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Aug 14, 2023

Wie man Kohlendioxid aus dem Meerwasser zieht

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Während sich in der Erdatmosphäre immer mehr Kohlendioxid ansammelt, haben Forschungsteams auf der ganzen Welt jahrelang nach Möglichkeiten gesucht, das Gas effizient aus der Luft zu entfernen. Die weltweit größte „Senke“ für Kohlendioxid aus der Atmosphäre ist mittlerweile der Ozean, der etwa 30 bis 40 Prozent des gesamten durch menschliche Aktivitäten erzeugten Gases aufnimmt.

Kürzlich hat sich die Möglichkeit, Kohlendioxid direkt aus dem Meerwasser zu entfernen, als eine weitere vielversprechende Möglichkeit zur Minderung der CO2-Emissionen herausgestellt, die möglicherweise eines Tages sogar zu insgesamt negativen Nettoemissionen führen könnte. Doch ebenso wie bei Luftabscheidesystemen hat die Idee noch nicht zu einer breiten Anwendung geführt, obwohl es einige Unternehmen gibt, die versuchen, in diesen Bereich vorzudringen.

Jetzt sagt ein Forscherteam am MIT, dass sie möglicherweise den Schlüssel zu einem wirklich effizienten und kostengünstigen Entfernungsmechanismus gefunden haben. Die Ergebnisse wurden diese Woche in der Zeitschrift Energy and Environmental Science in einem Artikel der MIT-Professoren T. Alan Hatton und Kripa Varanasi, der Postdoktorandin Seoni Kim und der Doktoranden Michael Nitzsche, Simon Rufer und Jack Lake veröffentlicht.

Die bestehenden Methoden zur Entfernung von Kohlendioxid aus Meerwasser legen eine Spannung an einen Membranstapel an, um einen Zulaufstrom durch Wasserspaltung anzusäuern. Dadurch werden Bikarbonate im Wasser in CO2-Moleküle umgewandelt, die dann im Vakuum entfernt werden können. Hatton, Ralph Landau-Professor für Chemieingenieurwesen, weist darauf hin, dass die Membranen teuer sind und Chemikalien erforderlich sind, um die gesamten Elektrodenreaktionen an beiden Enden des Stapels voranzutreiben, was die Kosten und Komplexität der Prozesse weiter erhöht. „Wir wollten die Notwendigkeit vermeiden, Chemikalien in die Anoden- und Kathodenhalbzellen einzubringen, und möglichst auf den Einsatz von Membranen verzichten“, sagt er.

Das Team entwickelte einen reversiblen Prozess, der aus membranfreien elektrochemischen Zellen besteht. Reaktive Elektroden werden verwendet, um Protonen an das den Zellen zugeführte Meerwasser abzugeben und so die Freisetzung des gelösten Kohlendioxids aus dem Wasser voranzutreiben. Der Prozess ist zyklisch: Zunächst wird das Wasser angesäuert, um gelöste anorganische Bicarbonate in molekulares Kohlendioxid umzuwandeln, das als Gas unter Vakuum gesammelt wird. Anschließend wird das Wasser einem zweiten Satz Zellen mit umgekehrter Spannung zugeführt, um die Protonen zurückzugewinnen und das saure Wasser wieder alkalisch zu machen, bevor es wieder ins Meer abgegeben wird. In regelmäßigen Abständen werden die Rollen der beiden Zellen vertauscht, sobald ein Elektrodensatz keine Protonen mehr enthält (während der Ansäuerung) und der andere während der Alkalisierung regeneriert wurde.

Diese Entfernung von Kohlendioxid und die Wiedereinspritzung von alkalischem Wasser könnte die durch die Kohlendioxidanreicherung verursachte Versauerung der Ozeane, die wiederum Korallenriffe und Schalentiere bedroht hat, zumindest lokal langsam umkehren, sagt Varanasi, Professor für Maschinenbau. Die Wiederinjektion von alkalischem Wasser könnte über verteilte Auslässe oder weit vor der Küste erfolgen, um einen lokalen Anstieg der Alkalität zu vermeiden, der die Ökosysteme stören könnte, sagen sie.

„Wir werden nicht in der Lage sein, die Emissionen des gesamten Planeten zu behandeln“, sagt Varanasi. In einigen Fällen könnte die Wiedereinspritzung jedoch an Orten wie Fischfarmen erfolgen, die dazu neigen, das Wasser anzusäuern, so dass dies eine Möglichkeit sein könnte, diesem Effekt entgegenzuwirken.

Sobald das Kohlendioxid aus dem Wasser entfernt wurde, muss es wie bei anderen Verfahren zur Kohlenstoffentfernung noch entsorgt werden. Es kann beispielsweise in tiefen geologischen Formationen unter dem Meeresboden vergraben sein oder chemisch in eine Verbindung wie Ethanol umgewandelt werden, das als Kraftstoff für den Transport verwendet werden kann, oder in andere Spezialchemikalien. „Man kann durchaus darüber nachdenken, das abgeschiedene CO2 als Rohstoff für die Produktion von Chemikalien oder Materialien zu verwenden, aber man wird nicht alles davon als Rohstoff nutzen können“, sagt Hatton. „Für alle Produkte, die Sie produzieren, werden Ihnen die Märkte ausgehen, sodass ein erheblicher Teil des abgeschiedenen CO2 auf jeden Fall unter der Erde vergraben werden muss.“

Die Idee wäre zumindest zunächst, solche Systeme mit bestehender oder geplanter Infrastruktur zu koppeln, die bereits Meerwasser aufbereitet, etwa Entsalzungsanlagen. „Dieses System ist skalierbar, sodass wir es möglicherweise in bestehende Prozesse integrieren könnten, die bereits Meerwasser verarbeiten oder mit Meerwasser in Kontakt kommen“, sagt Varanasi. Dort könnte die Kohlendioxidentfernung eine einfache Ergänzung zu bestehenden Prozessen sein, die bereits große Mengen Wasser ins Meer zurückführen, und es wären keine Verbrauchsmaterialien wie chemische Zusätze oder Membranen erforderlich.

„Bei Entsalzungsanlagen pumpt man bereits das gesamte Wasser, warum also nicht dort zusammenstellen?“ Varanasi sagt. „Eine Menge Kapitalkosten im Zusammenhang mit der Art und Weise, wie man das Wasser bewegt, und der Genehmigung, all das konnte bereits erledigt werden.“

Das System könnte auch von Schiffen implementiert werden, die während ihrer Fahrt Wasser verarbeiten, um den erheblichen Beitrag des Schiffsverkehrs zu den Gesamtemissionen zu verringern. Es gibt bereits internationale Vorschriften zur Reduzierung der Emissionen der Schifffahrt, und „dies könnte Schifffahrtsunternehmen dabei helfen, einen Teil ihrer Emissionen auszugleichen und Schiffe in Meereswäscher umzuwandeln“, sagt Varanasi.

Das System könnte auch an Standorten wie Offshore-Bohrplattformen oder in Aquakulturfarmen implementiert werden. Letztendlich könnte es zum Einsatz freistehender CO2-Entfernungsanlagen auf der ganzen Welt kommen.

Der Prozess könnte effizienter sein als Luftabscheidungssysteme, sagt Hatton, da die Kohlendioxidkonzentration im Meerwasser mehr als 100-mal höher ist als in der Luft. Bei Direct-Air-Capture-Systemen muss das Gas zunächst aufgefangen und konzentriert werden, bevor es zurückgewonnen werden kann. „Die Ozeane sind jedoch große Kohlenstoffsenken, sodass der Schritt der Speicherung bereits erledigt ist“, sagt er. „Es gibt keinen Capture-Schritt, nur Release.“ Das bedeutet, dass die Materialmengen, die gehandhabt werden müssen, viel kleiner sind, was möglicherweise den gesamten Prozess vereinfacht und den Platzbedarf verringert.

Die Forschung geht weiter, mit dem Ziel, eine Alternative zum bisherigen Schritt zu finden, der ein Vakuum erfordert, um das abgetrennte Kohlendioxid aus dem Wasser zu entfernen. Ein weiterer Bedarf besteht darin, Betriebsstrategien zu identifizieren, um die Ausfällung von Mineralien zu verhindern, die die Elektroden in der Alkalisierungszelle verunreinigen können, ein inhärentes Problem, das die Gesamteffizienz aller berichteten Ansätze verringert. Hatton stellt fest, dass in diesen Fragen erhebliche Fortschritte erzielt wurden, dass es jedoch noch zu früh ist, darüber zu berichten. Das Team geht davon aus, dass das System innerhalb von etwa zwei Jahren für ein praktisches Demonstrationsprojekt bereit sein könnte.

„Das Kohlendioxidproblem ist das bestimmende Problem unseres Lebens, unserer Existenz“, sagt Varanasi. „Es ist also klar, dass wir jede Hilfe brauchen, die wir kriegen können.“

Die Arbeit wurde von ARPA-E unterstützt.

MIT-Forscher haben einen neuen zweistufigen elektrochemischen Prozess entwickelt, um Kohlendioxid aus Meerwasser zu entfernen, berichtet John Fialka für E&E News. Der neue Ansatz „senkt die Energiekosten und die teuren Membranen, die zum Sammeln von CO2 verwendet werden, so weit, dass Handelsschiffe, die mit Dieselantrieb fahren, genug CO2 sammeln könnten, um ihre Emissionen auszugleichen“, schreibt Fialka.

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