«Вуглець, вилучений з атмосфери, можна зберігати в ґрунті»

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 66

Зліва — гіркість чистої землі, праворуч — деревного вугілля, а посередині — суміш землі і деревного вугілля. Фото © Lehmann з обговорюваної статті в Nature

Для того щоб зменшити кількість вуглекислого газу в атмосфері, вчені пропонують рослинні залишки, що утворюються як відходи лісової промисловості та сільського господарства, не спалювати, а перетворювати на деревне вугілля, яке потім можна вносити в грунт. Будучи досить стійким, він буде зберігатися там століттями. Сенс цієї операції в тому, щоб вуглець, вилучений з атмосфери в ході фотосинтезу, надовго вивести зі звичайного кругообігу.

Спалювання викопного палива неминуче веде до збільшення вмісту в атмосфері вуглекислого газу (CO₂), а це в свою чергу загрожує подальшим розвитком глобального потепління і підйомом рівня Світового океану. Заходи з обмеження емісії CO₂, на зразок тих, що передбачені Кіотським протоколом, не вирішують проблему, а відкладають її рішення на майбутнє (не надто далеке!). Фахівці це добре розуміють, але донедавна воліли не обговорювати публічно. Зараз ситуація стала змінюватися. Все частіше з’являються роботи, в яких йдеться про необхідність великомасштабного зв’язування вуглецю атмосфери (тобто CO₂) і про виведення його з глобального коловороту на час, вимірюваний принаймні століттями і тисячоліттями (див., наприклад: Lackner K.S.  A guide to CO₂ sequestration // Science. 2003. V. 300. P. 1677–1678; Broecker W.S. CO₂ arithmetic // Science. 2007. V. 315. P. 1371).

Звичайно, добре б весь вуглець, випущений при спалюванні викопного палива (вугілля, нафти, газу), зловити і прибрати назад під Землю — туди, звідки були витягнуті ці самі корисні копалини. Однак це трохи легше, ніж заховати в пляшку випущеного з неї джину. А кажучи серйозно, вся справа у вартості поховання вилученого вуглецю, в тому, яку частку вона буде складати від виручки, отриманої за видобуте паливо. Питання, швидше, економістам і політикам.

А поки суд та справа, екологи шукають прості способи зв’язування вуглецю атмосфери і по можливості довгого утримання його у формі, яка б за рахунок природних процесів не перетворювалася знову на CO₂. Вирощування лісів і взагалі відновлення природного рослинного покриву безумовно сприяє вилученню вуглекислого газу з атмосфери і накопиченню вуглецю в тканинах рослин і в органічній речовині ґрунту. Однак як тільки ліси та інші рослинні спільноти досягають своєї зрілості, поглинання CO₂ в ході фотосинтезу врівноважується виділенням цього газу в результаті дихання — як самих рослин, так і, головне, організмів-редуцентів (грибів і бактерій), що здійснюють розкладання відмерлих рослинних залишків. Відповідно, щоб перешкоджати поверненню CO₂ в атмосферу, необхідно зробити вуглець органічної речовини недоступним для редуцентів. Наприклад, зрубані дерева можна закопати глибоко під землю, туди, куди не буде проникати кисень, необхідний для ефективної діяльності редуцентів. Але це дорого і клопітко. Набагато простіше органічна речовина рослин піддати нагріванню в умовах дефіциту кисню (процесу піролізу) і отримати деревне вугілля. Вміст вуглецю в деревному вугіллі приблизно вдвічі вищий, ніж безпосередньо в масі рослинних залишків, але бактерії і гриби не можуть використовувати його для своїх потреб. Тому, будучи внесеним у ґрунт, деревне вугілля може там зберігатися досить довго — століття, а можливо, і тисячоліття (принаймні, такого віку деревне вугілля, що природно утворилося, відоме).

Ріс. 1. Схема звичайного кругообігу вуглецю в природній екосистемі (ліворуч) і включає переробку рослинних залишків під час піролізу (праворуч). У першому випадку весь вуглець, вилучений з повітря у вигляді CO₂, повертається назад у такій же формі. У другому — 20% його вилучається з кругообігу і зберігається в ґрунті у вигляді деревного вугілля. Якщо вловлювати гази, що виділяються при піролізі, то їх можна використовувати як біопаливо. Інша частина (на схемі — така ж) буде похована в ґрунті. Невелика частина його все ж увійде в кругообіг і повернеться в атмосферу (стрілкою вгору показано 5%). Малюнок з обговорюваної статті в Nature

Можливостям подібної форми поховання вуглецю присвячена недавно з’явилася в журналі Science стаття Йоханнеса Лемана (Johannes Lehmann) з Факультету зернового господарства і землеробства Корнеллівського університету (Ітака, США). Схема пропонованої технології показана на рис. 1. Під час звичайного кругообігу речовин у природних екосистемах вуглець CO₂ зв’язується в процесі фотосинтезу, після чого приблизно половина його витрачається на дихання самих рослин, а половина у вигляді органічної речовини рослинних залишків потрапляє на поверхню ґрунту, де розкладається грибами і бактеріями до простих компонентів. Весь CO₂, що виділився при диханні як рослин, так і редуцентів, повертається в атмосферу. Можна, звичайно, рослинні залишки зібрати і пустити на переробку, отримавши з нього «біопаливо». Це, загалом, непогано, так як економиться викопне паливо, але по відношенню до вуглецю, що знаходиться в атмосфері у вигляді SO₂, дана технологія нейтральна: при спалюванні біопалива весь CO₂, колись пов’язаний в ході фотосинтезу, знову повертається в атмосферу.

Набагато краще, на думку автора статті, технологія перетворення рослинних залишків на деревне вугілля (що також показано на схемі), особливо якщо гази, що виділяються в процесі піролізу, вловлені і використані як біопаливо. Деревне вугілля, що утворилося, вноситься в грунт, наприклад, у суміші з гноєм або мінеральними добривами. Можна додавати його і при безвідвальній обробці ґрунту (технологія, відома в нашій країні як метод Терентія Мальцева, хоча вихідно вона була запропонована ще в кінці XIX століття І.

На основі проведених розрахунків Леман вважає, що технологія пов’язування атмосферного вуглецю в деревному вугіллі може бути широко використана в трьох випадках, і в кожному з них це може знизити щорічну емісію SO₂ в США приблизно на 10%. По-перше, це піроліз залишків дерев при промисловій заготівлі лісу (приблизно 3,5 тонни біомаси на га при загальній площі використовуваних для цих цілей лісових угідь в США 200 мільйонів га). По-друге, піроліз швидко зростаючої рослинності на покинутих сільськогосподарських угіддях (20 тонн біомаси з га на рік при загальній площі таких земель 120 мільйонів га). По-третє, піроліз залишків сільськогосподарських культур (по 5,5 тонни біомаси з га при загальній площі 120 мільйонів га). У всіх випадках мається на увазі, що деревне вугілля вноситься в грунт, а не спалюється. Очевидно, що стратегія зв’язування вуглецю в деревному вугіллі виправдана тільки там, де є у великій кількості запаси дешевої біомаси.

Ріс. 2. Співвідношення запасів (у гігатоннах, Гт) і характерного часу утримання (у роках) вуглецю в різних резервуарах біосфери. Зверніть увагу, що шкала по обох осях логарифмічна. Чим більший розмір резервуара, тим довше утримується там вуглець. Leaf litter — підстилка (опале листя); woody biomass — дерева; soil carbon — вуглець у ґрунті; ocean acidic — місткість океану по відношенню до вугільної кислоти; ocean neutral — місткість океану по відношенню до нейтралізованої вугільної кислоти; EOR (enhanced oil recovery) — запаси нафти, які можуть бути виявлені і використані. Верхні межі часу і обсягів утримання вуглецю, введеного в підземні порожнини (underground injection) або зберігається в карбонатних мінералах (mineral carbonates), не визначені. Викопний вуглець (fossil carbon) включає не тільки нафту, вугілля і газ, але і запаси метану у формі гідратів на дні океану. Кисневий ліміт (oxygen limit) — це та кількість викопного вуглецю, на спалювання якого буде витрачено весь кисень повітря. Споживання вуглецю викопного палива (fuel consumption) для XXI століття приймається в межах від 600 Гт (сучасний рівень) до 2400 Гт. Блакитні вертикальні лінії показано: щорічна емісія вуглецю при спалюванні палива, вуглець, що міститься в біомасі, вуглець атмосфери, вуглець ґрунту, вуглець океану у вигляді CO₃-, весь вуглець океану. Зеленими лініями показані тривалість життя (людини та інфраструктури, їм створеної) і час перемішування маси океану. Ріс. зі статті: Lackner K.S. A guide to CO₂ sequestration // Science. 2003. V. 300. P. 1677–1678

Впровадження даного методу в практику визначається тим, наскільки вигідніше буде зберігати деревне вугілля в ґрунті порівняно з його спалюванням. Поки така організація, як Chicago Climate Exchange, готова платити 4 долари за тонну пов’язаного SO₂. Протягом найближчих років (або принаймні десятиліть) очікується, що ця ціна зросте до 25-85 доларів США за тонну. Розрахунки Лемана показують, що пов’язування атмосферного вуглецю в деревному вугіллі з використанням газів, що виділяються при піролізі, буде економічно привабливим, якщо за тонну пов’язаного SO₂ будуть давати 37 доларів США.

Джерело: Johannes Lehmann. A handful of carbon // Nature. 2007. V. 447. P. 143–144.

Див. так само:

1) Від глобального потепління врятує закопане паливо, «Елементи», 14.03.2007.

2) J. Lehmann. Bio-char or Agri-char: the new frontier.

3) Klaus S. Lackner. A guide to CO₂ sequestration // Science. 2003. V. 300. P. 1677–1678.

Олексій Гіляров