вполне нормальном для дыхания человека. Поэтому добавление кислорода в воздух кислородными генераторами ничего не дает, если не удалять избыток СО2 из воздуха помещения.
Результаты замеров уровня СО2 и О2 в школьном классе показывают, что в конце урока уровень СО2 увеличивался до 1650 ppm (частиц на миллион частиц), а уровень кислорода держался в пределах 15–20 %, что является вполне нормальными условиями, при которых состояние человека никак не меняется. Данные измерения демонстрируют, что, несмотря на достаточное количество кислорода в воздухе помещения, человек начинает ощущать симптомы нехватки свежего воздуха именно из-за избытка углекислого газа.
Основным источником углекислого газа в помещении является человек, кроме того, углекислый газ поступает в помещение с улицы через вентиляционные системы и открытые окна.
Влияние углекислого газа на организм человека
Последние исследования ученых показали, что нахождение в помещении с повышенной концентрацией СО2 в воздухе может привести к негативным изменениям в крови. Под влиянием углекислого газа происходит снижение величины pH в сыворотке крови (ее кислотность увеличивается), что ведет к ацидозу. В этом состоянии организм плохо усваивает такие минералы, как кальций, натрий, калий и магний, которые из-за избыточной кислотности выводятся из организма.
Ацидоз может наносить вред организму незаметно, но постоянно в течение нескольких месяцев и даже лет. Ацидоз может спровоцировать заболевания сердечнососудистой системы, прибавление в весе, диабет, снижение иммунитета, проблемы с опорно-двигательным аппаратом, общую слабость и др. Особенно негативно коварный и незаметный углекислый газ влияет на людей, страдающих аллергией и астмой.
Токсичный уровень СО2
В научных исследования описано, как высокий уровень СО2 влияет на здоровье человека. Когда концентрация углекислого газа в помещении достигала 600 ppm (0,06 %), люди начинали чувствовать ухудшение качества воздуха. Если концентрация СО2 продолжала расти, у некоторых людей появлялись симптомы отравления углекислотой: проблемы с дыханием, учащенный пульс, головная боль, снижение слуха, гипервентиляция, потливость, усталость.
При уровне 1000 ppm (0,1 %) почти все из находившихся в помещении испытывали те или иные симптомы из описанных выше. В научной статье «Производительный офис» были опубликованы исследования финских ученых, проведенные под руководством Сеппянена [1], согласно которым в тех случаях, когда уровень углекислого газа в офисном помещении был ниже 800 ppm (0,08 %), такие симптомы, как воспаление глаз, заложенность носа, воспаление носоглотки, проблемы, связанные с дыхательной системой, головная боль, усталость и сложность с концентрацией внимания, отмечавшиеся у сотрудников при более высокой концентрации СО2, исчезали.
Английский ученый Робертсон считает, что если уровень углекислого газа в помещении не опускается ниже 500 ppm, это может привести к изменениям в метаболизме, в частности, к снижению pH сыворотки крови, что может послужить причиной широкого распространения ацидоза [2, 3, 4]. То же самое подтвердили исследования, проведенные учеными в городе Калькутта.
Изменение pH сыворотки крови в свою очередь приводит к увеличению чувствительности к другим негативным факторам [5]. В таблице приведены данные, показывающие, как меняется состояние людей в зависимости от уровня содержания углекислого газа в помещении офиса.
Уровень углекислого газа в офисном помещении
На рис. 3 приведены результаты замеров уровня СО2, которые были сделаны в течение двух рабочих дней (18–19 марта) при помощи прибора даталоггера в офисном помещении одной из компаний в городе Хельсинки, Финляндия. График показывает, как уровень СО2 в офисном помещении может меняться в течение дня. Так, 18 марта был обычный рабочий день, но некоторые из сотрудников не присутствовали в офисе, а 19 марта, когда в помещении были все сотрудники, уровень углекислого газа вырос до отметки 1600 ррm, что негативно отразилось на работоспособности персонала.
Из графика ясно, что разовые замеры уровня углекислого газа неэффективны, поскольку зависят от времени дня и загруженности помещения. Поэтому более объективными являются показания, снятые непрерывно хотя бы в течение одних суток.
Состояние проблемы в России
В России нет исследований влияния углекислого газа в невысоких концентрациях на здоровье человека, а также нет организаций, контролирующих уровень СО2 в помещениях. По такому показателю, как содержание СО2, качество воздуха в офисах и учебных помещениях в нашей стране никто не проверяет. Это происходит потому, что углекислый газ в России никогда не считался токсичным. Работы, на которые ссылаются некоторые авторы, считающие, что углекислый газ вреден для человека только в концентрациях, превышающих 5000 ррm, были проведены в 1960-е годы [6].
Исследования проводились для концентраций СО2 ниже 10000 ppm (1 %), однако столь высокие концентрации пока невозможно встретить в имеющихся в настоящее время жилых и офисных помещениях. Было выявлено, что нежелательные сдвиги в функции внешнего дыхания отмечаются при действии СО2 в концентрации свыше 5000 ppm. При концентрации 500–1000 ppm никаких отрицательных явлений не отмечается.
Эти исследования не проводились для случаев, когда люди подвергаются длительному воздействию повышенного уровня СО2 в помещении. Неслучайно все западные исследования проводились в школах или в офисах — в этих помещениях люди находятся по нескольку часов ежедневно в течение нескольких месяцев. Нужно также заметить, что уровень углекислого газа в атмосфере даже крупных городов был значительно ниже.
Только в 2006 г. в России гигиеническими нормативами была введена максимально разовая среднесменная норма — 4597 ppm для воздуха рабочей зоны производственных помещений. Для жилых, офисных, учебных и других помещений в России такая норма до сих пор отсутствует. В 2003 и 2006 гг. в Венгрии были проведены специальные исследования влияния уровня углекислого газа на производительность труда человека [7, 8]. В двух изолированных камерах ученые поддерживали высокий уровень вентиляции.
В первой камере уровень СО2 всегда был равен 600 ррm (0,06 %), а во вторую камеру постоянно добавляли большое количество чистого углекислого газа так, чтобы качество воздуха по всем остальным показателям, кроме содержания СО2, было хорошим. Люди, находившиеся в камерах, должны были в течение 70 мин. проводить поиск ошибок в текстах, которые им предлагались. Первый тест проводился при уровне СО2, равном 5000 ррm (0,5 %). Испытуемые, которые не знали о том, каков уровень углекислого газа в камере, крайне низко оценивали качество воздуха в помещении.
Способность концентрировать внимание была значительно хуже, чем у испытуемых в первой камере. Второй тест проводился при уровне СО2, равном 4000 ррm (0,4 %). Количество ошибок, сделанных испытуемыми во второй камере, было значительно выше, чем у испытуемых в первой камере. Третий тест проводился для уровня 3000 ррm СО2. Концентрация внимания испытуемых в этом тесте была низкой, а количество ошибок намного выше, чем у тех, кто находился в первой камере с воздухом хорошего качества.
Результаты данного исследований наглядно подтверждают тот факт, что именно углекислый газ, а не какие-либо другие антропогенные загрязнители воздуха помещения, в котором находятся люди, влияет на их самочувствие и работоспособность. В свете данных исследований можно с уверенностью сказать, что гигиеническая норма 4597 ppm для воздуха рабочей зоны производственных помещений сильно завышена. Согласно последним исследованиям, проведенным в США, из-за ухудшения качества воздуха в помещении продуктивность работы офисного персонала может снизиться на 12 %.
При улучшении качества воздуха в помещении сотрудники лучше справляются и делают меньше ошибок в работах, связанных арифметическими вычислениями, написанием и сверкой текстов и другими видами деятельности, требующими высокой концентрации внимания [9, 10]. Ученые исследовали влияние уровня СО2 на качество работы сотрудников, работающих на компьютере. В результате было выявлено, что скорость работы на компьютере снижалась, а количество ошибок значительно возрастало, если уровень СО2 превышал 1000 ррm (0,1 %) [11, 12].
Принимая во внимание результаты исследования, описанного выше, можно сделать вывод о том, что необходимо контролировать уровень углекислого газа во всех помещениях, где работают люди. Особенно это касается тех мест, где работает персонал, от которого требуется высокая концентрация внимания, таких, например, как диспетчерские аэропортов и атомных станций. Относится это и к помещениям, в которых работает персонал, по роду своей деятельности занимающийся расчетами, а также набором или сверкой текстов и др.
Как пишут академик Ю.Д. Губернский и к.т.н. Е.О. Шилькрот, измерения в офисах и на улицах Москвы показали, что в ряде офисов уровень СО2 достигал 2000 ppm и выше [13]. Уровень углекислого газа на улицах доходил до 1000 ррm, причем измерения были сделаны в дни, не самые неблагополучные с точки зрения метеорологической обстановки. В России с 1 октября 2008 г. действует новый ГОСТ Р ЕН 13779–2007 «Вентиляция в нежилых зданиях. Технические требования к вентиляции и кондиционированию», в основу которого положен Европейский стандарт 2004 г. по качеству воздуха в помещениях с пребыванием людей [14].
В этом стандарте сказано, что по содержанию СО2 воздух высокого качества в помещении должен отличаться от наружного воздуха населенного пункта всего на 350 ррm. Трудности заключаются в том, что службы Центра по гидрометеорологии не ведут мониторинг атмосферного уровня СО2 в городах, а за рубежом углекислый газ, наряду с окислами азота, оксидом углерода, диоксидом серы и летучими органическими соединениями, признан типичным загрязняющим веществом, которое подлежит учету.
Возникает законный вопрос: если в различных районах городов России никто не замеряет уровень СО2, то чем следует руководствоваться, чтобы правильно рассчитать необходимый уровень подачи воздуха в помещение посредством вентиляции? Если в центре Москвы, например, концентрация углекислого газа может быть 800 ррm и выше, что в сумме дает 800 + 350 = 1150 ррm, то качество такого воздуха в помещении даже хорошим назвать сложно, а по расчетам в соответствии с вводимым нормам качество этого воздуха должно считаться отличным.
В большинстве стран, принявших Европейский стандарт 2004 г., по качеству воздуха, углекислого газа в воздухе городов значительно меньше, чем в крупных городах России. Это происходит потому, что в Европе нормы по уровню содержания СО2 в выхлопных газах автомобилей значительно строже. Если взять для примера Москву, где автомобильный парк насчитывает уже около три миллиона автомобилей, то только треть из них по уровню содержания СО2 в выхлопных газах отвечает Европейскому стандарту.
А ведь именно автотранспорт является основным источником углекислого газа на улицах городов. Поэтому применение нового ГОСТ к расчету необходимого воздухообмена для помещений, находящихся в крупных российских городах, представляется мало возможным.
Как сберечь «вентиляционное» тепло
Одним из ресурсов сбережения «вентиляционного» тепла является более рациональный подход к нормам воздухообмена. Когда проектируется система вентиляции, предполагается, что содержание СО2 в воздухе, который подается с улицы, соответствует нормальному атмосферному уровню, который теперь уже составляет 370 ppm (0,037 %). Но в действительности такой уровень можно встретить только в экологически чистых местах. Как отмечалось в статье Ю.Д. Губернского и Е.О. Шилькрота, колебания показателей уровня углекислого газа на улицах могут достигать 1000 ррm [13].
Ясно, что увеличение кратности воздухообмена при таких условиях ничего не дает. Более того, как показывает расчет, для чистоты воздуха в помещении при некоторых условиях кратность воздухообмена не является существенным фактором. Рассмотрим пример. Человек в спокойном состоянии выдыхает около 2 м3/ч. Если представить, что человек находится в комнате площадью 20 м2 с высотой потолков 3 м (объем комнаты составляет 60 м3), то понятно, что при однократном воздухообмене он будет дышать воздухом, состоящим на 2/60 = 3,3 % из старого и 96,7 % нового внешнего воздуха.
При двукратном воздухообмене во вдыхаемом воздухе будет 2/120 = 1,6 % старого воздуха и 98,4 % нового. Чистота внутреннего воздуха, таким образом, изменится незначительно, но затраты на его нагрев вырастут вдвое. При расчете необходимого воздухообмена следует учитывать, что рост энергопотребления вентиляционными системами в свою очередь приводит к увеличению выброса углекислого газа в атмосферу.
Вспомнив то, что писал Робертсон о достижении критического уровня СО2 в атмосферном воздухе [2], можно понять, почему необходимо подходить к расчету норм воздухообмена очень рационально. В своей статье «Качество внутреннего воздуха в зданиях, построенных в холодном климате и о необходимости приточной и вытяжной вентиляции» П. Оле Фангер писал: «Очистка внутреннего воздуха от газообразных загрязняющих веществ представляет собой многообещающий метод повышения качества воздуха и частичного замещения вентиляции».
В настоящее время наиболее безопасными для очистки воздуха в помещениях, где находятся люди, можно считать очистители воздуха, основанные на методе абсорбции ЛОС и других загрязняющих воздух помещения веществ. Правильное сочетание очистителей воздуха с разумным уровнем вентиляции может дать очень хороший результат и хороший уровень энергосбережения. До недавнего времени рекомендации по борьбе с углекислым газом в помещении сводились к усилению воздухообмена.
Все это помогает в условиях экологически благополучных городов и деревень. В условиях мегаполисов для достижения низкого уровня единственно возможным представляется искусственное удаление избытка СО2 из воздуха внутреннего помещения. До недавнего времени такая возможность не представлялась реальной, т.к. на рынке не существовало устройств очистки воздуха соответствующего типа.
Финские ученые нашли способ решения этой проблемы. Изобретенное им бытовое устройство Uniqfresh удаляет из воздуха помещений избыток углекислого газа. Принцип действиях прибора основан на абсорбции (поглощении) избытка СО2 из воздуха помещения в то время, когда там находятся люди, и регенерации фильтра абсорбера в периоды, когда помещение не используется. Это единственное в мире бытовое устройства очистки воздуха подобного рода.
Кроме того, Uniqfresh с помощью угольного фильтра и фильтра HEPA очищает воздух от других опасных для здоровья загрязнений, таких как пыль, перхоть домашних животных, пыльца, споры плесени и микроскопические частицы. Выпускаются две модели — Uniqfresh 100 и 400, имеющие производительность 72 и 180 м3/ч, соответственно.
Экономия электроэнергии с помощью прибора Uniqfresh
Устройство Uniqfresh 400 очищает в час 180 м3 воздуха от СО2 и других загрязнений. Одного устройства достаточно для помещения около 40 м2. За 10 ч работы устройство потребляет 40 × 10 = 400 Вт. За весь процесс регенерации оно потребляет около 3 кВт электроэнергии. Итого за весь цикл работы в сутки — 3,4 кВт. Если вентиляционная система работает так, что обеспечивается подача воздуха в помещение на уровне 180 м3/ч в течение 10 ч при температуре на улице 0 °C, то расходы электроэнергии только на подогрев воздуха составят минимум 1,25 × 10 = 12,5 кВт.
Установив в такой комнате устройство Uniqfresh, можно уменьшить воздухообмен в помещении и сократить затраты на обогрев/охлаждение воздуха, поступающего с улицы. Абсорбер углекислого газа может существенно улучшить качество воздуха в помещениях, где нет вентиляции. Он также может явиться разумным дополнением к существующим или устанавливаемым вновь вентиляционным системам.
Выводы