Wissenschaftler stellen das bisher kostengünstigste System zur Kohlenstoffabscheidung vor

Die Abscheidung von CO₂, bevor es in die Atmosphäre gelangt, ist eine Schlüsselkomponente zur Verlangsamung der globalen Erwärmung. Die Schaffung von Anreizen für die größten Emittenten, die Technologie zur CO₂-Abscheidung zu übernehmen, ist jedoch eine wichtige Vorstufe. Die hohen Kosten der kommerziellen Abscheidungstechnologie sind seit langem ein Hindernis für ihre breite Anwendung.

Die Wissenschaftler des PNNL glauben, dass Methanol diesen Anreiz bieten kann. Methanol ist ein vielseitig verwendbarer Brennstoff, ein Lösungsmittel und ein wichtiger Bestandteil von Kunststoffen, Farben, Baumaterialien und Autoteilen. Die Umwandlung von CO₂ in nützliche Stoffe wie Methanol bietet einen Weg für Industrieunternehmen, ihren Kohlenstoff abzuscheiden und neu zu nutzen.

Der PNNL-Chemiker David Heldebrant, der das Forschungsteam hinter der neuen Technologie leitet, vergleicht das System mit Recycling. So wie man zwischen Einweg- und wiederverwertbaren Materialien wählen kann, kann man auch Kohlenstoff recyceln.

"Das ist im Wesentlichen das, was wir hier versuchen", so Heldebrant. "Anstatt Öl aus dem Boden zu holen, um diese Chemikalien herzustellen, versuchen wir, dies aus CO₂ zu tun, das aus der Atmosphäre oder aus Kohlekraftwerken abgeschieden wurde, so dass es in nützliche Dinge umgewandelt werden kann. Man hält den Kohlenstoff sozusagen am Leben, es geht also nicht darum, ihn aus dem Boden zu holen, ihn einmal zu verwenden und dann wegzuwerfen. Wir versuchen, das CO₂ zu recyceln, so wie wir auch andere Dinge wie Glas, Aluminium und Kunststoffe zu recyceln versuchen.

Wie in der Zeitschrift Advanced Energy Materials beschrieben, ist das neue System so konzipiert, dass es in Kohle-, Gas- oder Biomassekraftwerken sowie in Zementöfen und Stahlwerken eingesetzt werden kann. Mithilfe eines vom PNNL entwickelten Abscheidungslösungsmittels fängt das System CO₂-Moleküle auf, bevor sie freigesetzt werden, und wandelt sie dann in nützliche, verkaufsfähige Stoffe um.

Es muss eine lange Reihe von Dominosteinen fallen, bevor Kohlenstoff vollständig entfernt oder ganz verhindert werden kann, dass er in die Erdatmosphäre gelangt. Diese Bemühungen - die Verbreitung der Abscheidungs- und Umwandlungstechnologie - stellen einige der ersten entscheidenden Bausteine dar.

Der Einsatz dieser Technologie wird die Emissionen verringern, so Heldebrant. Sie könnte aber auch dazu beitragen, die Entwicklung anderer Technologien zur Kohlenstoffabscheidung voranzutreiben und einen Markt für CO₂-haltige Materialien zu schaffen. Mit einem solchen Markt könnte der Kohlenstoff, der durch die zu erwartenden Technologien zur direkten Abscheidung aus der Luft abgeschieden wird, besser in langlebigere Materialien umgewandelt werden.

Die Forderung nach billigerer Kohlenstoffabscheidung

Im April 2022 veröffentlichte der Zwischenstaatliche Ausschuss für Klimaänderungen seinen Bericht der Arbeitsgruppe III, der sich mit der Eindämmung des Klimawandels befasst. Unter den darin aufgeführten emissionsbegrenzenden Maßnahmen wurde die Kohlenstoffabscheidung und -speicherung als notwendiges Element zur Erreichung von Netto-Null-Emissionen genannt, insbesondere in schwer zu dekarbonisierenden Sektoren wie der Stahl- und Chemieproduktion.

"Die Verringerung der Emissionen in der Industrie erfordert eine effizientere Nutzung von Materialien, die Wiederverwendung und das Recycling von Produkten sowie die Minimierung von Abfällen", erklärte der IPCC in einer Pressemitteilung, die zusammen mit einer der 2022 erscheinenden Ausgaben des Berichts veröffentlicht wurde. "Um Netto-Null-CO₂-Emissionen für den in der Gesellschaft benötigten Kohlenstoff (z. B. Kunststoffe, Holz, Flugzeugtreibstoffe, Lösungsmittel usw.) zu erreichen", heißt es in dem Bericht, "ist es wichtig, die Verwendungsschleifen für Kohlenstoff und Kohlendioxid durch verstärkte Kreislaufwirtschaft mit mechanischem und chemischem Recycling zu schließen."

Die Forschung des PNNL konzentriert sich darauf, genau das zu tun - in Übereinstimmung mit dem Carbon Negative Shot des DOE. Durch die Verwendung von Wasserstoff aus erneuerbaren Quellen bei der Umwandlung kann das Team Methanol mit einem geringeren Kohlenstoff-Fußabdruck herstellen als herkömmliche Methoden, die Erdgas als Ausgangsstoff verwenden. Methanol, das durch CO₂-Umwandlung hergestellt wird, könnte für politische und marktwirtschaftliche Anreize in Frage kommen, um die Einführung von Technologien zur Kohlenstoffreduzierung zu fördern.

Methanol ist eine der am meisten produzierten Chemikalien überhaupt. Als "Plattformmaterial" bekannt, sind seine Verwendungsmöglichkeiten sehr vielfältig. Neben Methanol kann das Team auch CO₂ in Formiat (eine weitere Grundstoffchemikalie), Methan und andere Stoffe umwandeln.

Es ist noch viel Arbeit nötig, um diesen Prozess zu optimieren und zu skalieren, und es kann noch einige Jahre dauern, bis er für den kommerziellen Einsatz bereit ist. Aber, so Casie Davidson, Managerin des PNNL-Marktsektors Kohlenstoffmanagement und fossile Energie, die Verdrängung herkömmlicher chemischer Rohstoffe ist nur der Anfang. "Der integrierte Ansatz des Teams eröffnet eine Welt der neuen CO₂-Umwandlungschemie. Man hat das Gefühl, dass wir an der Schwelle zu einem völlig neuen Bereich skalierbarer, kostengünstiger Kohlenstofftechnologien stehen. Es ist eine sehr aufregende Zeit.

Bröckelnde Kosten

Laut einer Analyse des DOE kosten kommerzielle Systeme für die Aufnahme von Kohlenstoff aus Rauchgas etwa 46 Dollar pro Tonne CO₂. Das PNNL-Team hat sich zum Ziel gesetzt, die Kosten kontinuierlich zu senken, indem es den Abscheidungsprozess effizienter und wirtschaftlich wettbewerbsfähig gestaltet.

Das Team hat die Kosten für die Abscheidung auf 47,10 Dollar pro Tonne CO₂ im Jahr 2021 gesenkt. Eine neue Studie, die im Journal of Cleaner Production beschrieben wird, untersucht die Kosten für den Betrieb des Methanolsystems unter Verwendung verschiedener vom PNNL entwickelter Abscheidungslösungsmittel, und diese Zahl ist nun auf knapp unter 39 US-Dollar pro Tonne CO₂ gesunken.

"Wir haben in dieser neuen Studie drei CO₂-bindende Lösungsmittel untersucht", sagte der Chemieingenieur Yuan Jiang, der die Untersuchung leitete. "Wir haben festgestellt, dass sie über 90 Prozent des Kohlenstoffs, der durch sie hindurchgeht, abscheiden, und das zu etwa 75 Prozent der Kosten einer herkömmlichen Abscheidungstechnologie.

Je nach Art der Anlage oder des Ofens können unterschiedliche Systeme eingesetzt werden. Aber unabhängig von der Art des Systems spielen Lösungsmittel eine zentrale Rolle. Bei diesen Systemen wird das CO₂-reiche Rauchgas mit Lösungsmitteln umspült, bevor es ausgestoßen wird, wobei CO₂-Moleküle zurückbleiben, die nun in der Flüssigkeit gebunden sind.

Die Herstellung von Methanol aus CO₂ ist nicht neu. Neu ist jedoch die Möglichkeit, in einem kontinuierlich fließenden System sowohl Kohlenstoff abzuscheiden als auch ihn in Methanol umzuwandeln. Bisher erfolgten Abscheidung und Umwandlung in zwei getrennten Schritten, die durch die einzigartige, oft nicht komplementäre Chemie der beiden Prozesse voneinander getrennt waren.

"Wir stellen endlich sicher, dass eine Technologie beide Schritte durchführen kann, und zwar gut", sagte Heldebrant und fügte hinzu, dass herkömmliche Umwandlungstechnologien in der Regel hoch gereinigtes CO₂ erfordern. Das neue System ist das erste, das Methanol aus "schmutzigem" CO₂ erzeugt.

Senkung der Emissionen von morgen

Der Prozess der CO₂-Abtrennung und Umwandlung in Methanol ist nicht CO₂-negativ. Der im Methanol enthaltene Kohlenstoff wird bei der Verbrennung freigesetzt oder gebunden, wenn das Methanol in Stoffe mit längerer Lebensdauer umgewandelt wird. Aber diese Technologie schafft die Voraussetzungen", so Heldebrant, für die wichtige Aufgabe, Kohlenstoff in Materialien zu binden und aus der Atmosphäre fernzuhalten.

Andere Zielmaterialien sind Polyurethane, die in Klebstoffen, Beschichtungen und Schaumstoffisolierungen vorkommen, und Polyester, die in vielen Textilien verwendet werden. Sobald die Forscher die Chemie hinter der Umwandlung von CO₂ in Materialien, die es für klimarelevante Zeiträume aus der Atmosphäre heraushalten, fertiggestellt haben, könnte ein breites Netz von Abscheidungssystemen bereitstehen, um solche Reaktionen durchzuführen.

Anstelle der heutigen Schornsteine stellt sich Heldebrant CO_2-Raffinerien vor, die in oder neben Kraftwerke eingebaut werden, wo CO₂-haltige Produkte vor Ort hergestellt werden können. "Wir stehen an einem Wendepunkt", schreiben Heldebrant und seine Mitautoren in einem kürzlich in der Fachzeitschrift Chemical Science veröffentlichten Artikel, "an dem wir entweder weiterhin die monolithische Abscheidungs- und Umwandlungsinfrastruktur des 20. Jahrhunderts nutzen oder den Übergang zu einem neuen Paradigma des 21. Jahrhunderts mit integrierten lösungsmittelbasierten Kohlenstoffabscheidungs- und Umwandlungstechnologien einleiten können.