Forschung zu einer nachhaltigen Energielösung mithilfe von metallorganischen Gerüsten
CCS-Lösungen als Innovationstreiber im Bereich Energie
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Effiziente Abscheidung von über 0des von Gaskraftwerken emittierten Kohlendioxids
Eine neue Werkstofffamilie könnte die Art und Weise, wie wir Emissionen weltweit verringern, grundlegend verändern.
Forscher an der University of California, Berkeley und bei ExxonMobil, haben ein neues Material entwickelt, das als metallorganische Gerüste (metal-organic frameworks, MOFs) bezeichnet wird. Noch befindet sich die Forschung in der Anfangsphase, aber bei einer kommerziellen Nutzung der metallorganischen Gerüste könnten diese eine Abscheidung von über 90 % des Kohlendioxids (CO2), das Gaskraftwerke bei der Stromerzeugung ausstoßen, möglich machen. Das ist eine bemerkenswerte Leistung, da CO2 in diesen Erdgasströmen im Vergleich zu Abgasströmen von Kohlekraftwerken stark verdünnt vorliegt und die Abscheidung dieser Moleküle dadurch erschwert wird.
Die Forschungsergebnisse wurden von Sachverständigen geprüft und in Science, einer der weltweit führenden wissenschaftlichen Zeitschriften, veröffentlicht. Es handelt sich um einen weiteren Erfolg, der im Rahmen der vielfältigen Forschungsaktivitäten von ExxonMobil mit Fokus auf Technologien zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS) erzielt wurde.
Die Bezeichnung CCS umschreibt eine Reihe von Technologien zur Abscheidung von CO2-Emissionen, bevor diese in die Atmosphäre gelangen. Dieses CO2 wird dann sicher und dauerhaft in erschöpften Öl- und Gasfeldern tief unter der Erde gelagert. Ein potenzieller Einsatzbereich von CCS ist die Einlagerung von Emissionen aus den Abgasströmen von Kraftwerken, die für rund 25 % der globalen CO2-Emissionen verantwortlich sind.
Neben erneuerbaren Energien wie Solar- und Windenergie, emissionsarmen Brennstoffen und Wasserstoff, spielt CCS eine entscheidende Rolle bei der Erreichung des gesamtgesellschaftlichen Ziels, eine CO2-ärmere Zukunft zu schaffen. Der Internationalen Energieagentur zufolge können die Emissionsziele des Pariser Übereinkommens nicht ohne CCS erreicht werden.1 Eine aktuelle Studie der Princeton University kam zu dem Schluss, dass der Ausbau von Kraftwerken – bei gleichzeitiger Kohlenstoffabscheidung und Nutzung von Kernenergie – von entscheidender Bedeutung ist, um den Weg in Richtung Netto-Null auf finanzierbare Weise zu ebnen.
CCS-Technologien sind nichts Neues. ExxonMobil ist der weltweit führende Anbieter im Bereich CCS und hat in den letzten 30 Jahren bereits mehr als 120 Millionen Tonnen2 CO2 sequestriert. Neu an der bahnbrechenden gemeinsamen Entwicklung von der Universität in Berkeley und ExxonMobil ist jedoch die einzigartige molekulare Struktur dieses porösen Materials. Es kann auf den Einsatz in einer Vielzahl von CO2 ausstoßenden Einrichtungen zugeschnitten werden.
Die Arbeit im Bereich metallorganische Gerüste ist zwar vielversprechend, befindet sich aber noch in einem frühen Stadium und ist Teil der längerfristigen Projekte der Grundlagenforschung zur Förderung emissionsärmerer Technologien. Als Teil des branchenführenden F&E-Portfolios von ExxonMobil bildet die Grundlagenforschung einen besonderen Schwerpunkt des Unternehmens. Dazu gehören Forschungsaktivitäten unter Leitung von unternehmensinternen Wissenschaftlern sowie Projekte in Zusammenarbeit mit Universitäten, nationalen Laboratorien und anderen Partnerunternehmen.
Bewältigung der Herausforderungen für nachhaltigen Energiezugang und -verbrauch
USA UND EUROPA
Allein in diesem Jahr werden neue Gaskraftwerke in den USA und Europa 31 Gigawatt Strom erzeugen.
ASIEN
Weitere 10 Gigawatt werden aus Gaskraftwerken in ganz Asien in das Stromnetz eingespeist5
INDIEN
In Indien, wo es immer wieder zu Stromausfällen kommt, die Millionen Menschen6 betreffen, wird derzeit an Plänen zur Steigerung der Stromerzeugung gearbeitet, die eine Verdoppelung des Erdgasanteils am Energiemix des Landes vorsehen.7
Bis 2040 wird der globale Strombedarf voraussichtlich um 60 % steigen
Die Nachfrage nach Energie – einschließlich Strom – wird mit der wirtschaftlichen Erholung von der Pandemie und weiteren Verbesserung der Lebensbedingungen steigen. So wird der weltweite Strombedarf bis 2040 voraussichtlich um 60 % ansteigen und ein wachsender Anteil dieser zusätzlichen Strommenge wird durch Erdgas generiert werden. Doch da die Stromerzeugung für ein Viertel der weltweiten Treibhausgasemissionen (THG) verantwortlich ist, besteht die Herausforderung darin, diese Nachfrage nach sicherem und zuverlässigem Strom zu erfüllen und dabei gleichzeitig die mit dem Klimawandel verbundenen Risiken zu mindern.
Die Nachfrage nach Energie – einschließlich Strom – wird mit der wirtschaftlichen Erholung von der Pandemie und weiteren Verbesserung der Lebensbedingungen steigen. So wird der weltweite Strombedarf bis 2040 voraussichtlich um 60 % ansteigen und ein wachsender Anteil dieser zusätzlichen Strommenge wird durch Erdgas generiert werden. Doch da die Stromerzeugung für ein Viertel der weltweiten Treibhausgasemissionen (THG) verantwortlich ist, besteht die Herausforderung darin, diese Nachfrage nach sicherem und zuverlässigem Strom zu erfüllen und dabei gleichzeitig die mit dem Klimawandel verbundenen Risiken zu mindern.
Um den Erwartungen gerecht zu werden, muss CCS mit weniger Energieaufwand mehr CO2 abscheiden können. Diese Herausforderung zu meistern, ist das Ziel der Forscher in Berkeley und bei ExxonMobil und ihrer laufenden Forschungsarbeit zu diesen bahnbrechenden metallorganischen Gerüsten.
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Was sind metallorganische Gerüste und warum könnten sie erheblich zur Lösung des Klimawandels beitragen?
Seit mehr als acht Jahren testen zwei Wissenschaftler – Jeffrey Long von der UC Berkeley und Simon Weston von ExxonMobil – und ihre Teams immer wieder aufs Neue ihre Hypothesen zum Einsatz der porösen Struktur von metallorganischen Gerüsten zur effizienten CO2-Abscheidung.
Metallorganische Gerüste sind...
GROSS UND PORÖS
Auf Molekularebene verfügen metallorganische Gerüste über einige der größten, bisher bekannten Innenflächen. In entfaltetem Zustand könnte ein Gramm des Materials – etwa das Gewicht einer Büroklammer – ein ganzes Fußballfeld abdecken. Dank ihrer Wabenstruktur mit Poren in Nanogröße können metallorganische Gerüste CO2-Emissionen wie ein Schwamm aufsaugen und aufgrund ihrer großen Oberfläche im Verhältnis zum Volumen ist das Material vermutlich optimal zur Unterstützung und Verbesserung der aktuellen CCS-Technologie geeignet.
VIELSEITIG UND WIEDERVERWENDBAR
Metallorganische Gerüste können mithilfe von chemischen Prozessen so gestaltet werden, dass hochgradig anpassbare Materialien entstehen, die in vielen Anwendungen, wie zum Beispiel CCS, großes Potenzial aufweisen. Bei niedrigen Temperaturen gehen die Moleküle im metallorganischen Gerüst eine feste Verbindung mit CO2ein. Bei moderater Hitze werden die CO2-Moleküle wieder losgelöst und können so gesammelt und gespeichert werden. Nach dem Abtrennen der CO2-Moleküle kehrt das metallorganische Gerüst in seinen ursprünglichen Zustand zurück, sodass das Material auch nach wiederholter Hitze- und Dampfeinwirkung wieder zur Abscheidung von Emissionen verwendet werden kann.
SPIEGELBILD DER NATUR
Die Poren des metallorganischen Gerüsts sind außerdem mit spezifischen Aminmolekülen ausgekleidet, die CO2 über einen einzigartigen Mechanismus gezielt aufnehmen. Dieser Aufnahmemechanismus ähnelt RuBisCO, einem wichtigen Enzym in Pflanzen, das für einen der wirksamsten Prozesse der Kohlenstoffabscheidung in der Natur verantwortlich ist: die Photosynthese.
EFFIZIENT
Die Spiegelung eines natürlichen, als kooperative Bindung bezeichneten Prozesses, bei dem ein einzelnes CO2-Molekül erfasst wird, erleichtert es den metallorganischen Gerüsten, andere CO2-Moleküle zu binden, bis sie vollständig gesättigt sind. Der Abscheidungsprozess ist zudem energiesparend, da für das Herauslösen von CO2 aus dem Material lediglich Dampf benötigt wird, der in Gaskraftwerken bereits im Überfluss vorhanden ist.
Obwohl die Forschungsarbeit noch nicht beendet ist, haben die Forscher Long und Weston bereits aufgezeigt, dass eine energieeffiziente CCS-Technologie durch den Einsatz von metallorganischen Gerüsten möglich sein könnte.
Der lange Weg zu einer nachhaltigen Energielösung
Was die Forscher Long und Weston und ihre Teams dazu veranlasste, Wissenschaftler zu werden, war nicht die Aussicht auf ein plötzliches Aha-Erlebnis. Wie viele ihrer Forschungskollegen, haben sie ihre Arbeit mit der Absicht aufgenommen, in Anknüpfung an die Erkenntnisse ihrer Vorgänger ihren eigenen Beitrag zum Verständnis komplexer chemischer Themenbereiche zu leisten. Zwar hofften Long und Weston, dass ihre Beiträge den Weg zu einer großen Entdeckung ebnen würden, doch war ihnen wohl bewusst, dass diese Art von Arbeit oft Jahre, wenn nicht sogar Jahrzehnte dauert.
Dass ihre Arbeit zu einer Entdeckung führte, die zur Lösung einer der weltweit dringlichsten Umweltherausforderungen beitragen könnte, war für die beiden Forscher daher ein besonders einschneidendes Erlebnis.
Sehen Sie sich das Video an, in dem Weston, Long und Eugene Kim erklären, was Wissenschaft für sie bedeutet. Eugene Kim ist ein Mitglied von Longs Forschungsteam und hat bei dieser Entdeckung eine entscheidende Rolle gespielt. Erfahren Sie außerdem mehr darüber, wie metallorganische Gerüste, an deren Entwicklung diese Forscher beteiligt waren, Erdgas in einen noch emissionsärmeren Brennstoff verwandeln könnte.
Es ist fantastisch, die Chance zu haben, im Bereich Klimawandel und speziell an dem Thema CO2-Abscheidung zu arbeiten, und sich dabei der großen Bedeutung bewusst zu sein, die diese Arbeit für die ganze Welt haben könnte.
Wie geht es weiter?
Bevor die Wissenschaftler und ihre Teams ihre metallorganischen Gerüste in einem Anlagenprototyp einsetzen können, um deren Leistung unter realen Bedingungen zu testen, muss noch weiter geforscht werden. Um den Einsatz von CCS zu beschleunigen, bedarf es auch angemessener regulatorischer und politischer Rahmenbedingungen, einschließlich fiskalischer Anreize, um Investitionen in eine ausgedehnte CCS-Infrastruktur anzukurbeln.
Die bisherigen Forschungsergebnisse von Long und Weston bestätigen jedoch, dass die Wissenschaft und ihr zielgerichteter Forschungsprozess den weltweiten Übergang zu einer CO2-ärmeren Zukunft weiter vorantreiben werden.
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1. Internationale Energieagentur (IEA): „The world needs to build on the growing momentum behind carbon capture“ (Die Welt muss die zunehmende Dynamik im Bereich Kohlenstoffabscheidung nutzen) https://www.iea.org/news/the-world-needs-to-build-on-the-growing-momentum-behind-carbon-capture
2. ExxonMobil, Exxonmobil.com https://corporate.exxonmobil.com/Energy-and-innovation/Carbon-capture-and-storage
3. Internationale Energieagentur (IEA): „Electricity Market Report – December 2020“ (Strommarktbericht – Dezember 2020) https://www.iea.org/reports/electricity-market-report-december-2020/outlook-2021
4. Internationale Energieagentur (IEA): „Electricity Market Report – December 2020“ (Strommarktbericht – Dezember 2020) https://www.iea.org/reports/electricity-market-report-december-2020/outlook-2021
5. Internationale Energieagentur (IEA): „Electricity Market Report – December 2020“ (Strommarktbericht – Dezember 2020) https://www.iea.org/reports/electricity-market-report-december-2020/outlook-2021
6. Council on Energy Environment and Water (CEEW): „State of Electricity Access in India – Oktober 2020“ (Stand der Stromversorgung in Indien – Oktober 2020) https://www.ceew.in/sites/default/files/CEEW%20-%20India%20Residential%20Energy%20Survey%20-%20State%20of%20Electricity%20Access%20%2005Oct20.pdf
7. Internationale Energieagentur (IEA): „India Energy Outlook 2021“ (Indiens Energie-Ausblick 2021) https://www.iea.org/reports/india-energy-outlook-2021
