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Bekämpfung des Klimawandels mit Technologien zur Kohlenstoffabscheidung und -nutzung

Im vergangenen Monat stellte die Biden-Harris-Regierung ehrgeizige Pläne zur Reduzierung der CO2-Emissionen durch saubere Herstellung vor, die Bundesinvestitionen von mehr als 12 Milliarden US-Dollar in Technologien zur CO2-Abscheidung, -Nutzung und -Sequestrierung umfassen. Diese Technologien entziehen der Atmosphäre Kohlenstoff und wandeln ihn entweder in nützliche Industrieprodukte um oder speichern ihn dauerhaft.

Das Weiße Haus setzt stark auf diese neuen Technologien, um die globale Erwärmung zu begrenzen und den Klimawandel zu bekämpfen. Hier erklären zwei Professoren des Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering der UC Riverside, wie die CO2-Abscheidung funktioniert, aktuelle Einschränkungen und die kommerzielle Verwendung von zurückgewonnenem Kohlenstoff.

Mihri Ozkan, Professorin für Elektro- und Computertechnik und Climate Action Campion Professor der UCR, entwickelt saubere Energietechnologien. Ihre jüngsten Arbeiten konzentrieren sich auf die direkte Luftabscheidung von Kohlendioxid und fortschrittliche Batterien für das Smart Grid und Elektrofahrzeuge.

Kandis Leslie Abdul-Aziz ist Assistenzprofessorin für Chemie- und Umweltingenieurwesen, deren Forschung sich auf die Schaffung einer Kreislaufwirtschaft durch die Umwandlung von Abfallprodukten, einschließlich zurückgewonnenem Kohlenstoff, in Kraftstoffe und wertvolle Industriechemikalien konzentriert.

Was ist die direkte Luftabscheidung von Kohlendioxid (CO2)?

Ozkan: Die Kohlenstoffabscheidung funktioniert durch die Abtrennung von CO2 aus Abgasen von Kohlekraftwerken und anderen industriellen Fabrikabgasen oder direkt aus der Atmosphäre.

Wie funktioniert die Direct Air Capture- oder DAC-Technologie?

Ozkan: Derzeit gibt es zwei Methoden. Eine Methode verwendet die Chemie flüssiger Lösungsmittel, um CO einzufangen2 als Calciumcarbonat. Eine andere Klasse von Kohlenstoffabscheidungsmaterialien sind feste Sorptionsmittel – Materialien, die andere Materialien absorbieren – die normalerweise mit Aminen funktionalisiert sind oder natürliche Affinitäten für CO aufweisen2.

DAC-Anlagen verwenden Ventilatoren, um Luft zu sammeln und durch das Sorptionsmittel zu leiten. Ein zweiter Prozess scheidet das CO ab2 aus dem Sorptionsmittel zur Entsorgung oder Wiederverwertung. Der Einsatz von Ventilatoren und nachfolgende Regenerationsschritte sind energieintensiv. Je nach verwendeter Energiequelle (Sonne, Wind, Geothermie etc.) ist dieser Schritt der teuerste Schritt der DAC-Technologie.

Wie wird CO abgeschieden?2 in industriell nutzbare Produkte umgewandelt?

Abdul-Aziz: Carbon Capture and Utilization oder CCU ist die Entwicklung von Technologien, die CO binden können2 direkt aus Luft oder Rauchgas und wandeln das abgeschiedene CO um2 in Chemikalien und Kraftstoffe.

Die gebräuchlichsten Strategien zur Kohlenstoffabscheidung und -nutzung verwenden entweder thermische Umwandlung, elektrochemische Umwandlung oder Photoumwandlung, um abgeschiedenes CO umzuwandeln2 in Grundchemikalien, Feinchemikalien und Polymere. Es gibt jedoch eine begrenzte Anzahl kommerzieller Verfahren, wobei das bemerkenswerteste die Herstellung von Harnstoff unter Verwendung von CO ist2 und Ammoniak.

Was tut Ihr Labor, um die CO2-Abscheidungstechnologie oder -nutzung zu verbessern?

Abdul-Aziz: Mein Labor entwickelt Technologien für integriertes CO2 Capture-and-Conversion- oder ICCU-Schemata, bei denen die heterogenen Katalysatoren (wie Nickel-, Palladium- und Kupfer-Nanopartikel) mit einem festen Sorbens (Zeolithe, metallorganische Gerüste, Metalloxide) gekoppelt werden, um CO effizient zu entfernen2 direkt aus Luft oder Rauchgas und wandeln es entweder in erneuerbares Erdgas (Methan) oder in Ethan und Ethylen um. Diese neue Forschung wird durch einen NSF CAREER Award unterstützt.

Ozkan: Ich habe letztes Jahr die Climate Change Mitigation Technologies Conference mitorganisiert, um den Status und die Fortschritte bei DAC-Technologien auf dem Herbsttreffen der Materials Research Society in Boston zu diskutieren. Hochrangiges Personal aus in Betrieb befindlichen DAC-Anlagen nahm an dieser Konferenz teil. Ich habe auch mehrere aktuelle Übersichtsartikel und Kommentare zu DAC-Technologien und ihrer Machbarkeit veröffentlicht.

Welche Herausforderungen müssen bewältigt werden, damit die CO2-Abscheidung und -Nutzung ihr volles Potenzial ausschöpfen kann?

Abdul-Aziz: CO2 ist ein thermisch stabiles Molekül, das auch kinetisch inert ist. Mit anderen Worten, es braucht eine beträchtliche Menge an Energie, um das CO zu aktivieren2 Molekül, um Bausteine ​​für die gewünschten Produkte zu bilden. Typischerweise haben die verwendeten heterogenen Katalysatoren eine begrenzte Stabilität und Haltbarkeit. Um industriell nutzbar zu werden, müssen diese Katalysatoren jahrelang stabil sein – nicht Tage oder Wochen, wie es bei der aktuellen Technologie der Fall ist. Die meisten CCU-Strategien beginnen mit der Kombination von abgeschiedenem CO2 mit erneuerbarem Wasserstoff aus der Wasserelektrolyse zu Methanol und Kohlenmonoxid. Eine besondere Herausforderung bei dieser Reaktion sind jedoch die geringen Ausbeuten an nützlicheren Produkten, die zwei oder mehr Kohlenstoffatome enthalten, wie z. B. Ethylen. Ethylen wird von der chemischen Industrie als Hauptbaustein für Chemikalien, Farben, Verpackungen und Kraftstoffe verwendet. Die erfolgreiche Implementierung von CCU zur Herstellung von Ethylen und anderen Produkten mit mehr als einem Kohlenstoffatom in hohen Ausbeuten wird die Wahrscheinlichkeit einer industriellen Implementierung verbessern und aktuelle Prozesse ersetzen, die Treibhausgase produzieren.

Ozkan: Der hohe Energiebedarf von DAC-Technologien führt zu Betriebskosten von etwa 200 bis 600 US-Dollar pro Tonne CO2. DAC ist wirtschaftlich rentabel, wenn es weniger als 100 $ pro Tonne CO kostet2. Verbesserungen in allen Phasen des DAC-Prozesses sind erforderlich, um die Kosten zu senken.

Ist die CO2-Abscheidung in der Lage, die Treibhausgasemissionen ausreichend zu reduzieren, um den Klimawandel zu verlangsamen oder sogar aufzuhalten?

Abdul-Aziz: Strategien, die Kohlenstoffabscheidung und -nutzung (CCU) mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS) kombinieren, sollten ausreichen, um die Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Das Schöne an CCU ist, dass sich dieser Bereich auf eine Netto-Null-Emissionswirtschaft konzentriert, in der wir anstelle fossiler Brennstoffe zur Herstellung von Produkten für unsere gesellschaftlichen Bedürfnisse CO verwenden2 als Hauptbaustein für diese Materialien.

Ozkan: Neben der Reduzierung der gesamten Kohlenstoffemissionen steht die Entfernung von Kohlenstoff, der sich bereits in der Atmosphäre befindet, jetzt im Mittelpunkt, insbesondere nach den globalen Diskussionen während der Klimakonferenz der Vereinten Nationen 2021 oder COP26. Bei dem früheren Pariser Treffen wurde als globales Ziel definiert, die Erderwärmung auf unter 2 °C, vorzugsweise auf 1,5 °C, gegenüber dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen alle Arten von Technologien für negative Emissionen zum Einsatz kommen, einschließlich DAC.


Überprüfung von Technologien zur Wiederverwendung von Kohlenstoff findet, dass die meisten nicht mit dem Pariser Abkommen kompatibel sind


Mehr Informationen:
Mihrimah Ozkan, Direkte Luftabscheidung von CO2: Eine Antwort zur Erfüllung der globalen Klimaziele, MRS Energie & Nachhaltigkeit (2021). DOI: 10.1557/s43581-021-00005-9

Mihrimah Ozkan et al, Aktueller Status und Säulen der Direct Air Capture-Technologien, iWissenschaft (2022). DOI: 10.1016/j.isci.2022.103990

Mihrimah Ozkan et al, Fortschritte bei Kohlendioxid-Abscheidungsmaterialien für eine tiefe Dekarbonisierung, Chem (2022). DOI: 10.1016/j.chempr.2021.12.013

Bereitgestellt von der University of California – Riverside

Zitat: Bekämpfung des Klimawandels mit Technologien zur Abscheidung und Nutzung von Kohlenstoff (2022, 9. März), abgerufen am 9. März 2022 von https://techxplore.com/news/2022-03-climate-carbon-capture-technologies.html

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