Forscher in den USA und Israel haben eine batterieartige Kohlenstoffabscheidungszelle vorgestellt, die 5,000 Stunden lang lief und auf einen Stapel von neun Zellen skaliert werden konnte, wodurch die elektrochemische Abscheidung näher an die praktische Anwendung rückt.
Eine neue Studie zeigt, dass ein batteriebetriebenes Gerät zur elektrochemischen Direktabscheidung aus der Luft im Labor 5,000 Stunden lang gelaufen ist. Forscher der Universität Delaware und des israelischen Start-ups RepAir DAC veröffentlichten ihre Ergebnisse am 22. September in Nature Energy. Vier der neun Autoren arbeiten bei RepAir mit Sitz in Zichron Ya'akov, Israel. Fünf weitere, darunter der Chemieingenieur Yushan Yan, sind an der Universität Delaware tätig.
Das Team nutzte Zellen mit Nickelhydroxid-Elektroden und einer Hydroxid-Austauschmembran. Das Gerät filtert Kohlendioxid aus der Luft und wird ausschließlich mit Strom betrieben. Im Gegensatz dazu nutzen die meisten großen Abscheidungsanlagen heutzutage Wärme, um das aufgefangene Kohlendioxid wieder freizusetzen.
Wie die Zelle funktioniert
Die Vorrichtung ist eine symmetrische Zelle, das heißt, beide Elektroden bestehen aus demselben Material. An der einen Elektrode wandelt sich Nickeloxyhydroxid in Nickelhydroxid um. An der anderen Elektrode findet die umgekehrte Reaktion statt.
Diese Reaktionen erzeugen Hydroxidionen auf der einen Seite der Zelle und verbrauchen sie auf der anderen. Dadurch entsteht ein pH-Gradient über die Zellmembran. Luft strömt an der alkalischen Seite vorbei, wo Kohlendioxid reagiert und sich löst. Die Zelle gibt das Gas dann auf der anderen Seite als konzentrierten Strom ab.
Da beide Elektroden die gleiche chemische Zusammensetzung aufweisen, beträgt die Ruhespannung der Zelle null. In einer früheren Vorveröffentlichung erklärte das Team, dass der größte Teil der Spannung zum Aufbau des pH-Gradienten benötigt wird. Der Rest treibt die Elektrodenreaktionen an.
Von einer kleinen Zelle zu einem Stapel
Die Studie testete zunächst ein kleines Laborgerät mit einer Fläche von 25 Quadratzentimetern (ein Quadrat mit fünf Zentimetern Seitenlänge). Es lief 5,000 Stunden lang, was erste Hinweise auf die Lebensdauer der Elektroden und der Membran liefert. Die Haltbarkeit ist oft die Schwachstelle neuer Abscheidungstechnologien.
Das Team vergrößerte die Anlage anschließend auf einen Stapel aus neun Zellen mit jeweils 300 Quadratzentimetern Fläche. Dieser Stapel fing Kohlendioxid mit einem Energieaufwand von 132 Kilojoule pro Mol ab. Das entspricht etwa 0.83 Megawattstunden pro Tonne. Die Abscheiderate des Stapels erreichte 0.19 Mol Kohlendioxid pro Quadratmeter und Stunde.
Entscheidend für den Einsatz in realen Anlagen war, dass der Kamin die Druckanforderungen für die Bewegung großer Luftmengen erfüllte. Ventilatoren, die Luft durch eine Auffangeinheit drücken, verbrauchen Energie; ein geringer Druckverlust hält daher die Betriebskosten niedrig. Laut der Vorabveröffentlichung lag der Druckverlust des skalierten Systems unter 300 Pascal, zehnmal niedriger als in den Laborzellen.
Ein Weg unter 100 Dollar pro Tonne
Die Autoren geben an, dass das Design Kosten von unter 100 US-Dollar pro Tonne abgeschiedenem Kohlendioxid ermöglicht. Dieser Wert gilt seit Langem als Branchenrichtwert für die großtechnische CO₂-Abscheidung aus der Luft. Die Studie skizziert zwar einen Weg, doch eine funktionierende Anlage muss diesen erst noch beweisen.
Die Vorabveröffentlichung verglich den Energieverbrauch auch mit einem etablierten Design von Carbon Engineering. Für dieses Verfahren wurden 1.47 Megawattstunden pro Tonne angegeben. Das veröffentlichte Ergebnis liegt deutlich unter diesem Wert, obwohl sich die beiden Systeme hinsichtlich Reifegrad und Größe unterscheiden.
Was die elektrochemische Direktluftabscheidung noch benötigt
Energie ist einer der größten Betriebskostenfaktoren für jede CO₂-Abscheidungsanlage. Daher stößt die elektrochemische CO₂-Direktabscheidung aus der Luft auf großes Interesse. Ein Gerät, das mit sauberem Strom ohne Hochtemperaturwärme arbeitet, könnte neben Wind- oder Solarparks installiert werden. Es könnte sich zudem bei günstigen Strompreisen einschalten und ansonsten im Leerlauf bleiben.
Dennoch entsprechen 5,000 Stunden weniger als sieben Monaten Dauerbetrieb. Eine kommerzielle Anlage benötigt jedoch Zellen, die jahrelang halten. Der Neun-Zellen-Stack ist zudem deutlich kleiner als die Module, die in einer Anlage üblicherweise verwendet werden.
Dennoch trägt das Ergebnis zu einem wachsenden Forschungsfeld bei. Der gesamte Sektor der Direktabscheidung aus der Luft entwickelt sich von Pilotanlagen hin zu größeren Anlagen. Für die elektrochemische Direktabscheidung aus der Luft ist der nächste Test ein größerer Pilotversuch, der mehrere Monate außerhalb des Labors durchgeführt wird.
