Arnold-Eucken-Preis 2014

Prämierte Forschung zu nachhaltiger Energieumwandlung

Bild: DECHEMA e.V./ Eventbild-Service/ Mika VolkmannArnold-Eucken-Preis2014-an-C-Mueller_quadratisch

Arnold-Eucken-Preis-Gewinner Prof. Dr.-Ing. Christoph Müller (Mitte). (Bild: DECHEMA e.V./ Eventbild-Service/ Mika Volkmann)

Unsere VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen hat den diesjährigen Arnold-Eucken-Preis an Assistenzprofessor Prof. Dr.-Ing. Christoph Müller von der ETH Zürich, Labor für Energiewissenschaft und -technik, vergeben. Grund dafür waren seine herausragenden Leistungen zur nachhaltigen Energieumwandlung. Wie seine Forschungsarbeit genau aussieht, hat er uns einmal selbst erklärt:

Das Labor für Energiewissenschaft und –technik an der ETH Zürich  hat sich zum Ziel gesetzt, Ergebnisse der experimentellen Grundlagenforschung auf die globalen Herausforderungen der nachhaltigen Energieumwandlung und Produktion von Chemikalien und Treibstoffen anzuwenden.  Ein bedeutender Schwerpunkt unserer Forschung ist die Entwicklung von neuartigen Materialien für die Abtrennung von Kohlendioxid (CO2) aus Abgasströmen fossiler Kraftwerke.

Bild: ETH ZürichLabor_ETH_Zürich_Eucken-Preis

Blick ins Labor des Preisträgers

CO2 Emissionen
Die Verbrennung fossiler Energieträger wie beispielsweise Kohle oder Erdöl für die Stromerzeugung oder im Verkehrswesen ist die grösste anthropogene Emissionsquelle für das Treibhausgas CO2. Messungen zeigen, dass sich die CO2-Konzentration in der Atmosphäre von einem vorindustriellen Niveau von etwa 280 ppm auf einen gegenwärtigen Wert von etwa 398 ppm ansteigen lassen (z.B. Scripps Institution of Oceanography (SIO), Atmospheric carbon dioxid record from Mauna Loa). Das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) ist der Ansicht, dass es sehr wahrscheinlich einen Zusammenhang zwischen der erhöhten Konzentration von CO2 in der Atmosphäre und dem zu beobachtenden Klimawandel gibt. Oliver et al. von der Netherlands Environmental Assessment Agency schreiben, dass im Jahr 2010 weltweit 33 Milliarden Tonnen CO2 in die Atmosphäre emittiert wurden, ein Anstieg von mehr als fünf Prozent im Vergleich zum Ausstoss im Jahr 2009. Im Hinblick auf die sich verbessernden Lebensbedingungen in bevölkerungsreichen Schwellenländern und den verhältnismässig geringen Preis fossiler Energieträger, vor allem Kohle, erwartet der World Energy Outlook von 2009 einen weiteren Anstieg der jährlichen CO2-Emissionen auf etwa 40 Milliarden Tonnen im Jahr 2030.

CO2 Capture and Storage (CCS)
Diese Prognosen belegen die Dringlichkeit der Entwicklung und Implementierung von Technologien, welche eine Reduzierung der Treibhausgasemissionen, im besonderen CO2, in die Atmosphäre ermöglichen. In diesem Zusammenhang gilt das sogenannte CO2 Capture and Storage (CCS)-Konzept als eine mögliche mittelfristige Lösung. Im CCS-Konzept wird an grossen Punktquellen, beispielsweise fossilen Kraftwerken oder Zementwerken, CO2 vom Abgasstrom abgetrennt. Hierbei ist anzumerken, dass der Anteil von CO2 im Abgasstrom eines Kohlekraftwerks nur ungefähr 15 Volumenprozent ist. Der Rest ist großenteils Stickstoff und unverbrannter Sauerstoff.  Das abgetrennte Kohlendioxid kann komprimiert und beispielsweise in geeigneten geologischen Formationen (z.B. saline Aquifere) gelagert werden. Ein Problem im Zusammenhang mit dem CCS-Konzept ist, dass die derzeitigen Kosten für die grosstechnische CO2-Abtrennung  mittels Aminwäsche wahrscheinlich untragbar hoch sind. Deshalb gibt es momentan viele Forschungsprogramme, welche darauf abzielen, kostengünstigere Methoden zur CO2-Abtrennung zu entwickeln.

Kalzium-Looping Verfahren
Eine dieser möglicherweise zukunftsweisenden Technologien ist das sogenannte Kalzium-Looping-Verfahren, welches auf der reversiblen chemischen Reaktion CaO (s) + CO2 (g)  CaCO3 (s) beruht. Die theoretisch sehr hohe CO2-Aufnahme von CaO (0.79 g CO2 / g CaO) und die hohe Temperatur der exothermen CO2-Sorptionsreaktion machen Kalzium-Looping zu einer vielversprechenden Methode zur effizienten CO2-Abtrennung. Das benötigte Kalziumoxid kann relativ kostengünstig aus natürlichen Quellen, beispielsweise Kalkstein, gewonnen werden. Techno-ökonomische Analysen z.B. von den Gruppen um Prof. Epple (TU Darmstadt) oder Prof. Anthony (Cranfield University) konnten die wirtschaftliche Attraktivität des Kalzium-Looping-Prozesses demonstrieren. Ein gravierender Nachteil von CaO, welches aus Kalkstein gewonnen wird, ist die sehr schnelle Abnahme seiner CO2-Aufnahmefähigkeit mit der Anzahl der Regenerationszyklen. Der Grund hierfür liegt in extremen, sinter-induzierten morphologischen Änderungen von CaO während wiederholter Sorptions-/Regenerationszyklen.

Neue Materialien für das Kalzium-Looping Verfahren
Unserer Gruppe gelang vor kurzem ein grosser Durchbruch auf diesem Gebiet. Mit Hilfe von nasschemischen Sol-Gel-Prozessen ist es unserer Forschungsgruppe gelungen, die Morphologie von CaO durch die minimale Zugabe von Al2O3 effektiv zu stabilisieren. Die entwickelten CO2-Sorptionsmaterialien übertrafen die zyklische CO2-Aufnahme von Kalkstein um 100 Prozent. Die sinter-resistente Porenstruktur des Materials wurde nachfolgend durch die Einbettung von Masken (engl. Templates) von mikrometerkleinen Kohlenstoffkügelchen weiter optimiert. Das beste Material hat nun eine CO2-Aufnahme von 0.56 CO2/g Sorptionsmittel und übertrifft Kalkstein um 180 Prozent.

Weitere Arbeiten und Ausblick
Allerdings sind noch weitere umfangreiche Arbeiten erforderlich. So muss beispielsweise die mechanische Stabilität der Sorptionsmittel noch erheblich verbessert werden, um den mechanischen Kräften, welche in industriellen Wirbelbetten auftreten, zu widerstehen. Weiterhin muss der Einfluss von typischen Nebenkomponenten im Abluftstrom, beispielsweise SO2 oder Wasserdampf, auf die Stabilität der Materialien untersucht werden.
Da die Möglichkeit besteht, dass der Ausstoss von CO2 „zu spät“ merklich reduziert werden kann, ist es durchaus denkbar, dass effiziente Prozesse für die direkte Abtrennung von CO2 aus der Atmosphäre notwendig werden. Ein weiteres interessantes Forschungsfeld in dieser Hinsicht ist auch die Verwendung von CO2 zur grosstechnischen Herstellung von Brennstoffen oder Chemikalien, um die zurzeit unpopuläre Lagerung in geologischen Formationen zu vermeiden.

Bild: ETH ZürichMueller_Christoph_colA4Autor: Prof. Dr.-Ing. Christoph Müller
Assistenzprofessor an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich ETH, Institut für Verfahrenstechnik

Bild: Thomas Ernsting / LAIFChemie_Glaszylinder_Maenner_blau

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