Im Rahmen der weltweiten Bemühungen zur Eindämmung der Treibhausgasemissionen konzentrieren sich MIT-Wissenschaftler auf die Technologie zur Kohlenstoffabscheidung, um die anspruchsvollsten Industrieemissionen zu dekarbonisieren. Diese Erkenntnisse, die auf einem einzigen elektrochemischen Prozess basieren, könnten dazu beitragen, die Emissionen von Industrien zu reduzieren, die am schwersten zu dekarbonisieren sind, wie etwa Stahl und Zement.
Forscher haben herausgefunden, wie man Kohlendioxid durch einen einzigen elektrochemischen Prozess einfangen und umwandeln kann. Dabei werden Elektroden (wie die im Bild mit Blasen bedeckte) verwendet, um das aus dem Adsorbens freigesetzte Kohlendioxid zu absorbieren und in ein CO2-neutrales Produkt umzuwandeln. Bildnachweis: JohnFreidah/MITMechE
Branchen wie die Stahl-, Zement- und Chemieindustrie lassen sich aufgrund der inhärenten Verwendung von Kohlenstoff und fossilen Brennstoffen in ihren Produktionsprozessen besonders schwer dekarbonisieren. Wenn eine Technologie entwickelt werden könnte, mit der Kohlenstoffemissionen abgeschieden und im Produktionsprozess wiederverwendet werden könnten, wäre es möglich, die Emissionen dieser „schwer einzudämmenden“ Branchen deutlich zu reduzieren.
Allerdings handelt es sich bei den aktuellen experimentellen Technologien zur Abscheidung und Umwandlung von Kohlendioxid um zwei getrennte Prozesse, für deren Ausführung selbst große Energiemengen erforderlich sind. Das MIT-Forschungsteam hofft, die beiden Prozesse zu einem integrierten, weitaus energieeffizienteren System zu kombinieren, das möglicherweise erneuerbare Energien nutzen könnte, um Kohlendioxid aus konzentrierten industriellen Ressourcen abzufangen und umzuwandeln.
Neueste Forschungsergebnisse zur Kohlenstoffabscheidung und -umwandlung
In einer am 5. September in der Fachzeitschrift ACSCatalysis veröffentlichten Studie enthüllen Forscher die verborgene Kraft, Kohlendioxid durch einen einzigen elektrochemischen Prozess einzufangen und umzuwandeln. Bei dem Verfahren wird mithilfe von Elektroden das aus einem Adsorptionsmittel freigesetzte Kohlendioxid absorbiert und in eine reduzierte, wiederverwendbare Form umgewandelt.
Andere haben über ähnliche Demonstrationen berichtet, aber der Mechanismus, der die elektrochemische Reaktion antreibt, bleibt unklar. Das MIT-Team führte zahlreiche Experimente durch, um diesen Treiber zu bestimmen, und stellte fest, dass er letztendlich vom Partialdruck des Kohlendioxids abhängt. Mit anderen Worten: Je reiner das Kohlendioxid in Kontakt mit der Elektrode ist, desto effizienter kann die Elektrode Kohlendioxidmoleküle einfangen und umwandeln.
Das Verständnis dieses primären Treibers oder dieser „aktiven Spezies“ könnte Wissenschaftlern dabei helfen, ähnliche elektrochemische Systeme abzustimmen und zu optimieren, um Kohlendioxid in einem integrierten Prozess effizient einzufangen und umzuwandeln.
Die Ergebnisse dieser Studie legen nahe, dass diese elektrochemischen Systeme zwar möglicherweise nicht für sehr verdünnte Umgebungen geeignet sind (z. B. die Erfassung und Umwandlung von Kohlenstoffemissionen direkt aus der Luft), aber gut für die hohen Konzentrationen von Emissionen geeignet sind, die durch industrielle Prozesse entstehen, insbesondere solche, für die es keine offensichtlichen erneuerbaren Alternativen gibt.
„Wir können und sollten zur Stromerzeugung auf erneuerbare Energien umsteigen“, sagte Studienautorin Betar Gallant, MIT Career Development Associate Professor 1922. „Aber eine tiefgreifende Dekarbonisierung von Industrien wie der Zement- oder Stahlproduktion ist eine Herausforderung und wird länger dauern. Selbst wenn wir alle Kraftwerke stilllegen, werden wir kurzfristig einige Lösungen brauchen, um die Emissionen in anderen Industrien anzugehen, bevor wir diese Industrien vollständig dekarbonisieren können. Hier sehen wir einen Sweet Spot, und so etwas wie dieses System könnte in diesen Sweet Spot passen.“
Zu den Mitautoren der Studie am MIT gehören der Hauptautor, Postdoktorand Graham Leverick und die Doktorandin Elizabeth Bernhardt sowie Athea Iliani-Esse von der Sunway University in Malaysia. Aisyah Illyani Ismail, Jun Hui Law, Arif Arifutzzaman und Mohamed Kheireddine Aroua.
Erfahren Sie mehr über den Kohlenstoffabscheidungsprozess
Die Kohlenstoffabscheidungstechnologie ist darauf ausgelegt, Emissionen oder „Rauchgase“ aus den Schornsteinen von Kraftwerken und Produktionsanlagen aufzufangen. Emissionen werden vor allem durch große Nachrüstungen in eine Kammer geleitet, die eine „Einfanglösung“ enthält (eine Mischung aus Aminen oder Aminoverbindungen, die sich chemisch mit Kohlendioxid verbinden, um eine stabile Form zu erzeugen, die vom Rest des Rauchgases getrennt werden kann).
Das eingefangene Kohlendioxid wird dann bei hohen Temperaturen behandelt, häufig unter Verwendung von aus fossilen Brennstoffen erzeugtem Dampf, um das eingefangene Kohlendioxid aus seinen Aminbindungen zu lösen. Reines Kohlendioxidgas kann in Lagertanks oder in den Untergrund gepumpt, mineralisiert oder weiter in Chemikalien oder Kraftstoffe umgewandelt werden.
„Kohlenstoffabscheidung ist eine ausgereifte Technologie und die Chemie ist etwa 100 Jahre alt, aber sie erfordert wirklich große Installationen und ist ziemlich teuer und energieintensiv im Betrieb“, betont Gallant. „Was wir brauchen, ist eine modularere und flexiblere Technologie, die sich an vielfältigere Kohlendioxidquellen anpassen lässt. Elektrochemische Systeme können zur Lösung dieses Problems beitragen.“
Ihre Forschungsgruppe am MIT entwickelt ein elektrochemisches System, das eingefangenes Kohlendioxid recyceln und in reduzierte, nutzbare Produkte umwandeln kann. Ein solches integriertes System könnte anstelle eines separaten Systems vollständig mit erneuerbarer Energie betrieben werden und nicht mit Dampf, der aus fossilen Brennstoffen erzeugt wird, sagte sie.
Ihr Konzept basiert auf einer Elektrode, die in den Hohlraum einer vorhandenen Lösung zur Kohlenstoffabscheidung passt. Wenn an die Elektrode eine Spannung angelegt wird, fließen Elektronen in Richtung der aktiven Form von Kohlendioxid und werden mithilfe von aus dem Wasser zugeführten Protonen in Produkte umgewandelt. Auf diese Weise kann das Adsorptionsmittel mehr Kohlendioxid absorbieren, anstatt Dampf zur Absorption des Kohlendioxids zu verwenden.
Gallant hat zuvor gezeigt, dass dieser elektrochemische Prozess Kohlendioxid einfangen und in eine feste Carbonatform umwandeln kann. „Wir haben in sehr frühen Konzepten gezeigt, dass dieser elektrochemische Prozess möglich ist“, sagte sie. „Seitdem gab es weitere Studien, die sich darauf konzentrierten, dieses Verfahren zur Herstellung nützlicher Chemikalien und Kraftstoffe zu nutzen. Es gab jedoch widersprüchliche Erklärungen dafür, wie diese Reaktionen funktionieren.“
Die Rolle von „Kohlendioxid allein“
In der neuen Studie beobachtete das MIT-Forschungsteam mithilfe einer Lupe die spezifischen Reaktionen, die elektrochemische Prozesse antreiben. Im Labor stellten sie Aminlösungen her, die industriellen Abscheidungslösungen ähneln, die zur Extraktion von Kohlendioxid aus Rauchgasen verwendet werden. Sie variierten methodisch verschiedene Eigenschaften jeder Lösung, wie pH-Wert, Konzentration und Art des Amins, und ließen dann jede Lösung durch eine Silberelektrode laufen, ein Metall, das in der Elektrolyseforschung weit verbreitet ist und bekanntermaßen Kohlendioxid effizient in Kohlenmonoxid umwandelt. Anschließend maßen sie die Konzentration des umgewandelten Kohlenmonoxids am Ende der Reaktion und verglichen diese Zahl mit der aller anderen von ihnen getesteten Lösungen, um festzustellen, welcher Parameter den größten Einfluss auf die Menge des erzeugten Kohlenmonoxids hatte.
Am Ende stellten sie fest, dass es nicht, wie viele vermutet hatten, auf die Art des Amins ankam, das überhaupt zum Einfangen des Kohlendioxids verwendet wurde. Am wichtigsten ist vielmehr die Konzentration frei schwebender Kohlendioxidmoleküle in der Lösung, die eine Bindung an Amine verhindert. Dieses „Kohlendioxid allein“ bestimmt die Endkonzentration des erzeugten Kohlenmonoxids.
„Wir haben herausgefunden, dass dieses ‚alleinige‘ CO2 leichter reagiert als durch Amine eingefangenes CO2“, sagte Leverick. „Dies zeigt zukünftigen Forschern, dass dieser Prozess in Industrieströmen machbar ist und hohe CO2-Konzentrationen effizient einfangen und in nützliche Chemikalien und Kraftstoffe umwandeln kann.“
„Das ist keine Entfernungstechnologie, das ist wichtig“, betont Gallant. „Der damit verbundene Wert besteht darin, dass wir CO2 viele Male recyceln und gleichzeitig bestehende Industrieprozesse beibehalten können, wodurch die damit verbundenen Emissionen reduziert werden. Letztendlich ist es mein Traum, elektrochemische Systeme zu nutzen, um die Mineralisierung und dauerhafte Speicherung von CO2 zu fördern, was eine echte Entfernungstechnologie darstellt. Dies ist eine längerfristige Vision. Und viele der wissenschaftlichen Erkenntnisse, die wir zu verstehen beginnen, sind der erste Schritt bei der Gestaltung dieser Prozesse.“