Углерод, изъятый из атмосферы, можно хранить в почве

Слева — горсть чистой земли, справа — древесного угля, а посередине — смесь земли и древесного угля. Фото © Lehmann из обсуждаемой статьи в Nature

Для того чтобы уменьшить количество углекислого газа в атмосфере, ученые предлагают растительные остатки, образующиеся как отходы лесной промышленности и сельского хозяйства, не сжигать, а превращать в древесный уголь, который затем можно вносить в почву. Будучи весьма устойчивым, он будет сохраняться там столетиями. Смысл этой операции в том, чтобы углерод, изъятый из атмосферы в ходе фотосинтеза, надолго вывести из обычного круговорота.

Сжигание ископаемого топлива неизбежно ведет к увеличению содержания в атмосфере углекислого газа (CO₂), а это в свою очередь чревато дальнейшим развитием глобального потепления и подъемом уровня Мирового океана. Меры по ограничению эмиссии CO₂, вроде тех, что предусмотрены Киотским протоколом, не решают проблему, а откладывают ее решение на будущее (не слишком далекое!). Специалисты это хорошо понимают, но до недавнего времени предпочитали не обсуждать публично. Сейчас ситуация стала меняться. Всё чаще появляются работы, в которых говорится о необходимости крупномасштабного связывания углерода атмосферы (то есть CO₂) и о выводе его из глобального круговорота на время, измеряемое по крайней мере столетиями и тысячелетиями (см., например: 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).

Конечно, хорошо бы весь углерод, выпущенный при сжигании ископаемого топлива (угля, нефти, газа), поймать и убрать обратно под Землю — туда, откуда были извлечены эти самые полезные ископаемые. Однако это немногим легче, чем запрятать в бутылку выпущенного из нее джина. А говоря серьезно, всё дело в стоимости захоронения изъятого углерода, в том, какую долю она будет составлять от выручки, полученной за добытое топливо. Вопрос, скорее, экономистам и политикам.

А пока суд да дело, экологи ищут простые способы связывания углерода атмосферы и по возможности долгого удержания его в форме, которая бы за счет природных процессов не превращалась снова в CO₂. Выращивание лесов и вообще восстановление естественного растительного покрова безусловно способствует изъятию углекислого газа из атмосферы и накоплению углерода в тканях растений и в органическом веществе почвы. Однако как только леса и другие растительные сообщества достигают своей зрелости, поглощение CO₂ в ходе фотосинтеза уравновешивается выделением этого газа в результате дыхания — как самих растений, так и, главное, организмов-редуцентов (грибов и бактерий), осуществляющих разложение отмерших растительных остатков. Соответственно, чтобы препятствовать возврату CO₂ в атмосферу, необходимо сделать углерод органического вещества недоступным для редуцентов. Например, срубленные деревья можно закопать глубоко под землю, туда, куда не будет проникать кислород, необходимый для эффективной деятельности редуцентов. Но это дорого и хлопотно. Гораздо проще образовавшееся органическое вещество растений подвергнуть нагреванию в условиях дефицита кислорода (процессу пиролиза) и получить древесный уголь. Содержание углерода в древесном угле примерно в два раза выше, чем непосредственно в массе растительных остатков, но бактерии и грибы не могут использовать его для своих нужд. Поэтому, будучи внесенным в почву, древесный уголь может там сохраняться довольно долго — столетия, а возможно, и тысячелетия (по крайней мере, такого возраста естественно образовавшийся древесный уголь известен).

Рис. 1. Схема обычного круговорота углерода в природной экосистеме (слева) и включающая переработку растительных остатков в ходе пиролиза (справа). В первом случае весь углерод, изъятый из воздуха в виде CO2, возвращается обратно в такой же форме. Во втором — 20% его изымается из круговорота и сохраняется в почве в виде древесного угля. Если улавливать газы, выделяющиеся при пиролизе, то их можно использовать как биотопливо. Остальная часть (на схеме — такая же) будет захоронена в почве. Небольшая часть его всё же войдет в круговорот и вернется в атмосферу (стрелкой вверх показано 5%). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Возможностям подобной формы захоронения углерода посвящена недавно появившаяся в журнале Science статья Йоханнеса Лемана (Johannes Lehmann) с Факультета зернового хозяйства и земледелия Корнеллского университета (Итака, США). Схема предлагаемой технологии показана на рис. 1. В ходе обычного круговорота веществ в природных экосистемах углерод CO₂ связывается в процессе фотосинтеза, после чего примерно половина его расходуется на дыхание самих растений, а половина в виде органического вещества растительных остатков попадает на поверхность почвы, где разлагается грибами и бактериями до простых компонентов. Весь CO₂, выделившийся при дыхании как растений, так и редуцентов, возвращается в атмосферу. Можно, конечно, растительные остатки собрать и пустить на переработку, получив из него «биотопливо». Это, в общем, неплохо, так как экономится ископаемое топливо, но по отношению к углероду, находящемуся в атмосфере в виде СО₂, данная технология нейтральна: при сжигании биотоплива весь CO₂, когда-то связанный в ходе фотосинтеза, снова возвращается в атмосферу.

Гораздо лучше, по мнению автора статьи, технология превращения растительных остатков в древесный уголь (что также показано на схеме), особенно если газы, выделяющиеся в процессе пиролиза, уловлены и использованы как биотопливо. Образовавшийся древесный уголь вносится в почву, например, в смеси с навозом или минеральными удобрениями. Можно добавлять его и при безотвальной обработке почвы (технология, известная в нашей стране как метод Терентия Мальцева, хотя исходно она была предложена еще в конце XIX века И. Е. Овсинским).

На основе проведенных расчетов Леман полагает, что технология связывания атмосферного углерода в древесном угле может быть широко использована в трех случаях, и в каждом из них это может снизить ежегодную эмиссию СО₂ в США примерно на 10%. Во-первых, это пиролиз остатков деревьев при промышленной заготовке леса (примерно 3,5 тонны биомассы на га при общей площади используемых для этих целей лесных угодий в США 200 миллионов га). Во-вторых, пиролиз быстро растущей растительности на заброшенных сельскохозяйственных угодьях (20 тонн биомассы с га в год при общей площади таких земель 120 миллионов га). В-третьих, пиролиз остатков сельскохозяйственных культур (по 5,5 тонны биомассы с га при общей площади 120 миллионов га). Во всех случаях подразумевается, что древесный уголь вносится в почву, а не сжигается. Очевидно, что стратегия связывания углерода в древесном угле оправдана только там, где есть в большом количестве запасы дешевой биомассы.

Рис. 2. Соотношение запасов (в гигатоннах, Гт) и характерного времени удержания (в годах) углерода в разных резервуарах биосферы. Обратите внимание, что шкала по обеим осям логарифмическая. Чем больше размер резервуара, тем дольше удерживается там углерод. Leaf litter — подстилка (опавшие листья); woody biomass — деревья; soil carbon — углерод в почве; ocean acidic — ёмкость океана по отношению к угольной кислоте; ocean neutral — ёмкость океана по отношению к нейтрализованной угольной кислоте; EOR (enhanced oil recovery) — запасы нефти, которые могут быть обнаружены и использованы. Верхние пределы времени и объемов удержания углерода, введенного в подземные полости (underground injection) или сохраняющегося в карбонатных минералах (mineral carbonates), не определены. Ископаемый углерод (fossil carbon) включает не только нефть, уголь и газ, но и запасы метана в форме гидратов на дне океана. Кислородный лимит (oxygen limit) — это то количество ископаемого углерода, на сжигание которого будет израсходован весь кислород воздуха. Потребление углерода ископаемого топлива (fuel consumption) для XXI столетия принимается в пределах от 600 Гт (современный уровень) до 2400 Гт. Голубыми вертикальными линиями показаны: ежегодная эмиссия углерода при сжигании топлива, углерод, содержащийся в биомассе, углерод атмосферы, углерод почвы, углерод океана в виде CO3-, весь углерод океана. Зелеными линиями показаны продолжительность жизни (человека и инфраструктуры, им созданной) и время перемешивания массы океана. Рис. из статьи: Lackner K.S. A guide to CO2 sequestration // Science. 2003. V. 300. P. 1677–1678

Внедрение данного метода в практику определяется тем, насколько выгоднее будет сохранять древесный уголь в почве по сравнению с его сжиганием. Пока такая организация, как Chicago Climate Exchange, готова платить 4 доллара за тонну связанного СО₂. В течение ближайших лет (или по крайней мере десятилетий) ожидается, что эта цена возрастет до 25-85 долларов США за тонну. Расчеты Лемана показывают, что связывание атмосферного углерода в древесном угле с использованием газов, выделяющихся при пиролизе, будет экономически привлекательным, если за тонну связанного СО₂ будут давать 37 долларов США.

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

Cм. также:
1) От глобального потепления спасет закопаемое топливо, «Элементы», 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.

Алексей Гиляров

Последние новости: Экология, Энергетика, Алексей Гиляров