Nanofasern aus eingefangenem Kohlenstoff, plus ein grüner H2-Bonus

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Kraftwerke sind über die Emissionen der globalen Erwärmung sehr beunruhigt, aber die Zementherstellung ist ein weiterer Übeltäter, der dringend einer grünen Umgestaltung bedarf, bevor der Planet knusprig wird. Nun, hier kommt einer. In einem Nachhaltigkeitsprojekt haben Wissenschaftler herausgefunden, wie man eingefangenes Kohlendioxid und Wasser in grünen Wasserstoff und Kohlenstoffnanofasern umwandeln kann, die als Zusatzstoff für Zement und andere langlebige kohlenstoffbindende Produkte verwendet werden können.

Die Kohlenstoffabscheidung muss bereinigt werden

Kohlenstoffabscheidung hat für jeden Menschen unterschiedliche Bedeutungen. Für Interessenvertreter im Bereich der fossilen Energieerzeugung bietet beispielsweise die Abscheidung überschüssigen Kohlenstoffs aus der Luft eine Möglichkeit, diese auszugraben mehr Öl, Gas und Kohle aus dem Untergrund und behauptet gleichzeitig, die daraus resultierenden Treibhausgasemissionen zu neutralisieren. Zusätzlich zu diesen Ausgleichsmöglichkeiten wird häufig auch Kohlenstoff abgeschieden in verwelkte Ölfelder injiziert als Ölrückgewinnungsverstärker.

Abgesehen davon nimmt die CO2-Abscheidung auch unterschiedliche Formen an. Beim Direct Air Capture wird Kohlenstoff aus der Umgebungsluft abgesaugt. Alternativ können Anlagen zur CO2-Abscheidung an einzelne Kraftwerke und andere Industriesysteme angeschlossen werden.

In jedem Fall muss der abgeschiedene Kohlenstoff nach der Abscheidung irgendwohin gelangen, und dazu gehören typischerweise Pipelines und unterirdische Sequestrierungsanlagen.

Die Idee, abgeschiedenen Kohlenstoff über Rohrleitungen zu unterirdischen Speicherorten zu leiten, fand hier in den USA nach 2015 keinen großen Anklang, als dem jahrzehntelangen, milliardenschweren FutureGen-Projekt der Stecker gezogen wurde, das 2003 erstmals als Vorzeigeprojekt für „Sauberkeit“ angekündigt wurde Kohle“-Technologie.

Ein weiterer Versuch zur Abscheidung und Sequestrierung wurde 2019 im Kohlekraftwerk San Juan in New Mexico gestartet, scheiterte jedoch 2022.

Auf eine interessante Wendung haben 30 Biokraftstoffanlagen in fünf Bundesstaaten des Mittleren Westens gehofft eine Kohlenstoffspeicherungsanlage in North Dakota um ihre Treibhausgasemissionen zu speichern. Die Hoffnungen wurden letzten Herbst zunichte gemacht, als der Pipeline-Entwickler auf den Widerstand von, nun ja, allen stieß.

Kohlenstoffabscheidung und -recycling

Die Hoffnung ist jedoch ewig. Unter der Schirmherrschaft von Occidental Petroleum wird derzeit an einem gigantischen Direct Air Capture- und Untergrundsequestrierungsprojekt in Texas gearbeitet, wir werden also sehen, wie es weitergeht.

In der Zwischenzeit hat die Idee, abgeschiedenen Kohlenstoff zu nutzen – anders als zur Förderung von mehr Öl – an Bedeutung gewonnen. Die schnell wachsende Elektrokraftstoffindustrie setzt beispielsweise auf abgeschiedenen Kohlenstoff und grünen Wasserstoff, um Kraftstoffe für den Transport ohne den Einsatz von Frischöl herzustellen. Auch andere Unternehmen, etwa das von Mikroben betriebene Start-up LanzaTech, haben neue Petrochemikalien durch abgeschiedenen Kohlenstoff in Transportkraftstoffen und Konsumgütern ersetzt. Dazu gehören Shampoo, Haushaltsreiniger, Wodka, Parfüme, Stoffe und PET-Kunststoff Synthetische Materialien wird mit eingefangenem Kohlenstoff hergestellt.

Insofern all diese Aktivitäten dazu beitragen, das Tempo der Ölförderung zu drosseln, ist das ein Schritt in die richtige Richtung. Ein noch größerer Schritt wäre es, die Kohlenstoffemissionen über längere Zeiträume in der Luft zu halten, und hier kommt Zement ins Spiel.

Zement fängt bereits an, sich im Bereich der CO2-Abscheidung Platz zu erobern, und es ist an der Zeit. Zement ist das Bindemittel aus Kalkstein und Ton, das Beton zusammenhält. Auf die Zementherstellung entfallen ca 26 % der Industrieemissionen Und 8-9 % der gesamten Treibhausgasemissionen ganz von alleine. Das ist bei weitem nicht so viel wie Kraftwerksemissionenaber es übertrifft es bei weitem Emissionen aus der Luftfahrtdie derzeit nur etwa 2 % ausmachen.

Alternative Kraftstoffe und Energieeffizienz sind ein Weg zur Reduzierung der Emissionen bei der Zementherstellung. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Zement selbst anzugreifen. Letzten Herbst, CleanTechnica nahm einen neuen kohlenstoffsaugenden Zement zur Kenntnis, der vom Startup entwickelt wurde C-Crete Technologies. Die gießbare Mischung fängt und mineralisiert den in der Luft befindlichen Kohlenstoff, während er aushärtet. „Stellen Sie sich C-Crete als einen Baum in Form von Beton vor, dann sind Sie auf dem richtigen Weg“, schrieben wir.

Ein anderer Ansatz besteht darin, Portlandzement aus der Betonmischung zu entfernen. Der Saudi-Araber Klimatechnologieunternehmen Partanna Arabia beispielsweise hat gerade eine Partnerschaft zur Herstellung zementfreier Betonpflastersteine ​​ins Leben gerufen, die mit der Zeit Kohlendioxid absorbieren.

Kohlenstoffabscheidung mit einem grünen Wasserstoff-Twist

Eine weitere neue Variante des kohlenstoffbindenden Zements stammt von einem Forschungsteam des Energieministeriums Brookhaven National Laboratory und Columbia University.

Das Team hat eine Methode entwickelt, um Kohlenstoffnanofasern aus eingefangenem Kohlenstoff zu ziehen. Die Kohlenstoffnanofasern könnten unter anderem als lebensdauerverlängernder Zusatzstoff für Zement eingesetzt werden.

„Man kann die Kohlenstoffnanofasern in Zement einbringen, um den Zement zu verstärken. Das würde den Kohlenstoff für mindestens 50 Jahre, möglicherweise länger, im Beton einschließen, erklärt Forschungsteamleiter Jingguang Chen, Professor für Chemieingenieurwesen an der Columbia University, der auch eine gemeinsame Position innehat in Brookhaven.

„Die Idee, CO2 einzufangen oder in andere Materialien umzuwandeln, um den Klimawandel zu bekämpfen, ist nicht neu. Doch allein die Lagerung von CO2-Gas kann zu Undichtigkeiten führen. Und bei vielen CO2-Umwandlungen entstehen kohlenstoffbasierte Chemikalien oder Kraftstoffe, die sofort verwendet werden, wodurch CO2 direkt wieder in die Atmosphäre freigesetzt wird“, fügt das Labor hinzu.

Wer soll das alles bezahlen?

Die große Frage sind die Kosten, und das stand im Mittelpunkt des Forschungsteams.

Sie entwickelten einen zweiteiligen Prozess, der mit einem Elektrolyseschritt beginnt. Der Zweck des Elektrolyseschritts besteht darin, Kohlendioxid in Kohlenmonoxid umzuwandeln, das bekanntermaßen ein effizienterer Ausgangspunkt für die Herstellung von Kohlenstoffnanofasern ist.

Der Elektrolyseschritt produziert außerdem grünen Wasserstoff als zusätzliches Nebenprodukt und stellt eine zusätzliche potenzielle Einnahmequelle für das System dar.

Der zweite Teil des Prozesses ist ein wärmegetriebener Prozess, der eine thermochemische Reaktion nutzt. Für Kohlenstoffnanofasersysteme ist hierfür typischerweise eine hohe Hitze von mehr als 1.000 Grad Celsius erforderlich. Das Brookhaven-Team hat dies auf ein praktischeres, skalierbareres Niveau im Bereich von 400 Grad Celsius gebracht.

Das Team suchte außerdem nach einem effizienteren Katalysator, um die thermochemische Reaktion voranzutreiben. Sie entschieden sich für eine Eisen-Kobalt-Legierung, die sie mit zusätzlichem Kobalt etwas verfeinerten, um die Bildung von Kohlenstoff-Nanofasern zu verbessern.

„Unserer Studie zufolge tragen die Kobalt-Eisen-Stellen in der Legierung dazu bei, die CO-Bindungen von Kohlenmonoxid aufzubrechen“, erklärt der Co-Autor der Studie, Ping Liu von der Chemieabteilung in Brookhaven.

„Dadurch steht atomarer Kohlenstoff zur Verfügung, der als Quelle für den Aufbau von Kohlenstoffnanofasern dienen kann. Dann ist das zusätzliche Kobalt dazu da, die Bildung der CC-Bindungen zu erleichtern, die die Kohlenstoffatome verbinden“, fügt sie hinzu.

Die Sache mit Kobalt wirft einige Warnsignale in der Lieferkette auf, aber das Forschungsteam hat gezeigt, dass der Katalysator beim Wachstum von der Oberfläche der Nanofasern abgetrennt wird, was es relativ einfach macht, das Kobalt zu recyceln.

„Diese einfache Katalysatorrückführung, die kommerzielle Verfügbarkeit der Katalysatoren und die relativ milden Reaktionsbedingungen für die zweite Reaktion tragen alle zu einer günstigen Bewertung der mit dem Prozess verbundenen Energie- und anderen Kosten bei“, erklärt das Labor.

Brookhaven verbarg den Vorbehalt etwas und schloss seine Pressemitteilung mit der Feststellung, dass die Ergebnisse „wirklich kohlenstoffnegativ“ wären, wenn erneuerbare Energien zum Antrieb des Prozesses genutzt würden.

Warum haben sie das nicht gleich gesagt?

Sehen Sie sich die Studie unter dem Titel „CO2-Fixierung in Kohlenstoffnanofasern mithilfe elektrochemischer-thermochemischer Tandemkatalyse“ in der Zeitschrift an Naturkatalyse.

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Bildnachweis: „Der Prozess nutzt elektrokatalytische (blauer Ring) und thermokatalytische (orangefarbener Ring) Tandemreaktionen, um CO2 (blaugrüne und silberne Moleküle) plus Wasser (lila und blaugrün) in „feste“ Kohlenstoffnanofasern (Silber) umzuwandeln und Wasserstoffgas zu erzeugen (H2, lila) als nützliches Nebenprodukt“ (von Zhenhua Xie/Brookhaven National Laboratory und Columbia University und Erwei Huang/Brookhaven National Laboratory, mit freundlicher Genehmigung des Brookhaven National Laboratory).