Исследователи Университета Хьюстона разработали первую мембранесс систему захвата CO₂ со стоимостью $70 за тонну — конкурентоспособной с лучшими методами на рынке.
Интегрированная батарея для одновременного захвата углерода и хранения энергии открывает новый класс двойного назначения технологий.
Модульные системы готовы к внедрению на существующих промышленных объектах без капитальной перестройки инфраструктуры.
Проблема, которую нужно решить
На сегодняшний день захват углерода из промышленных выбросов остается одним из самых дорогостоящих процессов в энергетической индустрии. Традиционные аминовые системы требуют нагрева до 120°C для регенерации абсорбента — это съедает до 30% от всей энергии, потребляемой на захват CO₂.
Стоимость углерода обычно составляет $100–150 за тонну, что делает технологию экономически неприемлемой для большинства промышленных объектов. Главный виновник — дорогостоящие ионообменные мембраны, которые одновременно являются самым ненадежным компонентом системы.
Это создает замкнутый круг: высокие эксплуатационные расходы → высокие финальные цены на углерод → отсутствие масштабирования → отсутствие экономии от объема.
Исследователи заметили, что мембраны составляют 50–70% капитальной стоимости системы, но решают локальную задачу разделения ионов. Что если просто их удалить и заменить специально спроектированными пористыми электродами?
Первый прорыв: мембранесс EMAR (Electrochemically Mediated Amine Regeneration)
Команда Мима Рахима (Mim Rahimi) из Cullen College of Engineering заменила традиционные ионообменные мембраны на инженерно оптимизированные газораспределительные электроды (gas diffusion electrodes, GDE).
Результаты экспериментов:
- Эффективность захвата: 90% CO₂ — выше, чем у традиционных аминовых систем (65–75%)
- Стоимость: $70 за тонну CO₂ — конкурентоспособна с лучшими методами amine scrubbing
- Снижение энергопотребления: ~50% за счет отсутствия циклов нагрева-охлаждения
- Совместимость: модульная архитектура для встроения в существующие промышленные системы
Как это работает: CO₂-обогащенный раствор аминов поступает в анодную камеру электрохимической ячейки. На электроде происходит окисление ионов, которые разрывают связь с молекулами CO₂. Углерод десорбируется в газовой фазе и отделяется, а очищенный абсорбент возвращается в цикл.
Модульные системы можно установить прямо на существующих электростанциях и промышленных объектах без переделки базовой инфраструктуры. Компактный размер позволяет использовать их в точке источника выбросов.
Второй прорыв: ванадиевая батарея двойного назначения
Параллельно исследователь Мохсен Афшари (Mohsen Afshari) разработал интегрированную ванадиевую батарею (vanadium redox flow battery, VRFB), которая одновременно захватывает CO₂ и накапливает энергию.
Ключевые параметры системы:
- Энергопотребление: 54 кДж/моль CO₂ — конкурентоспособно с электрохимическими методами
- Цикловая стабильность: неограниченный жизненный цикл — ванадий перерабатывается бесконечно
- Двойное назначение: днем система поглощает CO₂ и заряжает батарею, ночью — возвращает энергию в сеть
- Масштабируемость: как в VRFB технологии — мощность и емкость независимо масштабируются
Инновация состоит в том, что абсорбент (раствор аминов) регенерируется не тепловым циклом, а через изменение pH с помощью ванадиевых редокс-пар. Система разработана для цикла день-ночь: в течение дня, когда возобновляемая энергия дешевая, система потребляет электричество для десорбции CO₂ и зарядки батареи; ночью она разряжается и отдает энергию в сеть.
Это первая система, которая в одном устройстве решает две критические проблемы энергетического переходу: избыток возобновляемой энергии в пиковые часы + необходимость снижения промышленных выбросов CO₂.
Анализ: откуда берется снижение стоимости?
Главная статья капитальных затрат в традиционных системах EMAR — мембраны (50–70% стоимости). Удаление мембраны снизило:
- Капитальные затраты: прямое снижение за счет исключения дорогого компонента
- Операционные расходы: упрощение конструкции = меньше отказов = меньше техническое обслуживание
- Энергопотребление: газораспределительные электроды работают при комнатной температуре
- Срок окупаемости: модульность и скорость установки
Сравнительно: традиционное тепловое amine scrubbing требует зарезки в паровой цикл электростанции (дорогая переделка), а мембранесс EMAR встраивается как отдельный модуль.
Пористые структуры, аналогичные газораспределительным электродам, нобелевские лауреаты использовали в сорбентах для захвата CO₂. Исследование Хьюстона прямо связано с этим направлением.
Где это внедрится первым?
1. Углеводородная переработка — рафинерии и химические заводы с интенсивными выбросами CO₂
- Модульная система позволит ретрофитировать существующие объекты без остановки производства
- Энергозатраты на 50% ниже = прямое повышение прибыльности
2. Энергетический сектор — газовые электростанции и СПЗ терминалы
- Интегрированная батарея решает проблему неравномерности возобновляемых источников
- Одновременно: выполнение экологических норм + коммерческий доход от энергохранения
3. Будущее: модульные системы на промышленных площадках
- Стоимость $70/тонна CO₂ близко к точке экономической целесообразности для углеродных кредитов (~$50–80/тонна)
- При масштабировании производства цена упадет еще на 20–30%
Риски и ограничения
Масштабирование на уровне заводов: Исследования проводились на лабораторном и бенч-масштабе (54–100 литров). Переход от миллилитров к мегаватам займет 3–5 лет.
Деградация электродов: Пористые электроды подвержены механическому износу при длительной работе. Необходимо исследование долговечности.
Конкуренция технологий: Параллельно развиваются другие методы (MOF-сорбенты, криогенные системы). Мембранесс EMAR — не панацея, а конкурентная альтернатива.
Что отслеживать в ближайшие 1–3 года
2025–2026: Коммерциализация первого пилота — внедрение на нефтеперерабатывающем предприятии или электростанции
2026–2027: Снижение удельных затрат — ожидается падение цены до $50–60 за тонну при производстве 10–20 модулей
2027–2028: Конвергенция с возобновляемыми — интегрированные системы захвата + энергохранения появятся на ветровых и солнечных фермах
Реалистичный сценарий: Технология займет 5–10% рынка захвата CO₂ к 2030 году (сегодня — менее 1%). Это означает развертывание сотен модулей, а не тысяч.
Узнать больше
Оригинальные публикации исследования:
• Nature Communications (2025): "A Membraneless Electrochemically Mediated Amine Regeneration for Carbon Capture" — Ahmad Hassan, Mim Rahimi et al.
• ES&T Engineering (2025, cover feature): "A Vanadium Redox Flow Process for Carbon Capture and Energy Storage" — Mohsen Afshari, Mim Rahimi et al.
• Исследовательский центр Cullen College of Engineering, University of Houston
Выводы для руководителей и инвесторов
Для энергетических компаний: Технология представляет стратегическое значение для выполнения ESG обязательств без капитальной перестройки активов. ROI на модульные системы рассчитывается в 4–6 лет при углеродной цене выше $60/тонна.
Для инвесторов в климатические технологии: Исследование демонстрирует, как электрохимические методы выигрывают в стоимости у тепловых циклов. Это подтверждает долгосрочный тренд на замену энергозатратных процессов на электрифицированные альтернативы.
Для политиков: Система готова к государственной поддержке через гранты на пилотные проекты. Стоимость в $70/тонна — это точка, где углеродные кредиты и налоговые льготы могут сделать технологию прибыльной для первых внедрителей.
Источники информации
Материал подготовлен на основе официального исследования Университета Хьюстона, опубликованного в Nature Communications и ES&T Engineering (август 2025), а также пресс-релизов научного центра Cullen College of Engineering. Техническая информация верифицирована по рецензируемым научным источникам. Данные актуальны на 25 октября 2025 года.