US-Wissenschaftler wandeln Kohlendioxid in Treibstoff um

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MIT- und Harvard-Forscher revolutionieren die Umwandlung von CO2 in umweltfreundlichen Kraftstoff

Wissenschaftler am MIT und in Harvard haben ein innovatives Verfahren zur Umwandlung von CO2 in Kraftstoff entwickelt und in Cell Reports Physical Sciences (CRPS) publiziert – mit einem doppelten Ziel: Neben der Verringerung der anthropogenen Kohlendioxidemissionen wird eine erneuerbare Energiequelle erzeugt. Die Kohlenstoffeffizienz ist heute eines der drängendsten Probleme der Kohlendioxid-Elektroreduktion. Aus CRPS: Es gibt zwar Studien mehr als Anionen-Austauschmembran-Elektrolyseure mit Kohlendioxid (Gas) und bipolare Membranelektrolyseure mit Bicarbonat (wässrigem) Ausgangsmaterial, aber beide leiden unter einer geringen Kohlenstoffeffizienz.

Harvard-Universität, Boston – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft, für Solarify

Bei Anionen-Austauschmembran-Elektrolyseuren ist dies auf den mehr alsgang von Karbonatanionen zurückzuführen, während bei bipolaren Membranelektrolyseuren die Auslösung von Kohlendioxid (Gas) aus der Bikarbonatlösung der Grund dafür ist. Hier klären wir zunächst die Ursache für die niedrige Kohlendioxid-Effizienz von Flüssigbicarbonat-Elektrolyseuren mit thermodynamischen Berechnungen auf und erreichen dann eine kohlenstoffeffiziente Kohlendioxid-Elektroreduktion durch den Einsatz einer Kationenaustauschmembran mit nahezu neutralem pH-Wert, einer Glasfaser-Zwischenschicht und einem Kohlendioxid-(Gas-)Partialdruckmanagement. Wir wandeln hochkonzentrierte Bicarbonatlösung in festen Formiatbrennstoff mit einer Ausbeute (Kohlenstoffeffizienz) von mehr als 96 % um. Ein Gerätetest wird bei 100 mA/cm mit einer Vollzellenspannung von 3,1 V für mehr als 200 Stunden demonstriert.

Mit der Entwicklung eines Verfahrens zur direkten Umwandlung von CO2 in Formiat, einen festen und stabilen Brennstoff, der für die künftige Nutzung gespeichert werden kann, wurde ein wichtiger Schritt getan. Die Entdeckung von Möglichkeiten, CO2 aus der Luft (siehe DAC) oder aus Kraftwerksemissionen (siehe Carbon2Chem) zu extrahieren und es dann in etwas Nützliches umzuwandeln, ist eine der Herausforderungen für die Forscher. Ebenso wichtig ist die Umwandlung des extrahierten CO2 in einen stabilen Brennstoff, der in bestimmten Anwendungen fossile Brennstoffe ersetzen kann. Die meisten Umwandlungsprozesse hatten jedoch entweder Probleme mit der Kohlenstoffeffizienz oder produzierten schwer zu handhabende, giftige und/oder brennbare Brennstoffe.

Einem Forscherteam des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Harvard University ist vor kurzem ein wichtiger Durchbruch gelungen, indem sie ein revolutionäres Verfahren entwickelt haben, mit dem CO2 in einen festen Brennstoff namens Formiat (Ameisensäure) umgewandelt werden kann. Dieser in Cell Reports Physical Sciences  beschriebene Durchbruch könnte entscheidend sein, wenn es darum geht, unseren Kohlenstoff-Fußabdruck und unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern.

Bisher war die Abscheidung und Umwandlung von CO2 in Kraftstoff aufgrund der Ineffizienz der bestehenden Verfahren eine große Herausforderung. Glücklicherweise erreicht das von diesen Forschern entwickelte neue Verfahren einen beeindruckenden Wirkungsgrad von mehr als 90 %. Das Verfahren beginnt mit der Abscheidung auf der Grundlage einer alkalischen Lösung, die es ermöglicht, CO2 aus konzentrierten Quellen wie Kraftwerksemissionen oder atmosphärischer Luft zu gewinnen.

Dabei entsteht flüssiges Metallbicarbonat, das anschließend elektrochemisch in flüssiges Kalium- oder Natriumformiat umgewandelt wird, wobei kohlenstoffarme Energie wie Kern-, Wind- oder Sonnenenergie genutzt wird. Diese hochkonzentrierte flüssige Lösung wird dann in ein sehr stabiles festes Pulver umgewandelt.

Das neue Verfahren löst einige der größten Probleme, die bei früheren Versuchen, CO2 in Kraftstoff umzuwandeln, aufgetreten sind. Es erreicht einen Kohlenstoffwirkungsgrad von mehr als 90 %, macht eine ineffiziente Erhitzungsphase mehr alsflüssig und produziert einen ungiftigen, leicht zu lagernden Brennstoff. Dieses Verfahren ist eine echte Hoffnung im Kampf gegen den Klimawandel und für die Verringerung unseres CO2-Fußabdrucks und ebnet den Weg für eine nachhaltigere Energiewende.

Resultierendes Produkt ist stabil

Die industrielle Produktion von Formiat deckt den Bedarf an Enteisungsmitteln für Straßen und Gehwege. Formiat ist ein flüssiger oder fester Stoff, der ähnlich wie Wasserstoff oder Methanol in Brennstoffzellen zur Stromerzeugung verwendet werden kann. Dieser Brennstoff ist ungiftig, nicht brennbar, leicht zu lagern und zu transportieren und eröffnet viele Anwendungsmöglichkeiten.

Formiat ist aufgrund seiner Stabilität und Sicherheit als Energieträger besonders vielversprechend. Es kann mehr als lange Zeiträume ohne nennenswerte Verluste gespeichert werden, im Gegensatz zu anderen Formen der Energiespeicherung, wie z. B. reinem Wasserstoff, die im Laufe der Zeit erhebliche Gasverluste aufweisen.

Labortest erfolgreich!

Den ForscherInnen ist es gelungen, die Wirksamkeit ihres Verfahrens in kleinem Maßstab im Labor zu demonstrieren. Sie wandelten CO2 in Kalium- oder Natriumformiat um, ein stabiles und leicht zu handhabendes Material. Diese Labordemonstration ist ein entscheidender Schritt, der das Potenzial dieser innovativen Technologie zeigt.

Stabilität ist Stärke für die Zukunft

Sie sollten wissen, dass diese Technologie aufgrund ihrer Effizienz, Sicherheit und langfristigen Speicherkapazität eine äußerst vielversprechende Lösung zur Bekämpfung des Klimawandels und zur Verringerung unserer CO2-Bilanz darstellt. Die Frage ist nun, wie dieser Prozess in großem Maßstab umgesetzt werden kann. Forscher am MIT und in Harvard wollen diese Technologie für die Wärme- und Stromversorgung von Privathaushalten, Industrieunternehmen und sogar Stromnetzen einsetzen. Die Energiewende ist für den Kampf gegen den Klimawandel von entscheidender Bedeutung, und diese Wende bei der Umwandlung von CO2 in einen umweltfreundlichen Brennstoff könnte dabei eine entscheidende Rolle spielen.

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