Schwamm für Kohlendioxid

US-Forscher haben ein neuartiges poröses Material entwickelt, das ein 80-Faches seines Volumens an Kohlendioxid aufnehmen kann. Die Idee: Mit dem Ansatz ließe sich das Klimagas direkt am Schornstein von Kraftwerken und anderen CO₂-produzierenden Anlagen abscheiden, bevor es in die Atmosphäre gelangen kann. Im Anschluss an die Absorption lässt sich das Gas durch Druckveränderungen kontrolliert wieder freisetzen, um es zu komprimieren und schließlich in Langzeitlagerstätten zu pumpen.

Solche und ähnliche Pläne zur CO₂-Sequestrierung gelten als Schlüsseltechnologie, um den Klimagas-Ausstoß in den Industrieländern zu senken – insbesondere in Regionen, die noch stark auf die Kohleverstromung setzen. Die erste Stufe, das Auffangen des Kohlendioxids, ist dabei am teuersten – bis zu 75 Prozent der Gesamtkosten einer solchen Anlage müssen dafür aufgewendet werden, wie es in einer aktuellen Studie des US-Energieministeriums heißt.

Das neue CO₂-Auffangmaterial wurde von Omar Yaghi, einem Chemiker an der University of California in Los Angeles, entwickelt. Er hatte sich bereits zuvor mit der Herstellung neuer Materialklassen beschäftigt, die eine komplexe, mikroskopische Struktur besitzen. Seine Technologie absorbiert große CO₂-Mengen, andere Gase hingegen nicht.

Zwar existieren bereits Ansätze, das Klimagas direkt am Schornstein abzufangen, doch verbrauchen sie sehr viel Energie. Zwischen 15 und 20 Prozent des gesamten Stromoutputs eines Kraftwerkes gehen dabei verloren, wie Yaghi unter Berufung auf eine aktuelle Schätzung sagt. Die derzeit verwendeten Stoffe, so genannte Amine, müssen erhitzt werden, damit sie das absorbierte CO₂ wieder freigeben, um es komprimieren und lagern zu können. Mit dieser Technologie erhöht sich der Preis von Strom aus Kohle um bis zu 90 Prozent, meint Thomas Feeley, Projektmanager am "National Energy Technology Laboratory".

Laut dem Experten erweist sich Yaghis Material gegenüber anderen experimentellen Techniken, die den Preis der CO₂-Sequestrierung senken sollen, als durchaus konkurrenzfähig. Durch die Nutzung geringerer Energiemengen sollen die Kosten reduziert werden, wie Yaghi sagt. Noch ist allerdings unklar, wie viel Einsparpotenzial tatsächlich besteht – noch wurde das Material nicht im Kraftwerkseinsatz getestet.

Neben der Verwendung im Schornstein denkt Yaghi darüber nach, seine Erfindung auch in Kohlevergasungsanlagen einzusetzen. Dabei wird die der schwarze Energieträger zunächst vorverarbeitet, um eine Mischung aus Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff zu erzeugen. Der Wasserstoff wird dann zur Stromerzeugung genutzt. Das CO₂ kann hier zwar über ein Lösungsmittel aufgefangen werden, aber auch dies steigert wieder den Energieverbrauch. Ähnlich wie bei Kohlekraftwerken würde Yaghis Technik hier kostengünstiger sein.

Das von dem UCLA-Forscher entwickelte Material gehört zu einer Klasse, die sich ZIF nennt. ZIFs bestehen aus Metallatomen, die jeweils mit einem bestimmten ringförmigen organischen Molekül verbunden werden. Vor Yaghis Eintritt in den Forschungsbereich wurden in 12 Jahren gerade einmal 24 Varianten entwickelt. Der Forscher hat nun innerhalb von drei Monaten 25 weitere erschaffen. ZIFs sind enorm vielfältig einsetzbar, weil die Metallatome als leistungsfähige Katalysatoren genutzt werden können, während sich über die organischen Moleküle eine Anzahl interessanter Zusatzstoffe einbinden lassen.

Yaghis Material absorbiert CO₂ auch deshalb so gut, weil es extrem porös ist. So ergibt sich eine besonders große Oberfläche, die mit den CO₂-Molekülen in Kontakt kommen kann. Das poröseste von Yaghi entwickelte Material enthält bis zu 2000 Quadratmeter reaktive Oberfläche in nur einem Gramm Material. Ein Liter kann so bei 0 Grad Celsius und Umgebungsdruck 82,6 Liter CO₂ aufnehmen.

Noch ist wissenschaftlich nicht ganz geklärt, warum das so gut funktioniert. Yaghi glaubt, dass die leicht negative Ladung der organischen Moleküle die CO₂-Moleküle anzieht, die selbst eine leicht positive Ladung besitzen. Im Endergebnis wird das CO₂ so an seinem Platz gehalten, während andere Gase durch das Material hindurchdringen können. Diese "Einfangmethode" ist besser als andere, weil so keine starken kovalenten Bindungen entstehen. Um das Gas wieder freizusetzen, wird deshalb nicht viel Energie benötigt.

Der nächste Schritt, den Yaghi plant, ist die Kommerzialisierung seiner Technologie. Dazu muss zunächst die Produktion gesteigert und das Material in einer Kraftwerksanlage getestet werden. Das ZIF würde dabei in Kanister eingepackt, die sich mit unter Druck stehenden Abgasen füllen lassen. Die dafür notwendig Technik soll in den nächsten zwei oder drei Jahren bereitstehen. Yaghi glaubt, dass er seinen CO₂-Einfänger in großen Mengen herstellen kann, schließlich sei das Material ähnlich wie andere Chemikalien herzustellen, die bereits in Tonnenmengen bei BASF und anderen Chemieriesen produziert werden. "Es liegt nun in der Hand der Industrie", sagt der Forscher. Er selbst arbeitet derzeit an automatisierten Techniken, um noch mehr ZIF-Materialien zu erfinden, die sogar noch interessantere Eigenschaften besitzen. (bsc)