Methan aus CO2 gewinnen: Carbon Capture wird erschwinglicher
"Diese Studie bietet einen kosteneffizienten Weg, um aus CO2-Abfall etwas Wertvolles zu machen"
In ihrem ständigen Bemühen, die CO2-Abscheidung erschwinglicher zu machen, haben Forscher des Pacific Northwest National Laboratory des Energieministeriums eine Methode zur Umwandlung von abgeschiedenem Kohlendioxid (CO2) in Methan, den Hauptbestandteil von Erdgas, entwickelt.
Genauso wichtig wie die Frage, wie man CO2 am besten abscheiden kann, ist die Frage, wie man es nutzen kann. Eine neue Studie beschreibt, wie CO2 in Methan, den Hauptbestandteil von synthetischem Erdgas, umgewandelt werden kann. Hier hält Jotheeswari Kothandaraman, Chemikerin am PNNL und Autorin der neuen Studie, eine Probe Methanol, das noch vielfältiger einsetzbar ist als Methan.
Photo by Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory
Durch die Rationalisierung eines seit langem bestehenden Prozesses, bei dem CO2 in Methan umgewandelt wird, reduziert die neue Methode der Forscher die für die Reaktion benötigten Materialien, die für den Betrieb erforderliche Energie und letztlich den Verkaufspreis des Gases.
Ein wichtiger chemischer Akteur, EEMPA, macht das Verfahren möglich. EEMPA ist ein vom PNNL entwickeltes Lösungsmittel, das CO2 aus dem Rauchgas von Kraftwerken auffängt und das Treibhausgas bindet, so dass es in nützliche Chemikalien umgewandelt werden kann.
Anfang dieses Jahres haben PNNL-Forscher gezeigt, dass der Einsatz von EEMPA in Kraftwerken den Preis für die CO2-Abscheidung auf 19 Prozent unter den Standardkosten der Industrie senken könnte - der niedrigste dokumentierte Preis für die CO2-Abscheidung. In einer am Freitag, den 21. August, in der Fachzeitschrift ChemSusChem veröffentlichten Studie zeigt das Team nun einen neuen Anreiz - billigeres Erdgas - auf, um die Kosten weiter zu senken.
Im Vergleich zur herkömmlichen Methode der Methanumwandlung erfordert das neue Verfahren eine um 32 Prozent geringere Anfangsinvestition. Die Betriebs- und Wartungskosten sind um 35 Prozent niedriger, so dass der Verkaufspreis von synthetischem Erdgas um 12 Prozent sinkt.
Die Rolle von Methan bei der CO2-Abscheidung
Verschiedene Methoden zur Umwandlung von CO2 in Methan sind seit langem bekannt. Die meisten Verfahren erfordern jedoch hohe Temperaturen und sind für eine breite kommerzielle Nutzung oft zu teuer.
Neben der geologischen Gewinnung kann Methan aus erneuerbaren oder recycelten CO2-Quellen hergestellt und als Brennstoff oder alsH2-Energieträger verwendet werden. Obwohl es ein Treibhausgas ist und ein sorgfältiges Management der Lieferkette erfordert, hat Methan viele Anwendungsmöglichkeiten, die von der Verwendung im Haushalt bis hin zu industriellen Prozessen reichen, sagte die Hauptautorin und PNNL-Chemikerin Jotheeswari Kothandaraman.
"Derzeit muss ein großer Teil des in den USA verbrauchten Erdgases aus dem Boden gepumpt werden", so Kothandaraman, "und es wird erwartet, dass der Bedarf im Laufe der Zeit steigen wird, selbst wenn der Klimawandel eingedämmt wird. Das in diesem Prozess erzeugte Methan, das aus Abfall-CO2 und erneuerbarem Wasserstoff hergestellt wird, könnte eine Alternative für Versorgungsunternehmen und Verbraucher darstellen, die Erdgas mit einer erneuerbaren Komponente und einem geringeren Kohlenstoff-Fußabdruck suchen."
Kostenberechnung und CO2-Abscheidung
Um den Einsatz von EEMPA bei der Umwandlung von CO2 in Methan zu erforschen, untersuchten Kothandaraman und ihre Kollegen die molekularen Grundlagen der Reaktion und bewerteten dann die Kosten für den Betrieb des Prozesses in einem 550-Megawatt-Kraftwerk im großen Maßstab.
Konventionell können Kraftwerksbetreiber CO2 mit Hilfe spezieller Lösungsmittel abfangen, die das Rauchgas vor dem Austritt aus den Schornsteinen des Kraftwerks abdampfen. Diese herkömmlichen Lösungsmittel haben jedoch einen relativ hohen Wassergehalt, was die Methanumwandlung erschwert.
Durch den Einsatz von EEMPA wird die für eine solche Reaktion erforderliche Energie reduziert. Die Einsparungen ergeben sich zum Teil aus der Fähigkeit von EEMPA, CO2 leichter zu lösen, was bedeutet, dass für die Umwandlung weniger Druck erforderlich ist.
Die Bewertung der Autoren ergab weitere Kosteneinsparungen, da das mit EEMPA abgeschiedene CO2 vor Ort in Methan umgewandelt werden kann. In der Regel wird das CO2 aus wasserreichen Lösungsmitteln abgetrennt und zur Umwandlung oder unterirdischen Lagerung an einen anderen Ort gebracht. Bei der neuen Methode kann das abgeschiedene CO2 in einer einfachen Kammer mit erneuerbarem Wasserstoff und einem Katalysator gemischt und dann auf die Hälfte des bei herkömmlichen Verfahren verwendeten Drucks erhitzt werden, um Methan herzustellen.
Die Reaktion ist effizient, so die Autoren, und wandelt über 90 Prozent des abgeschiedenen CO2 in Methan um, obwohl die endgültige Treibhausgasbilanz davon abhängt, wofür das Methan verwendet wird. Und EEMPA fängt über 95 Prozent des im Rauchgas enthaltenen CO2 ab. Das neue Verfahren gibt auch überschüssige Wärme ab und liefert Dampf für die Stromerzeugung.
Mehr aus CO2 machen
Der in der Studie beschriebene chemische Prozess ist nur einer von vielen Wegen, so Kothandaraman, bei denen abgeschiedenes CO2 als Ausgangsstoff für die Herstellung anderer wertvoller Chemikalien verwendet werden kann.
"Ich bin froh, wenn ich diesen Prozess für Methanol so effizient gestalten kann, wie er es jetzt für Methan tut", sagte sie. "Das ist mein langfristiges Ziel." Methanol hat viel mehr Anwendungsmöglichkeiten als Methan, sagte Kothandaraman, die seit etwa einem Jahrzehnt versucht, die katalytischen Reaktionen aufzudecken, mit denen Methanol aus CO2 hergestellt werden könnte. Die Herstellung von Kunststoffen aus abgeschiedenem CO2 ist ein weiterer Weg, den das Team zu erforschen gedenkt.
"Es ist wichtig, dass wir CO2 nicht nur abscheiden, sondern auch wertvolle Wege finden, es zu nutzen", sagte Ron Kent, Advanced Technologies Development Manager bei SoCalGas, "und diese Studie bietet einen kosteneffektiven Weg, um aus Abfall-CO2 etwas Wertvolles zu machen".
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