Energie
Alternative Lösungen zur CO2-Abscheidung
CO2-Abscheidung ist entscheidend, um den Schaden, den die globale Erwärmung bald unserem Klima zufügen könnte, erfolgreich rückgängig zu machen. Allerdings gibt es einen Konflikt zwischen dem, was die menschliche Zivilisation idealerweise erreichen will, und der Realität vor Ort. Das Pariser Abkommen markierte ein globales Versprechen, den Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur deutlich unter 2 °C über dem vorindustriellen Niveau zu halten.
Während ernsthafte Anstrengungen erforderlich waren, um den Anstieg auf 1,5 Grad Celsius zu begrenzen, indem man von fossilen Brennstoffen wegkommt, dominieren nach wie vor Kohle- und Gaskraftwerke den globalen Stromsektor, berichtet die International Energy Association (IEA).
Tatsächlich hat sich die Stromerzeugung aus fossilen Brennstoffen trotz einer weltweiten Anstrengung, stärker zu erneuerbaren Energiequellen zu wechseln, seit 2000 um 70 % erhöht. Kohle bleibt mit 38 % die größte Brennstoffquelle für die Stromerzeugung, gefolgt von Gas mit etwa 20 %.
Weltweit umgesetzte Politiken zielen darauf ab, das Emissionsproblem von bestehenden Kohlekraftwerken und den heute im Bau befindlichen Anlagen anzugehen. Dennoch garantiert eine Reduktion oder ein Rückgang der CO2-Emissionen nicht das Fehlen von klimaschädlichem Kohlenstoff. Die IEA schlägt vor, dass selbst wenn die CO2-Emissionen des bestehenden Kohlekraftwerksparks um etwa 40 % sinken, die jährlichen Emissionen im Jahr 2040 immer noch 6 GtCO2 pro Jahr betragen würden.
In einem solchen Szenario wäre es nicht möglich, unsere Klimaziele allein durch Emissionsreduktion zu erreichen. Alternative Lösungen wären erforderlich, um Kohlenstoff zu erfassen, damit er in großem Maßstab genutzt und gespeichert werden kann. Diese Lösungen müssten jedoch ganzheitlich tragfähig, kostengünstig und langfristig machbar sein.
Kürzlich haben Forscher der CU Boulder und Kooperationspartner in einer am 1. Mai in der Zeitschrift ACS Energy Letters veröffentlichten Studie gezeigt, dass ein beliebter Ansatz, den viele Ingenieure zur Kohlenstoffabscheidung untersuchen, scheitern würde.
Das Forscherteam, bestehend aus Wissenschaftlern des National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colorado, und der Technischen Universität Delft in den Niederlanden, beschränkte sich jedoch nicht darauf, den Mangel im bestehenden System aufzuzeigen, sondern empfahl auch eine alternative und nachhaltigere Lösung, um nicht nur Kohlenstoff zu erfassen, sondern ihn zudem in Kraftstoff umzuwandeln.
In den kommenden Abschnitten werden wir untersuchen, was die ursprüngliche Lösung empfohlen hat, welche Mängel sie hatte und wie diese Mängel mit einer alternativen Lösung behoben werden können!
Die ursprüngliche Lösung zur CO2-Abscheidung
Mit der ursprünglichen Lösung meinen wir einen der am häufigsten genutzten Direct Air Capture‑Ansätze, der Luftkontaktoren einsetzt – riesige Ventilatoren, die Luft in eine Kammer mit einer basischen Flüssigkeit ziehen. Da CO2 chemisch sauer ist, bindet und reagiert die basische Flüssigkeit damit zu einem Carbonat oder Bicarbonat.
Ist CO2 im Carbonat oder Bicarbonat eingeschlossen, können Ingenieure es von der Flüssigkeit trennen und in Produkte wie Kunststoffe, kohlensäurehaltige Getränke usw. umwandeln. Durch weitere Verarbeitung können diese Carbonate und Bicarbonate sogar als Brennstoff zur Stromversorgung von Häusern und potenziell von Flugzeugen dienen. Andererseits kehrt die basische Flüssigkeit in die Kammer zurück, um weiteres CO2 zu erfassen.
Obwohl die Lösung wie eine perfekte Anordnung erscheint, um Kohlenstoff zu erfassen und für die weitere Nutzung aufzuwerten, gibt es ein Problem.
Das Problem mit der ursprünglichen Lösung
Das Problem liegt darin, wie das Carbonat oder Bicarbonat von der Flüssigkeit getrennt wird. Das Freisetzen des eingeschlossenen CO2 erfordert, dass Unternehmen die Carbonat‑ und Bicarbonatlösung auf mindestens 900 °C (1.652 °F) erhitzen. Diese Temperatur kann von erneuerbaren Energiequellen wie Solar- und Windenergie nicht erreicht werden. Daher erfordert das Erreichen dieser Temperatur das Verbrennen fossiler Brennstoffe wie Erdgas oder reinem Methan.
Während er über dieses im System verborgene Problem sprach, Wilson Smith, ein Professor im Department of Chemical and Biological Engineering und Fellow des Renewable and Sustainable Energy Institute an der CU Boulder, sagte Folgendes, was das Problem im Wesentlichen zusammenfasst:
„Wenn wir CO2 freisetzen müssen, um CO2 zu erfassen, untergräbt das den gesamten Zweck der Kohlenstoffabscheidung.“
Das Gute ist, dass die Forscher die Aufgabe übertroffen haben. Neben dem Aufzeigen der Mängel des Systems schlugen sie eine Alternative vor, die die Diskrepanz beheben könnte.
Die alternative Lösung für die ursprüngliche Methode
Die Forscher schlugen vor, den reaktiven Erfassungsprozess einzusetzen, um das Problem zu beheben. Sie empfahlen jedoch, den konventionellen Rahmen des reaktiven Erfassungsprozesses anzupassen.
Reaktive Erfassung bezeichnet in ihrer traditionellen Form einen Prozess, bei dem Strom auf die Carbonat‑ und Bicarbonatlösungen angewendet wird, wodurch CO2 und die basische Flüssigkeit in der Kammer getrennt werden. Es wird auch als geschlossener Kreislauf bezeichnet, der mehr CO2 in seiner recycelten Flüssigkeitsform erfassen kann.
Die Forscher stellten jedoch einen Nachteil fest. In einer industriellen Umgebung würde die Stromversorgung nicht ausreichen, um die basische Flüssigkeit zu regenerieren und erneut mehr CO2 aus der Luft zu erfassen. Der Prozess wäre in seiner ursprünglichen Form so ineffizient, dass nach fünf Zyklen der Kohlenstoffabscheidung und Regeneration die basische Flüssigkeit kaum noch CO2 aus der Luft ziehen könnte.
Die Forscher empfahlen, dem Prozess Elektrodialyse hinzuzufügen. Diese Methode bietet mehrere Vorteile. Sie kann primär mit erneuerbarem Strom betrieben werden. Zusätzlich kann sie mehr Wasser in saure und basische Ionen spalten, wodurch die Fähigkeit der basischen Flüssigkeit, mehr CO2 zu absorbieren, erhalten bleibt. Wilson Smith bezeichnete die Leistung dieses Teams als „die Lösung mehrerer Probleme mit einer Technologie“, – und das zu Recht!
Während es die Aufgabe der Forscher ist, neue Lösungen zu entwickeln und bestehende zu verfeinern, um die Effizienz zu steigern, tragen Unternehmen und Betriebe ebenfalls Verantwortung, und viele Unternehmen erfüllen diese Verantwortung hervorragend. In den nachfolgenden Abschnitten betrachten wir ein paar solcher Unternehmen, die innovative, effiziente Lösungen in diesem Bereich entwickelt haben.
#1. Graphyte
Graphyte positioniert sich als die weltweit erste und einzige Lösung zur Entfernung von Kohlendioxid, die langlebig, erschwinglich und sofort skalierbar ist. In Bezug auf die Langlebigkeit behauptet Graphyte, dass seine Lösungen in der Lage sind, Kohlendioxid über mehr als tausend Jahre zu entfernen.
In Bezug auf die Erschwinglichkeit stellt das Unternehmen seine Lösungen zu einem nivellierten Produktionskostenpreis von weniger als 100 US‑$ pro Tonne bereit und hinsichtlich der Skalierbarkeit behauptet das Unternehmen, dass es auf ein Niveau skalieren kann, bei dem die Entfernung von Milliarden Tonnen Kohlenstoff eine realisierbare Möglichkeit ist.
Graphytes spezifische Methode folgt dem Ansatz des Carbon Casting, der leicht verfügbare Biomasse, wie Rückstände aus Holz- und Landwirtschaftsbetrieben, nutzt. Graphyte trocknet und komprimiert diese Biomasse, um dichte Kohlenstoffblöcke zu erzeugen. Diese Blöcke verfügen über eine umweltfreundliche und undurchlässige Barriere, die eine sichere Lagerung in hochmodernen unterirdischen Standorten gewährleistet.
Während er über Graphytes Methode sprach, sagte Barclay Rogers, Gründer und CEO des Unternehmens, Folgendes:
„Carbon Casting lässt die Natur effizient die Arbeit der CO2-Abscheidung übernehmen und nutzt dann ingenieurtechnische Verfahren, um sie für klimarelevante Zeiträume zu speichern. Es ist eine Lösung, die überall umgesetzt werden kann, den Markt verändern wird und – noch wichtiger – den Planeten retten wird.“
Carbon Casting kann fast den gesamten in der Biomasse erfassten Kohlenstoff erhalten und verbraucht sehr wenig Energie. Es ist ein kostengünstiger, aber dennoch langlebiger Prozess zur Kohlenstoffentfernung, der Photosynthese mit praktischer Ingenieurtechnik kombiniert.
Das Potenzial von Graphyte hat dem Unternehmen das Vertrauen und die Glaubwürdigkeit der Investorengemeinschaft eingebracht. Es hat seine Series‑A‑Finanzierungsrunde mit insgesamt 30 Millionen US‑$ abgeschlossen. Die Runde wurde gemeinsam von Prelude Ventures und Carbon Direct Capital geleitet und beinhaltete Beiträge von bestehenden Investoren wie Breathable Energy Ventures und Overture.
Während equity‑finanzierte innovative Unternehmen wie Graphyte mit ihren modernen Lösungen aufgetaucht sind, gibt es etablierte börsennotierte Unternehmen wie Linde, die in die adsorption‑basierte CO2‑Abscheidung und -Rückgewinnung eingestiegen sind.
#2. Linde
Die HISORP® CC‑adsorptionsbasierte CO2‑Abscheidungslösung, die neueste Ergänzung zum CO2‑Abscheidungsportfolio von Linde, ergänzt seine bewährten Druckwechseladsorptions‑(PSA)‑ und Membrantechnologien.
Die HISORP‑CC‑Lösung trennt CO2 aus Prozessgasen über einen breiten Bereich von CO2‑Einspeisekonzentrationen. Sie nutzt mehrere Linde‑Technologien, darunter Druckwechseladsorption (PSA), kryogene Trennung und Kompression, um eine Abscheiderate von mehr als 99 %, genauer 99,7 %, zu erreichen.
Ein großer Vorteil dieser Lösung ist, dass sie mit Energie aus erneuerbaren Quellen betrieben wird. Der Regenerationsprozess erfordert keinen Dampf, was einen minimalen CO2‑Fußabdruck gewährleistet.
Zudem ist HISORP CC eine Technologie mit niedrigen CAPEX‑ und OPEX‑Kosten, einem minimalen spezifischen Energieverbrauch und ist fast ohne zusätzliche Kosten für Lösungsmittelmanagement, Nachfüllungen und Handhabung verfügbar.
Linde hat sichergestellt, dass die Technologie breit kompatibel und inklusiv bleibt, sodass sie mit dem gesamten Spektrum der Linde‑Lösungen kombiniert werden kann, einschließlich Dampfreformierung (SMR), Autotherme Reformierung (ATR), partielle Oxidation (POX) oder Vergasung. Sie lässt sich in bestehenden und neuen Anlagen für SMR, POX und ATR integrieren, selbst bei gesteigerter Wasserstoffproduktion.
Im Jahr 2023 verzeichnete Linde, als führendes globales Unternehmen für Industriegase und Engineering, Umsätze von 33 Milliarden US‑$.
Während Unternehmen ihren Zielen verpflichtet sind, ist das Lernen und der Austausch zwischen Unternehmen und Forschungseinrichtungen gegenseitig. Im abschließenden Abschnitt betrachten wir technologische Forschung in diesem Bereich, die die Zukunft der CO2‑Abscheidung transformieren kann, indem sie effektiver und effizienter wird.
Die Zukunft der CO2‑Abscheidung: Ein Werkzeug mit transformativen Potenzial
Im Juli 2024 schlug eine Forschergruppe eine ganzheitliche Plattform zur Beschleunigung der sorbent‑basierten CO2‑Abscheidung vor. Sie nannten die Plattform PrISMa, was für Process‑Informed Design of tailor‑made Sorbent Materials steht.
Die Plattform versuchte, den großflächigen Einsatz von CO2‑Abscheidungstechnologien kohlenstoffeffizienter zu gestalten. Sie betonte, die fragmentierten Komponenten und diejenigen, die sie implementieren, unter einem Dach zusammenzuführen.
Während Chemiker zuvor den Fokus auf das Materialdesign und Ingenieure auf die Prozessoptimierung legten, integrierte die PrISMa‑Plattform Materialien, Prozessdesign, techno‑ökonomische Aspekte und Lebenszyklusanalysen. Sie verglich mehr als 60 Fallstudien zur CO2‑Abscheidung aus verschiedenen Quellen in 5 globalen Regionen unter Einsatz unterschiedlicher Technologien.
Sie informierte gleichzeitig verschiedene Interessengruppen über die Kosteneffizienz von Technologien, Prozesskonfigurationen und Standorten. Sie enthüllte zudem die molekularen Eigenschaften der leistungsstärksten Sorbentien und bot umsetzbare Einblicke in Umweltauswirkungen, Co‑Benefits und Kompromisse. Das Endergebnis zielte darauf ab, Interessengruppen bereits in einer frühen Forschungsphase zu vereinen und die Entwicklung von CO2‑Abscheidungstechnologien im Wettlauf zu einer Netto‑Null‑Welt zu beschleunigen.
Die Wissenschaftler, die für die Entwicklung von PrISMa verantwortlich sind, Berend Smit von der EPFL und Susana Garcia von der Heriot‑Watt‑University, sind sehr optimistisch bezüglich der praktischen Anwendbarkeit der Methode. Laut Professor Berend Smit:
„Dieser innovative Ansatz beschleunigt die Entdeckung von leistungsstarken Materialien für die CO2‑Abscheidung und übertrifft traditionelle Trial‑and‑Error‑Methoden.“
PrISMa birgt ein erhebliches Potenzial für die Zukunft. Durch die Nutzung experimenteller Daten und molekularer Simulationen kann es die Adsorptionseigenschaften potenzieller Sorbent‑Materialien vorhersagen.
Dies würde letztlich dazu führen, dass die Entwicklergemeinschaft in der Lage ist, fundierte Entscheidungen zu treffen. Die Prozessebene von PrISMa ermöglicht es, die Leistung von CO2‑Abscheidungslösungen zu messen und zu benchmarken, indem sie Wissenschaftlern hilft, Prozessleistungsparameter wie Reinheit, Ausbeute und Energiebedarf zu berechnen.
Ein entscheidender Parameter, der jede wissenschaftliche oder technologische Lösung zum Erfolg oder Misserfolg führt, ist ihre wirtschaftliche Tragfähigkeit. PrISMa kann die wirtschaftliche und technische Machbarkeit einer CO2‑Abscheidungsanlage bewerten. Schließlich kann es die Umweltauswirkungen über den gesamten Lebenszyklus der Anlage hinweg beurteilen und so umfassende Nachhaltigkeit sicherstellen.
Insgesamt ist PrISMa nichts weniger als revolutionär oder transformativ.
Wir begannen unsere Diskussion mit einer weit verbreiteten Lösung, die sich als unzureichend und selbstzerstörerisch erwies. Jetzt, da PrISMa der wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Verfügung steht, wäre es möglich, Lösungen zu entwickeln, die von Anfang an umweltfreundlich, skalierbar und kosteneffizient sind.
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