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Eine Batterie als CO2-Fänger

Elektrochemisches System absorbiert beim Laden CO2 aus der Luft und scheidet es beim Entladen ab

CO2-Fänger
Die elektrochemische CO2-Fänger-Batterie absorbiert beim Laden CO2 (rot) aus der Luft (blau) und gibt das reine CO2 beim Entladen (oben) wieder ab. © Sahag Voskian und T. Alan Hatton

Akku mit positivem Nebeneffekt: US-Forscher haben eine Batterie konstruiert, die beim Laden Kohlendioxid aus Abgas oder Luft einfängt. Beim Entladen gibt das elektrochemische Modul das Gas in Reinform wieder ab, so dass es weiterverwendet oder gespeichert werden kann. Der Vorteil dabei: Dieses Abscheiden benötigt weder Hitze noch zusätzliche Chemikalien und die Batterie generiert einen Teil der benötigten Energie selbst, wie die Wissenschaftler berichten.

Angesichts steigender CO2-Werte in der Atmosphäre suchen Wissenschaftler in aller Welt nach Methoden, um das Treibhausgas wieder aus der Luft oder dem Abgas zu entfernen. Bei den meisten Direct-Air-Capture-Pilotanlagen absorbieren chemische Bindemittel das CO2 und geben es bei starkem Erhitzen des Absorbers wieder ab – teils mithilfe von Sonnenlicht. Auch Pläne, solche Systeme in Klimaanlagen zu integrieren, existieren bereits.

Aufbau der CI2-Fänger-Batterie
Außenansicht eines Testmodells der Batterie mit Gaszuleitungen (links) und Aufbau der elektrochemischen Zelle. © Voskian und Hatton, Energy Environ.Sci /CC-by-sa 4.0

Elektrochemie statt chemischer Absorber

Der Nachteil jedoch: Die Trennung des CO2 vom Filtermaterial und dessen Regeneration erfordern Energie, zudem arbeiten die chemischen Absorber bei geringen CO2-Konznetrationen oft nicht sehr effektiv und degradieren schnell. „Die existierenden Technologien sind daher schon von ihrem Prinzip her ineffizient“, erklären Sahag Voskian und Alan Hatton vom Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Die Forscher haben nun einen Ansatz entwickelt, der energiesparender ist, weil er die CO2-Absorption mit den Ladezyklen einer elektrochemischen Batterie verknüpft. Beim Laden dieses Akkus findet an den außen liegenden Kathodenschichten eine elektrochemische Reaktion statt, die CO2 aus der Luft aufnimmt. Beim Entladen verliert das Material seine CO2-Affinität und entlässt den zuvor gebundenen Kohlenstoff als reines CO2-Gas.

CO2-Absorption beim Laden

„Der größte Vorteil dieser Technologie gegenüber anderen dieser Art ist die binäre Natur der CO2-Affinität des Absorbers“, erklärt Voskian. Denn dadurch setzt die Anlage das eingefangene CO2 wieder frei, ohne dass zusätzlich Hitze oder andere Energie zugeführt werden muss. Konkret besteht die Kathodenschicht dieser Batterie aus einem Komposit aus Anthraquinonen – ringförmigen Kohlenwasserstoffen – und Kohlenstoff-Nanoröhrchen.

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Wird der Batterie beim Aufladen Strom zugeführt, nimmt die Kathodenschicht Elektronen auf und reagiert mit dem CO2 aus der durch die Zelle strömenden Luft. Lieferant für die Elektronen ist dabei die Anodenschicht aus Nanoröhrchen mit Ferrocen, einer Verbindung zweier Kohlenwasserstoffringe mit einem zentralen Eisenatom. Beim Entladen gibt die Batterie einen Teil der zugeführten Energie wieder als Strom ab, was ihren Gesamtenergiebedarf verringert, wie die Forscher erklären.

Entladen setzt reines CO2 frei

Um das gebundene CO2 wiederzugewinnen, reicht es, beim Entladen CO2-Gas durch die Elektrodenstapel zu leiten. Weil die Kathodenschicht jetzt ihre Affinität zum CO2 verloren hat, gibt sie dabei das von ihr gebundene CO2 an diesen Gasstrom ab. „Die spezifische Chemie der Quinone setzt dabei ein nahezu 100-prozentig reines CO2 frei“, berichten Voskian und Hatton. „Und dies geschieht bei normalen Bedingungen, man benötigt weder Hitze, erhöhten Druck noch zusätzliche chemische Komponenten.“

Bei ersten Tests im Labor erreichte ihre elektrochemische CO2-Fänger-Batterie einen faradayschen Wirkungsgrad von 90 Prozent und benötigte rund 40 bis 90 Kilojoule Energie pro eingefangenem Mol CO2, wie die Forscher berichten. Das entspricht einem Energiebedarf von etwa 275 Kilowattstunden pro Tonne CO2. Das System funktionierte dabei sowohl bei geringen CO2-Konzentrationen wie in der Außenluft als auch bei erhöhtem CO2-Werten wie in Abgasströmen.

Günstig in der großtechnischen Herstellung

„Diese CO2-Capture-Technologie ist eine klare Demonstration der Leistung elektrochemischer Ansätze, die nur geringe Schwankungen der Spannung benötigen, um die Abscheidung zu bewerkstelligen“, sagt Hatton. Zwar verliert die Batterie bisher noch rund 30 Prozent an Effizienz im Laufe von rund 7.000 Ladezyklen, wie die Forscher einräumen. Sie sind aber zuversichtlich, diese Stabilität künftig auf 20.000 bis 50.000 Zyklen erhöhen zu können.

Ein weiterer Vorteil: Die Elektroden für die CO2-Fänger-Batterie lassen sich durch Standardmethoden herstellen. Mit ein wenig Anpassung könnten sie sogar im Rollenverfahren am laufenden Meter produziert werden – zu nur wenigen Dutzend US-Dollar pro Quadratmeter, wie die Forscher erklären. Die CO2-Abscheidung mit dieser Methode würde dadurch je nach Einsatzgebiet zwischen 50 und 100 US-Dollar pro Tonne CO2 kosten.

Pilotanlage schon in den nächsten Jahren

Einsatzmöglichkeiten sehen die Wissenschaftler sowohl beim Direct-Air-Capture als auch bei der Abgasfilterung von Industrieanlagen und Kraftwerken. Dort könnte man mehrere Batterien so kombinieren, dass sie immer abwechselnd laden und entladen – dadurch wäre eine kontinuierliche Abscheidung des CO2 gewährleistet. Das abgetrennte CO2 könnte dann entweder direkt genutzt werden oder aber in unterirdische CO2-Langzeitspeicher eingeleitet werden.

Voskian und Hatton haben bereits ein Unternehmen gegründet, mit dem sie den Prozess nun kommerzialisieren wollen. Schon in den nächsten Jahren wollen sie damit eine erste Pilotanlage in größerem Maßstab errichten. Denn wie sie erklären, ist das Skalieren ihres Systems kein Problem: „Wenn man mehr Kapazität braucht, muss man einfach nur mehr Elektroden einsetzen“, so Hatton. (Energy and Environmental Science, 2019; doi: 10.1039/C9EE02412C)

Quelle: Massachusetts Institute of Technology

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