Robert Klatt
Eine neue Batterie absorbiert beim Laden CO2 aus der Luft. Dank des einfachen Herstellungsverfahren liegen die Kosten pro absorbierter Tonne des Treibhausgases je nach Einsatzgebiet bei nur 50 bis 100 Dollar. Die Entwickler sehen als mögliche Einsatzszenarien die Filterung von Kraftwerks- und Industrieabgasen.
Cambridge (U.S.A.). Die CO2-Konzentration in der Atmosphäre der Erde hat mit 415,26 ppm kürzlich den höchsten Wert seit der Beginn der Messungen in den 1950er Jahren erreicht. Wissenschaftler auf der ganzen Welt suchen aus diesem Grund nach Möglichkeiten, die die CO2-Konzentration in der Luft senken und kommende Emissionen des Treibhausgases reduzieren sollen, um den Klimawandel und dessen Folgen wie Hochwasser, Hitzewellen und geringere Ernten zu begrenzen. Herausgekommen sind dabei Technologien wie das Direct-Air-Capture System SUN-to-LIQUID, das aus CO2, Wasser und Sonnenlicht Kerosin erzeugt und eine Klimaanlage, die CO2 aus der Luft filtert und daraus Wasserstoff herstellt.
Der Nachteil der bisher vorgestellten Direct-Air-Capture-Pilotanlagen ist der hohe Energieeinsatz, der nötig ist, um das mithilfe von chemischen Bindemitteln aus der Luft absorbierte CO2 wieder aus den Absorbern freizusetzen. Dazu kommt, dass die chemischen Absorber bei geringen CO2-Konzentration nur mit geringer Effektivität arbeiten und schnell zerfallen. Sahag Voskian und Alan Hatton vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) sind daher der Ansicht, dass „die existierenden Technologien daher schon von ihrem Prinzip her ineffizient sind.“
Die Wissenschaftler haben daher laut eines im Fachmagazin Energy and Environmental Science veröffentlichten Artikels einen neuen Ansatz entwickelt, bei dem die CO2-Absorption an die Ladevorgänge einer elektrochemischen Batterie gekoppelt sind. Während die Batterie lädt, erfolgt an der von außen zugänglichen Kathodenschichten eine elektrochemische Reaktion, bei der CO2 aus der Luft entfernt wird. Beim später Entladen des Akkus verlieren die Kathoden ihre CO2-Affinität und der gebundene Kohlenstoff wird als reines CO2-Gas abgegeben.
Wie Voskian erklärt „liegt der größte Vorteil dieser Technologie gegenüber anderen dieser Art in der binären Natur der CO2-Affinität des Absorbers.“ Im Gegensatz zu anderen Ansätzen, die externe Energiequellen wie das Sonnenlicht benötigen, kann die am MIT entwickelte Technologie das eingefangene CO2 also ohne Hitze wieder freisetzen. Hergestellt ist die Kathodenschicht aus einem Verbundmaterial, aus ringförmigen Kohlenwasserstoffen und Kohlenstoff-Nanoröhrchen.
Beim Aufladen der Batterie, nimmt die Kathodenschicht Elektronen und es erfolgt eine Reaktion mit dem in dem durch die Zellen strömenden Luft enthaltenen CO2. Die Elektronen stammen dabei aus der Anodenschicht, die aus Nanoröhrchen mit Ferrocen besteht. Ferrocen sind eine Verbindung zweier Kohlenwasserstoffringe mit einem im Zentrum liegenden Eisenatom. Der Entladen, bei dem das reine CO2-Gas freigesetzt wird, gibt die Batterie einen Großteil des zuvor zugeführten Stroms wieder ab und verringert so den zu CO2-Absorption benötigten Gesamtenergiebedarf.
Das gebundene CO2 wird beim Entladen der Batterie durch die Elektronenstapel geleitet und dabei freigesetzt. Dies erfolgt, da die Kathodenschicht ihre CO2-Affinität verliert und das gebundene CO2 an den Gasstrom abgibt. Laut Voskian „setzt die spezifische Chemie der Quinone setzt dabei ein nahezu 100-prozentig reines CO2 frei.“ Hatton fügt hinzu, dass „dies bei normalen Bedingungen geschieht und dass man dazu weder Hitze, erhöhten Druck noch zusätzliche chemische Komponenten benötigt.
Erste Tests der neuen Technologie konnten bereits einen faradayschen Wirkungsgrad von 90 Prozent erreichen. Die benötigte Energie pro eingefangenem Mol CO2 liegt bei der elektrochemische CO2-Fänger-Batterie zwischen 40 und 90 Kilojoule. Hochgerechnet auf eine Tonne CO2 liegt der Energiebedarf damit bei etwa 275 Kilowattstunden. Laut den Wissenschaftlern kann die Technologie sowohl bei der in der Luft vorkommenden CO2-Konzentration als auch bei deutlich höheren CO2-Konzentration, die zum Beispiel in Schornsteinen von Industrieanlagen auftreten, genutzt werden.
Wie Hatton erklärt, „ist diese CO2-Capture-Technologie eine klare Demonstration der Leistung elektrochemischer Ansätze, die nur geringe Schwankungen der Spannung benötigen, um die CO2-Abscheidung zu bewerkstelligen.“ Aktuell verliert die Batterie nach etwa 7.000 Ladezyklen 30 Prozent an Effizienz. Die Wissenschaftler sind jedoch zuversichtlich, dass sie die Stabilität auf 20.000 bis 50.000 Zyklen erhöhen können.
Ein weiterer Vorteil der Technologie ist, dass die Elektroden durch die bereits industriell eingesetzten Massenproduktionsmethoden erzeugt werden können. Eine geringe Anpassung des Herstellungsprozesses könnte laut den Forschern die Kosten auf wenige US-Dollar pro Quadratmeter reduzieren. Dies würde die Kosten pro absorbierte Tonne CO2 je nach Einsatzgebiet auf 50 bis 100 Dollar reduzieren.
Inzwischen haben Voskian und Hatton ein Unternehmen gegründet, das die von ihnen entwickelte Technologie kommerziell einsetzen soll. Zu Demonstrationszwecken soll in den nächsten Jahren eine erste große Pilotanlage errichtet werden. Auch das Skalieren ist laut Hatton, der erklärt, dass „wenn man mehr Kapazität braucht, man einfach nur mehr Elektroden einsetzen muss.“, kein Problem.
Mögliche Einsatzszenarien sehen die Wissenschaftler neben dem Direct-Air-Capture vor allem beim Filtern von Abgasen von Industrieanlagen und Kraftwerken. Eine Kombination aus mehreren Batterien, die antizyklisch geladen und entladen werden könnte eine kontinuierliche Abscheidung des dort erzeugten CO2 sicherstellen. Anschließend kann das abgetrennte CO2 entweder genutzt werden oder in CO2-Langzeitspeicher im Boden oder unter dem Meer gelagert werden.
Energy and Environmental Science, 2019, doi: 10.1039/C9EE02412C
