Wissenschaftler und Forscher weltweit arbeiten unermüdlich an Methoden, um Kohlendioxid aus der Atmosphäre oder Kraftwerksemissionen zu gewinnen und in eine wertvolle Ressource umzuwandeln. So gelang es beispielsweise Ingenieuren des MIT und der Harvard-Universität, CO₂ in einen effizienten Kraftstoff umzuwandeln, der fossile Brennstoffe in verschiedenen Anwendungsbereichen ersetzen kann . Frühere Umwandlungsmethoden stießen auf Probleme wie geringe Kohlenstoffausbeute und die Entstehung gefährlicher Kraftstoffe. Das neue Verfahren verspricht eine höhere Effizienz im größeren Maßstab.
Forschern des MIT und der Harvard University ist ein bedeutender Durchbruch gelungen: Sie entwickelten ein effizientes Verfahren zur Umwandlung von Kohlendioxid in Formiat. Diese bemerkenswerte Leistung eröffnet die Möglichkeit, Formiat als vielseitigen Werkstoff in flüssiger oder fester Form zu nutzen, ähnlich wie Methanol oder Wasserstoff, um Brennstoffzellen zu betreiben und Strom zu erzeugen.
Das neue Verfahren wurde von dem Team der MIT-Doktoranden Alexander H. Quinn , Zhen Zhang und Zhichu Ren zusammen mit Dawei Xi, einem Studenten der Harvard University, und MIT- Professor Ju Li entwickelt.
Natriumformiat, auch bekannt als Kaliumnatriumformiat, wird bereits industriell hergestellt. Es wird hauptsächlich als Enteisungsmittel für Gehwege und Straßen eingesetzt. Es ist nicht brennbar und ungiftig und lässt sich zudem leicht lagern und transportieren. Darüber hinaus ist es in herkömmlichen Stahltanks stabil und kann dort über Monate verwendet werden. Manchmal findet das Material sogar noch Jahre nach seiner Herstellung Verwendung.
Über den Prozess
Das gesamte Verfahren beruht auf der Abscheidung und elektrochemischen Umwandlung des Gases in ein festes Formiatpulver. Im Labormaßstab demonstrierte das Team das Verfahren, bei dem dieses Pulver in eine Brennstoffzelle überführt wurde, um Strom zu erzeugen.
Laut Professor Li beinhalten andere Ansätze zur Umwandlung von Kohlendioxid in Kraftstoff ein zweistufiges Verfahren. Diese sind:
- Das Gas wird aufgefangen und in Calciumcarbonat, einen Feststoff, umgewandelt. Anschließend wird das Material erhitzt, wodurch Kohlendioxid entfernt wird. Anschließend wird es in einen Brennstoff wie Kohlenmonoxid umgewandelt.
- Der zweite Schritt ist nicht sehr effizient. Er wandelt in der Regel weniger als 20 % des gasförmigen Kohlendioxids in das gewünschte Produkt um.
Die Kohlenstoffabscheidung und -umwandlung ist ein Prozess, der mit der Abscheidung von Kohlendioxid mithilfe einer alkalischen Lösung beginnt. Diese Lösung konzentriert das Kohlendioxid aus verschiedenen Quellen, wie Kraftwerken oder sogar der Luft, in eine flüssige Metallbicarbonat-Form.
Mithilfe eines Kationenaustauschmembran-Elektrolyseurs wird Bicarbonat elektrochemisch in feste Formiatkristalle umgewandelt. Die Kohlenstoffausbeute von über 96 Prozent wurde durch umfangreiche Laborexperimente des Teams bestätigt.
Laut Professor Li sind die Kristalle unbegrenzt haltbar und können jahrelang ohne Qualitätsverlust gelagert werden. Im Gegensatz dazu verlieren selbst die besten derzeit verfügbaren Wasserstoffspeicher etwa ein Prozent des Gases pro Tag. Daher eignen sie sich nicht für die Langzeitlagerung.
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Hohe Conversion-Rate
Im Gegensatz dazu erreicht das neue Verfahren eine Umwandlungsrate von über 90 Prozent und übertrifft damit die bisherige Methode. Zudem entfällt der ineffiziente Erhitzungsschritt, da Kohlendioxid in eine hocheffiziente Zwischenform, das flüssige Metallhydrogencarbonat, umgewandelt wird.
Die Flüssigkeit wird anschließend durch elektrochemische Umwandlung in einem Elektrolyseur, der mit kohlenstoffarmem Strom wie Kern-, Wind- oder Solarenergie betrieben wird, in flüssiges Kalium- oder Natriumformiat umgewandelt .
Verschiedene Formen von Formiat
Laut Prof. Li kann die hochkonzentrierte Lösung von Kalium- oder Natriumformiat anschließend getrocknet werden, um ein festes Pulver zu erhalten. Dieser Prozess kann beispielsweise durch solare Verdunstung erfolgen . Das so gewonnene Pulver ist außerordentlich stabil und kann über Jahre oder sogar Jahrzehnte sicher in handelsüblichen Stahltanks gelagert werden.
Ingenieure des MIT und der Harvard-Universität wandelten CO₂ in einen effizienten Brennstoff um. Der Erfolg dieses Verfahrens inspirierte die Forscher, es skalierbar zu gestalten, sodass es emissionsfreie Wärme erzeugen und gleichzeitig einzelne Haushalte mit Strom versorgen kann. Darüber hinaus ist es für den Einsatz in Energienetzen oder in der Industrie geeignet.
Laut Professor Li spielte die Entwicklung zahlreicher Optimierungstechniken durch das Team eine entscheidende Rolle bei der Umwandlung eines ineffektiven chemischen Umwandlungsprozesses in eine praktikable Lösung. Professor Li, der sowohl in den Abteilungen für Nuklearwissenschaft und -technik als auch für Materialwissenschaft und -technik tätig ist, betont die signifikanten Auswirkungen dieser Optimierungsschritte.
Anschließend wird das feste Pulver bei Bedarf mit Wasser vermischt und in eine Brennstoffzelle eingeführt, um sowohl Strom als auch Wärme zu erzeugen. „Dies dient Demonstrationszwecken in Privathaushalten oder Gemeinden, aber wir glauben, dass es zukünftig auch für Fabriken oder das Stromnetz geeignet sein könnte“, sagte Zhang.
Während Methanol eine giftige Substanz ist, die Sicherheitsrisiken birgt, erweist sich Formiat als praktikable und sicherere Alternative zur Umwandlung von Kohlendioxid in einen für Brennstoffzellen geeigneten Brennstoff. Nationale Sicherheitsstandards bestätigen, dass Formiat eine weit verbreitete und unbedenkliche Option darstellt und somit eine zuverlässige Lösung bietet, ohne die Gesundheit von Personen im Falle eines möglichen Lecks zu gefährden.
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Schritte zum Erfolg
Die Effizienz dieses Prozesses wurde durch mehrere Verbesserungen erheblich verbessert.
- Erstens wurde durch eine durchdachte Konstruktion der Membranmaterialien und ihrer Anordnung ein Problem gelöst, mit dem frühere Versuche mit diesem System konfrontiert waren.
- In diesen Fällen würde die Ansammlung bestimmter chemischer Nebenprodukte den pH-Wert verändern, was mit der Zeit zu einem allmählichen Rückgang der Wirksamkeit führen würde.
Zhang erklärt: „Traditionell ist es schwierig, eine langfristige, stabile und kontinuierliche Umwandlung von Rohstoffen zu erreichen. Der Schlüssel zu unserem System liegt darin, ein pH-Gleichgewicht für eine stationäre Umwandlung zu erzielen.“
Um dies zu erreichen , führten die Forscher thermodynamische Modellierungen durch, um ein neues Verfahren zu entwickeln, das das chemische Gleichgewicht und einen stabilen pH-Wert ohne Schwankungen des Säuregehalts aufrechterhält. Dadurch kann das System über längere Zeiträume mit optimaler Effizienz arbeiten.
Das System wurde über 200 Stunden getestet , wobei die Leistung nicht signifikant abnahm. Der Prozess kann bei Umgebungstemperatur und relativ niedrigem Druck (etwa dem Fünffachen des Atmosphärendrucks) durchgeführt werden.
Ein weiteres Problem war die Entstehung chemischer Nebenprodukte, die aufgrund unerwünschter Nebenreaktionen unbrauchbar waren. Das Team löste dieses Problem jedoch durch die Einführung einer zusätzlichen Schicht aus bikarbonatangereicherter Glasfaserwolle, die diese Reaktionen verhinderte.
Darüber hinaus hat das Team eine Brennstoffzelle entwickelt , die speziell für die effiziente Nutzung dieses Formiat-Brennstoffs zur Stromerzeugung ausgelegt ist. Die gespeicherten Formiatpartikel lassen sich leicht in Wasser lösen und können dann bei Bedarf nahtlos in die Brennstoffzelle eingespritzt werden.
Laut Li ist fester Brennstoff zwar deutlich schwerer als reiner Wasserstoff, aber wenn man das Gewicht und die Größe der zur Speicherung von Wasserstoff benötigten Hochdruckgastanks berücksichtigt, ergibt sich insgesamt eine nahezu gleiche Stromausbeute bei gleichem Speichervolumen.
Verschiedene Anwendungsmöglichkeiten von Formiat
Laut den Forschern bietet Formiat als Brennstoff das Potenzial, für vielfältige Zwecke angepasst zu werden – von kleinen Hausgeräten bis hin zu großen Industrieanlagen oder netzgekoppelten Speichersystemen. Im Haushaltsbereich könnte beispielsweise ein Elektrolyseur in Kühlschrankgröße Kohlendioxid auffangen und in Formiat umwandeln, das anschließend in einem unterirdischen oder auf dem Dach aufbewahrbaren Tank gelagert werden kann.
Ingenieure des MIT und der Harvard-Universität wandelten CO₂ in einen effizienten Kraftstoff um. Ted Sargent , Professor für Chemie sowie Elektrotechnik und Informatik an der Northwestern University , der nicht an dieser Studie beteiligt war, erklärte: „Die Formiatökonomie ist ein faszinierendes Konzept, da Metallformiatsalze sehr unbedenklich und stabil sind und einen vielversprechenden Energieträger darstellen. Die Autoren haben eine verbesserte Effizienz bei der Flüssig-Flüssig-Umwandlung von Bicarbonat zu Formiat nachgewiesen und gezeigt, dass diese Kraftstoffe später zur Stromerzeugung genutzt werden können.“
Quelle : Ingenieure entwickeln ein effizientes Verfahren zur Herstellung von Kraftstoff aus Kohlendioxid
