Об углеродном следе говорят уже не первое десятилетие — это один из главных маркеров климатических изменений. Страны спорят о квотах, корпорации рапортуют об «углеродной нейтральности», на Хабре — десятки публикаций. Но все эти меры в лучшем случае сдерживают рост концентрации CO2. А что если попробовать не просто тормозить — а откачивать углекислый газ из атмосферы?
Идея не нова, но у неё появился неожиданный союзник — океан. Морская утилизация углерода (marine Carbon Dioxide Removal, mCDR) — это десятки технологий: от выращивания водорослей до стимуляции химических реакций в морской воде. Сегодня этим занимаются десятки стартапов — от амбициозных новичков до тех, кто уже получил госфинансирование. В статье — что они делают и работает ли это.
В чем вообще идея
70% поверхности Земли покрыто водой, и основная часть этой воды — в океанах. Они играют ключевую роль в углеродном цикле: поглощают значительную долю CO2, присутствующего в атмосфере. Причём не только за счёт фотосинтеза водорослями, но и напрямую — за счёт химического растворения газа в воде.
Согласно данным из журнала Science, основанным на анализе состава океанской воды за 1994–2007 годы, океаны поглощали в среднем 2,6±0,3 петаграмм CO2 в год — это около 31±4% от глобальных выбросов за тот период. Анализ за другие периоды дал схожие результаты: порядка 30% выброшенного углекислого газа действительно уходит в океан.
Но есть нюанс: чем больше CO2 растворяется в воде, тем ближе океан подбирается к насыщению. Иными словами, если не вмешиваться, его способность поглощать новые объёмы будет постепенно снижаться. Это как губка, которая перестаёт впитывать воду, пока её не отжали.
А что если — чисто теоретически — придумать, как эту «губку» отжимать? То есть выводить CO2 из океанской воды, чтобы он снова мог втягивать всё новые порции из атмосферы. Звучит логично: таким образом можно увеличить суммарное поглощение парникового газа и одновременно снизить закисление океана.
Осталось «всего лишь» решить инженерную задачу: как обрабатывать миллионы тонн морской воды, чтобы извлекать из неё CO2 в заметных масштабах. За последние 10–15 лет появилось несколько подходов — всё это направление называют mCDR (marine carbon dioxide removal). С 2000-х годов проведено уже 56 полевых испытаний, как под эгидой государственных институтов, так и силами частных стартапов.
Методов marine carbon dioxide removal (mCDR) уже предложено немало, и часть из них активно тестируется. Вот примеры технологий, которые сегодня проверяются в реальных условиях:
Электрохимическая очистка воды: прокачка морской воды через установки на судах, где с помощью электричества запускаются реакции, выводящие CO2 из раствора. Это сложный и дорогой процесс, но он позволяет напрямую извлекать углекислый газ и в ряде случаев преобразовывать его в стабильные формы, например карбонаты.
Повышение щелочности: добавление в воду веществ (например, гидроксидов или измельчённого вулканического камня), которые сдвигают pH в сторону щелочной среды. В результате CO2, растворённый в воде, переходит в более стабильные формы — в основном бикарбонаты. Это снижает закисление океана и высвобождает «ресурс» для дальнейшего поглощения CO2 из атмосферы.
Выращивание водорослевых лесов: создание морских ферм, где буро- и микроводоросли активно поглощают углекислый газ. Их можно собирать и перерабатывать, либо топить на большой глубине, выводя углерод из цикла.
Вертикальное перемешивание: с помощью насосов или труб воду с поверхности перемещают в глубокие слои, а снизу поднимают бедную CO2 воду. Это имитирует естественные апвеллинги (подъём глубинных вод океана к поверхности) и может способствовать более активному поглощению углерода на поверхности.
Полный список и оценку перспективности технологий можно посмотреть, например, в этом обзоре от Ocean Visions.
Подобные проекты требуют серьёзных вложений — от инфраструктуры до научных исследований. Почему же этим занимаются стартапы, а не только государственные НИИ? Есть два ключевых мотива.
Финансирование от государства и международных фондов. Например, конкурс XPrize выделил 100 миллионов долларов на лучшие технологии улавливания углерода, а Министерство энергетики США запустило пилотную программу на 35 миллионов. Это прямой стимул для инжиниринговых команд пробовать новые подходы.
Рынок углеродных кредитов. В большинстве развитых стран компании обязаны отчитываться о выбросах парниковых газов. При превышении лимитов им нужно либо платить штрафы, либо покупать «углеродные кредиты» — один кредит равен одной тонне улавливаемого CO2. Если стартап может доказать, что его технология действительно удаляет углекислый газ из атмосферы или океана, он получает право продавать такие кредиты загрязнителям. И да, это законно — такой механизм существует в рамках международных соглашений и регулируется на уровне страны или объединений вроде ЕС.
Проблемы и ограничения морской утилизации углерода
Звучит амбициозно: использовать океан как гигантский фильтр для избыточного CO2. Но прежде чем такие технологии станут частью климатической повестки, предстоит решить несколько серьёзных технических и научных задач. Вот ключевые из них.
Как измерить извлечённый CO2
Если стартап планирует продавать углеродные кредиты, он должен доказать, что реально извлёк определённый объём CO2 из океана. Но как это измерить?
Физически проследить каждую молекулу невозможно, поэтому используются непрямые методы: установка автономных платформ с датчиками, измеряющими pH, щелочность, концентрацию растворённого неорганического углерода и парциальное давление CO2. Такие данные позволяют оценивать масштаб изменений, вызванных вмешательством. Питание — от солнечных панелей.
Другой подход — числовое моделирование. Например, ROMS (Regional Ocean Modeling System) и MARBL (Marine Biogeochemistry Library) — две системы, которые адаптируются для анализа перемещений углерода в океане. С их помощью можно прогнозировать, как изменения в одном месте повлияют на общую концентрацию CO2 в других регионах.
Влияние на морскую экосистему
Любое вмешательство в океанскую среду несёт риски. Например, в процессе перекачки воды через установки в неё могут попадать микроорганизмы, планктон и даже мелкие рыбы. Их гибель может нарушить локальные пищевые цепи.
Кроме того, изменение pH воды (через повышение щелочности) должно происходить в строго контролируемых пределах — иначе есть риск повлиять на чувствительных обитателей вроде кораллов и моллюсков. Пока экологические последствия подобных вмешательств изучены слабо.
Энергозатраты и эффективность
Технологии извлечения углерода требуют значительных энергетических ресурсов. Например, по расчётам Андреаса Ошлиса, главы отдела биогеохимического моделирования в GEOMAR (Киль, Германия), чтобы изъять 1 гигатонну CO2 в год, потребуется прокачать несколько метров поверхностного слоя Атлантики. Насколько это энергетически эффективно — пока открытый вопрос.
Важно учитывать и углеродный след самих установок: дизельные суда, насосы, электролизные установки. Без достоверных данных по полной энергоэффективности трудно говорить о реальной пользе технологии.
Что делать с извлечённым углеродом
Извлечение CO2 — это полдела. Второй вопрос: куда его девать? Один из вариантов — преобразование в химические соединения. Например, в MIT предложили превращать CO2 в формиат, который можно использовать как топливо в топливных элементах.
Другие пути — захоронение в геологических формациях или минерализация, но они связаны с большими затратами и логистическими трудностями.
Если же углерод пойдёт, скажем, на производство пластика, то рано или поздно он может оказаться в том же океане — только уже в виде мусора. Это создаёт эффект «замкнутого цикла», где проблема лишь меняет форму.
Когда будет результат
Даже если система по удалению CO2 работает, эффект от неё не наступит мгновенно. Между извлечением углекислого газа из воды и восстановлением способности океана к поглощению новых объёмов может пройти время — от недель до месяцев. Всё зависит от температуры воды, силы течений, ветра и других факторов, влияющих на перемешивание слоёв.
Этот лаг делает проекты mCDR в каком-то смысле «инвестициями в будущее» — с отложенным эффектом и высокой неопределённостью.
Давайте теперь посмотрим, какие технические решения предлагают разные стартапы.
Captura — электродиализ
Основатели стартапа Captura первоначально хотели заниматься извлечением CO2 из воздуха, с помощью технологии прямого улавливания (DAC). Очень энергоемкий подход, в процессе которого воздух пропускается через химические растворители и фильтры.
Но позже от этой идеи отказались и переключились на mCDR. Инвестором выступила компания AltaSea. Она занимается изменением климата и исследованием океанов.
«Преимущество использования океана в том, что он выполняет работу по улавливанию CO2 намного эффективнее. Концентрация углекислого газа там в 150 раз выше, чем в воздухе», — говорит Стив Олдхэм, генеральный директор Captura в Пасадене, Калифорния, который ранее работал в отрасли DAC.
Суть технологии в следующем. Есть большой корабль, который закачивает на борт океанскую воду при помощи мощных электрических насосов, пропуская через ее систему фильтрации. Дальше в дело включается установка.
Морская вода закачивается в систему на борту судна и частично (около 0,5% объёма) отводится для обработки. Этот небольшой поток проходит через блок предварительной очистки, где смягчается — удаляются ионы, мешающие дальнейшим реакциям.
Затем вода поступает в электродиализный модуль. Там на неё подаётся электрическое напряжение, ионам позволяет проходить через специальные ионоселективные мембраны. В результате электролиза образуются две ключевые химические субстанции: соляная кислота (HCl) и гидроксид натрия (NaOH).
Далее потоки разделяются. Кислоту (HCl) смешивают с исходным объёмом воды. Она реагирует с растворённым неорганическим углеродом и преобразует его в CO2, растворённый в воде. Чтобы извлечь этот CO2, воду прогоняют через мембранный дегазатор, подключённый к вакуумному насосу.
На финальном этапе к обработанной воде добавляют NaOH, чтобы восстановить нейтральный pH. После этого вода сбрасывается обратно в океан — и теперь она способна снова поглощать CO2 из атмосферы.
Больше информации можно почитать вот в этой брошюре стартапа. Система работает на солнечной энергии: панели заряжают аккумуляторы, которые обеспечивают автономную работу. По расчётам разработчиков, установка умещается даже на борту относительно небольшого судна и не требует присутствия оператора — все данные передаются по сети.
Тестовая версия уже работает: её установили на списанной барже ВМС США. По площади оборудование занимает примерно баскетбольную площадку. Пока производительность невелика — до 100 тонн CO2 в год.
Но чтобы оказать хоть сколько-нибудь заметное влияние на глобальный углеродный цикл, потребуются десятки тысяч таких систем. Поэтому команда проекта планирует запуск и наземных установок с большей мощностью. Первая из них заработала на Гавайях в этом году. Согласно проекту, она сможет извлекать до 10 000 тонн CO2 в год — в 100 раз больше, чем морская установка.
Ebb Carbon и другие — увеличение щелочности океана
Очевидно, что подход Captura очень дорогой. Нужны установки, флот кораблей и цепочки перерабатывающих заводов на побережьях. А еще весь переработанный CO2 нужно куда-то девать. Поэтому появилась другая идея: повышать щелочность морской воды в отдельных районах. В этом случае pH растёт, и уже содержащийся в воде растворённый углекислый газ преобразуется в неорганический углерод в форме бикарбоната.. В таком состоянии он может храниться тысячи лет.
После этого количество растворенного CO2 падает, и океан снова готов поглощать его из атмосферы, «стремясь» восстановить баланс. Более подробно процесс поглощения описан в этой научной статье.
А вот методов повышения щелочности есть достаточно много, тем более этот процесс часто происходит в природе естественным образом, особенно в определенных прибрежных зонах.
Например, стартап Vesta в июле 2024 года разместил на пляже в Северной Каролине 8200 тонн оливинового песка. При смешивании с морской водой это привело к постепенному увеличению pH и запуску процесса извлечения CO2. А стартап Planetary в начале 2024 года добавил в воду на побережье Новой Шотландии огромное количество гидроксида магния. В ноябре они отчитались о том, что удалили 138 тонн CO2. Методика подсчета неизвестна, но она успешно продала «углеродные кредиты» компаниям Shopify и Stripe.
Повышение щелочности океана также можно обеспечить электрохимическим путем. Ebb Carbon тестирует эту стратегию уже более года на пилотной установке размером с грузовой контейнер в Pacific Northwest National Lab в Секиме, штат Вашингтон.
Суть в следующем: установка забирает соленую воду из залива Секим и пропускает ее через электродиализную машину. Напряжение подается, когда вода проходит через 200 ион-селективных мембран. Создается поток HCl и NaOH, примерно как и в установках стартапа Captura. Но в основной поток воды добавляется основание, а не кислота. И в финальной стадии реакции нейтрализации не происходит — вода с высоким pH напрямую сливается в океан. А оставшуюся кислоту накапливают в емкостях и продают.
В 2025 году стартап планировал нарастить мощности и построить новую установку в Порт-Анджелесе, штат Вашингтон. По расчётам, она могла бы увеличить поглощение CO2 примерно на 500 тонн в год. Такие системы хотят размещать там, где и так сбрасывают морскую воду — например, на опреснительных станциях. Инфраструктура уже есть, остаётся лишь встроиться.
Но у метода повышения щелочности есть и обратная сторона. Даже локальное изменение pH может повлиять на подводную жизнь — особенно на чувствительные организмы вроде моллюсков и планктона. А ещё есть человеческий фактор. Идея «добавлять что-то в море» нравится не всем. Пилотный проект в Сент-Айвсе как раз по этой причине и не взлетел: жители выступили против, и запуск пришлось отменить.
Equatic — электролиз и параллельное производство водорода
Другой стартап предложил более интересное решение, которое позволит точно знать, какое количество CO2 было поглощено из атмосферы. Для этого происходит шесть основных этапов.
Завод по удалению CO2 стоит на побережье — никаких плавающих станций. Насосами вода из океана закачивается в приемные емкости с одновременным измерением концентрации растворенного углекислого газа.
Дальше морская вода поступает в электролизер (не на электродиализ), работающий на запатентованной Equatic технологии. Происходит разделение воды на четыре потока: кислота, основной поток, водород и кислород.
Кислотный поток взаимодействует с дробленым щелочным камнем, чтобы восстановить pH до нормальных значений, и смешивается с основным потоком.
Система забирает окружающий воздух, содержащий CO2 с точно измеренной концентрацией. Дальше он контактирует с основным потоком, в котором происходит принудительное поглощение углекислого газа из воздуха, с образованием твердого карбоната кальция. Equatic заявляет, что скорость поглощения в 99 000 раз выше, чем в случае поглощения открытым океаном.
Вода проходит через фильтр, в котором твердые карбонаты отделяются.
Морская вода сбрасывается, и параллельно измеряется выходная концентрация CO2. Дальше система вычисляет, сколько точно было поглощено углекислого газа, по разнице показаний.
Более подробно с технологией можно ознакомиться на сайте стартапа.
Преимущества такого подхода:
Метод позволяет точно понимать производительность поглощения CO2 из воздуха — продавать «углеродные кредиты» можно без дополнительных вопросов.
Образуется побочный продукт — водород. Его можно использовать для компенсации 40% затраченной на работу установки энергии, либо продавать этот водород как побочный продукт, в дополнение к «углеродным кредитам».
Но есть у этого метода и проблемы. При расщеплении соленой воды электролизером, а не электродиализом, образуется токсичный газообразный хлор.
В сентябре 2024 года Equatic заявила, что разработала специальный метод производства кислород-селективных анодов и структурированных катализаторов, которые не вступают в реакцию с солью в морской воде. Таким образом, хлор остается в связанном виде в процессе электролиза, а газообразный водород выделяется беспрепятственно.
Пилотные установки Equatic в Лос-Анджелесе и Сингапуре уже работают — каждая удаляет около 100 кг CO2 в сутки. Следующий шаг — демонстрационный завод в Сингапуре, рассчитанный на до 10 000 кг CO2 в день. А ближе к концу 2025 года компания планирует приступить к строительству первой коммерческой площадки в Канаде — в партнёрстве с местным стартапом Deep Sky, который развивает инфраструктуру для улавливания углерода.
По проекту, на объекте в Квебеке будет установлено 300 электролизёров, способных улавливать свыше 300 тонн CO2 в день и одновременно производить 8,4 тонны водорода. Энергия для работы установки — из возобновляемых источников.
Звучит масштабно, и пока эти проекты действительно больше похожи на инженерные эксперименты, чем на зрелые климатические решения. Но именно так и начинается путь любой новой технологии: сначала — опытные образцы, потом — промышленные масштабы. Получится ли у этих команд? В ближайшие годы увидим.
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS