Technologie wandelt CO2 sofort in festen Kohlenstoff um

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Defossilisierung bestehender Industrieprozesse mittels Durchleitung durch Flüssig-Metall

Forscher des australischen Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT) haben eine intelligente und hocheffiziente neue Methode zur Abscheidung von Kohlendioxid und dessen Umwandlung in festen Kohlenstoff entwickelt, um die Dekarbonisierung der Schwerindustrie voranzutreiben. Die Technologie der RMIT-Forscher zur CO2-Nutzung ist so konzipiert, dass sie problemlos in bestehende Industrieprozesse integriert werden kann. Denn die Dekarbonisierung ist eine große technische Herausforderung für Zement und Stahl. Die neue Technologie bietet eine Möglichkeit, CO2 umzuwandeln, sobald es produziert wird, und es dauerhaft in einem festen Zustand zu halten, damit es nicht in die Atmosphäre gelangt. Die Forschungsergebnisse wurden in Energy & Environmental Science veröffentlicht.

HKW Reuter West, Berlin – im Jahr 2,5 Mio. t CO2, 2.000 t NOx, 57 t Feinstaub, 32 kg Arsenverbindungen, 13,6 kg Hg,– Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

Die von RMIT-Forschern entwickelte Technologie zur Nutzung von Kohlendioxid ist so konzipiert, dass sie problemlos in bestehende Industrieprozesse integriert werden kann. Co-Forschungsleiter Associate Professor Torben Daeneke sagte, die Arbeit baue auf einem früheren experimentellen Ansatz auf, bei dem Flüssigmetalle als Katalysator verwendet wurden. „Unsere neue Methode nutzt immer noch die Kraft von Flüssigmetallen, aber das Design wurde so verändert, dass es sich leichter in industrielle Standardprozesse integrieren lässt“, so Daeneke. „Die neue Technologie lässt sich nicht nur einfacher skalieren, sondern ist auch wesentlich effizienter und kann CO2 in kürzester Zeit zu Kohlenstoff abbauen. Wir hoffen, dass das ein wichtiges Instrument auf dem Weg zur Dekarbonisierung ist, das Industrie und Regierungen hilft, ihre Klimazusagen einzuhalten, und das uns dem Netto-Null-Ziel entscheidend näher bringt.“

Für die Technologie wurde eine vorläufige Patentanmeldung eingereicht, und die Forscher haben kürzlich eine Vereinbarung über 2,6 Mio. AUD (1,61 Mio. Euro) mit dem australischen Umwelttechnologieunternehmen ABR unterzeichnet, das Verfahren zur Dekarbonisierung der Zement- und Stahlindustrie vermarktet. Ken Chiang, einer der leitenden Forscher, sagte, das Team sei sehr daran interessiert, von anderen Unternehmen zu hören, um die Herausforderungen in schwer zu dekarbonisierenden Industrien zu verstehen und weitere potenzielle Anwendungen der Technologie zu ermitteln: „Um die nachhaltige industrielle Revolution und die kohlenstofffreie Wirtschaft zu beschleunigen, brauchen wir intelligente technische Lösungen und eine effektive Zusammenarbeit zwischen Forschung und Industrie“.

Die Stahl- und die Zementindustrie sind jeweils für etwa 7 % der gesamten weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich (Internationale Energieagentur), und es wird erwartet, dass beide Sektoren in den kommenden Jahrzehnten weiter wachsen werden, da die Nachfrage durch Bevölkerungswachstum und Urbanisierung angeheizt wird.

Nachhaltige Alternative zu CCS und CCU

Die australische Regierung hat Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS) als vorrangige Technologie für Investitionen in ihrem Netto-Null-Plan hervorgehoben und einen Fonds in Höhe von 1 Milliarde Dollar (€ 620 Mio.) für die Entwicklung neuer emissionsarmer Technologien angekündigt. CCS konzentrierte sich bisher weitgehend auf die Komprimierung des Gases in eine Flüssigkeit und dessen Injektion in den Untergrund, was jedoch mit erheblichen technischen Herausforderungen und Umweltbedenken verbunden ist. CCS ist zudem für eine breite Anwendung zu teuer und energieintensiv. Daeneke, DECRA-Stipendiat des australischen Forschungsrats, sagte, der neue Ansatz biete eine nachhaltige Alternative, die sowohl die Vermeidung von CO2-Emissionen als auch eine wertschöpfende Wiederverwendung von Kohlenstoff zum Ziel habe. „Durch die Umwandlung von CO2 in einen Feststoff werden potenzielle Probleme mit Leckagen vermieden und das CO2 sicher und auf unbestimmte Zeit eingeschlossen“, sagte er. „Und da unser Verfahren keine sehr hohen Temperaturen benötigt, wäre es möglich, die Reaktion mit erneuerbarer Energie zu betreiben.“

Wie die Technologie funktioniert

Das RMIT-Team um den Hauptautor und Doktoranden Karma Zuraiqi setzte bei der Entwicklung der neuen CCS-Technologie thermochemische Methoden ein, die in der Industrie weit verbreitet sind. Bei der „Blasensäulen“-Methode wird zunächst flüssiges Metall auf etwa 100-120 °C erhitzt. Kohlendioxid wird in das flüssige Metall eingespritzt, wobei die Gasblasen aufsteigen, ähnlich wie Blasen in einem Sektglas. Während sich die Blasen durch das flüssige Metall bewegen, spalten sich die Gasmoleküle auf und bilden Flocken aus festem Kohlenstoff, wobei die Reaktion nur den Bruchteil einer Sekunde dauert.

„Es ist die außergewöhnliche Geschwindigkeit der chemischen Reaktion, die wir erreicht haben, die unsere Technologie kommerziell nutzbar macht, wo so viele alternative Ansätze Schwierigkeiten hatten“, sagte Chiang. In der nächsten Phase der Forschung wird das Konzept in Zusammenarbeit mit dem Industriepartner ABR zu einem modularisierten Prototyp in der Größe eines Schiffscontainers weiterentwickelt. ABR-Projektleiter David Ngo sagte, dass das RMIT-Verfahren ein Abfallprodukt in einen Hauptbestandteil der nächsten Generation von Zementmischungen verwandelt. „Die Zusammenarbeit zwischen ABR und RMIT wird jedoch eine effiziente und effektive Technologie für unsere Netto-Null-Ziele hervorbringen“, so Ngo.

Das Team untersucht auch mögliche Anwendungen für den umgewandelten Kohlenstoff, unter anderem in Baumaterialien. „Idealerweise könnte der von uns hergestellte Kohlenstoff in ein Produkt mit Mehrwert umgewandelt werden, das zur Kreislaufwirtschaft beiträgt und die CCS-Technologie in die Lage versetzt, sich im Laufe der Zeit selbst zu amortisieren“, so Daeneke.

An der Forschung war eine multidisziplinäre Zusammenarbeit von Ingenieuren und Wissenschaftlern beteiligt, mit den RMIT-Koautoren Jonathan Clarke-Hannaford, Billy James Murdoch, Associate Professor Kalpit Shah und Professor Michelle Spencer.

Die Studie „Direct Conversion of CO2 to Solid Carbon by Liquid Metals“ (Direkte Umwandlung von CO2 in festen Kohlenstoff durch flüssige Metalle), an der auch Mitarbeiter der University of Melbourne und der Deakin University beteiligt waren, wurde in Energy & Environmental Science veröffentlicht (DOI: 10.1039/d1ee03283f).

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