Команда МТИ приводит доводы в пользу прямого улавливания углерода из морской воды, а не из воздуха

Извлечение парниковых газов из воды — идея, звучащая странно, но океаны — это поглотитель углерода номер один на планете, а прямое улавливание углерода в воздухе сопряжено с довольно серьезными проблемами: оно стоит дорого и требует много энергии. Согласно данным МЭА за 2022 год, даже более эффективные технологии улавливания воздуха требуют около 6,6 гигаджоулей энергии, или 1,83 мегаватт-часа на тонну улавливаемого углекислого газа.

Большая часть этой энергии не используется для непосредственного отделения CO2 от воздуха, она приходится на тепловую энергию, чтобы поддерживать поглотители при рабочих температурах, или электрическую энергию, используемую для сжатия больших объемов воздуха до точки, при которой операция улавливания может быть выполнена эффективно. Но в любом случае, затраты вышли из-под контроля: расчетная цена за тонну на 2030 год колеблется от 300 до 1000 долларов США. В настоящее время на Земле нет ни одной страны, готовой облагать налогом выбросы углекислого газа даже наполовину от нижней оценки; Уругвай, занявший первое место, облагает налогом 137 долларов США за тонну. Прямой захват воздуха не будет работать как бизнес, если его стоимость не снизится.

Оказывается, есть еще один вариант: морская вода. По мере повышения концентрации углерода в атмосфере углекислый газ начинает растворяться в морской воде. В настоящее время океан поглощает около 30-40% всех ежегодных выбросов углерода человечеством и поддерживает постоянный свободный обмен с воздухом. Высосите углерод из морской воды, и он высосет больше углерода из воздуха, чтобы сбалансировать концентрации. Лучше всего то, что концентрация углекислого газа в морской воде более чем в 100 раз больше, чем в воздухе.

Предыдущим исследовательским группам удавалось выделять CO2 из морской воды и улавливать его, но их методы требовали дорогих мембран и постоянного снабжения химикатами для поддержания реакции. Команда Массачусетского технологического института, с другой стороны, объявила об успешном тестировании системы, которая не использует ни того, ни другого и требует гораздо меньше энергии, чем методы захвата воздуха.

В новой системе морская вода проходит через две камеры. В первом используются реактивные электроды для высвобождения протонов в морскую воду, которая подкисляет воду, превращая растворенные неорганические бикарбонаты в газообразный углекислый газ, который выделяется пузырьками и собирается с помощью вакуума. Затем вода проталкивается ко второму набору ячеек с обратным напряжением, вызывая эти протоны обратно и превращая кислую воду обратно в щелочную, прежде чем вернуть ее обратно в море. Периодически, когда активный электрод истощается от протонов, полярность напряжения меняется на противоположную, и та же реакция продолжается с течением воды в обратном направлении.

Команда говорит, что метод требует затрат энергии 122 кДж/моль, что соответствует расчетам 0,77 мВтч на тонну. И команда уверена, что может добиться еще большего. «Хотя наше базовое потребление энергии в 122 кДж/моль CO2 является рекордно низким, оно может быть еще существенно снижено до термодинамического предела в 32 кДж/моль-CO2».

Команда прогнозирует оптимизированную стоимость около 56 долларов США за тонну улавливаемого CO2, хотя было бы несправедливо сравнивать ее непосредственно с прямыми затратами на улавливание воздуха всей системы. В исследовании предупреждается, что это не включает вакуумную дегазацию, фильтрацию и «вспомогательные расходы за пределами электрохимической системы», анализ которых необходимо будет проводить отдельно. Некоторые из них потенциально могут быть смягчены путем интеграции установок улавливания углерода с другими объектами, например, с опреснительными установками, которые уже обрабатывают большие объемы морской воды.

Есть и другие преимущества: увеличение накопления углерода в океане за последние годы уже вызвало проблемы с подкислением, угрожая коралловым рифам и моллюскам. Щелочной выход этого процесса, если его направить туда, где это необходимо, может помочь восстановить баланс.

У команды есть практический демонстрационный проект, запланированный на ближайшие два года, и она говорит, что есть много вещей, над которыми еще нужно поработать. Во-первых, исследователи хотели бы иметь возможность отделять газ без вакуумной системы. А минеральные осадки загрязняют электроды на стороне подщелачивания, так что еще многое предстоит сделать.

Исследование находится в открытом доступе в журнале Energy & Environmental Science.