Океаны поглощают огромное количество углекислого газа, а исследователи из Массачусетского технологического института разработали способ высвобождения и улавливания этого вещества, при котором используется гораздо меньше энергии, чем при прямом захвате из воздуха.
Извлечение парниковых газов из воды — идея, звучащая странно. Но стоит помнить, что 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. В любом случае, затраты уже вышли из-под контроля: расчетная цена за тонну на 2030 год колеблется от 300 до 1000 долларов США. По данным Statista, в настоящее время на Земле нет ни одной страны, готовой облагать налогом выбросы углекислого газа даже на половину 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 в ответ 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 — то есть эффект очищения будет весьма заметным.
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.
Как это работает
В новой системе морская вода проходит через две камеры. В первой используются реактивные электроды для высвобождения протонов в морскую воду, которые подкисляют ее, превращая растворенные неорганические бикарбонаты в газообразный углекислый газ, который выделяется пузырьками и собирается с помощью вакуума. Затем вода поступает ко второму набору ячеек с обратным напряжением, забирая протоны и превращая кислую воду обратно в щелочную, прежде чем снова выпустить ее 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.
В новом исследовании, опубликованном в рецензируемом журнале Energy & Environmental Science, команда утверждает, что ее метод требует затрат энергии 122 кДж/моль или 0,77 мВтч на тонну. Ученые уверены, что может добиться еще большей энергоэффективности: «Хотя наше базовое потребление энергии в 122 кДж/моль CO2 является рекордно низким, — говорится в исследовании, — оно все же может быть существенно снижено до термодинамического предела в 32 кДж/моль/ на литр CO2».
По прогнозам ученых, усовершенствованная система обойдется в примерно 56 долларов США за тонну улавливаемого CO2, хотя было бы несправедливо сравнивать ее непосредственно с прямыми затратами на улавливание воздуха всей системы. Исследователи предупреждают, что эти цифры не включают расходы на вакуумную дегазацию, фильтрацию и «вспомогательные расходы за пределами электрохимической системы», анализ которых необходимо будет проводить отдельно. Часть трат, однако, потенциально можно смягчить путем интеграции установок улавливания углерода с другими объектами — например, с опреснительными установками, которые уже обрабатывают большие объемы морской воды.
Есть и другие преимущества нового подхода: так, 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 естественный природный баланс.