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CO₂ aus dem Ozean könnte klimaneutrale Mobilität ermöglichen |
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| Schwimmende Kraftwerke: Kohlendioxid aus dem Ozean recyceln |
Riesige schwimmende Solarinseln auf dem Meer, die genügend Energie produzieren, um einen CO₂-neutralen globalen Güterverkehr zu ermöglichen - was wie «Science Fiction» klingt haben Forschende der ETH Zürich, des Paul Scherrer Instituts (PSI), der Empa, der Universitäten Zürich, Bern und der National University of Science and Technology (NTNU) Trondheim nun erstmals durchgerechnet, wie sie in der jüngsten Ausgabe der Fachzeitschrift «Proceedings of the National Academy of Sciences» (PNAS) schreiben.
Papier, Blechdosen, Glas - die Welt recycelt so viel wie nur irgendwie möglich. Warum also nicht auch das Treibhausgas Kohlendioxid (CO₂) zum Recyclingprodukt erklären? Denn flüssige Kraftstoffe auf Kohlenstoffbasis könnten auch in Zukunft eine wichtige Rolle spielen, idealerweise ohne dass zusätzliches CO₂ das Klima weiter aufheizt. Wenn es also gelingt, ausgeschiedenes CO₂ aus der Umwelt zurückzugewinnen und erneut zu nutzen, erhält man einen CO₂-neutralen Treibstoff und Energieträger.
Forschende der ETH Zürich, des PSI und der Universitäten Zürich, Bern und der Norwegischen Universität für Forschung und Technologie (NTNU) haben gemeinsam mit einem Team der Empa diese Idee durchgerechnet. In ihrer Studie, die in der jüngsten Ausgabe der Fachzeitschrift «Proceedings of the National Academy of Sciences» (PNAS) erschienen ist, zeigen sie auf, das solare Methanol-Inseln langfristig genügend Treibstoff produzieren könnten, um die gesamte Mobilität CO₂-neutral zu gestalten - weltweit. Inmitten der Ozeane soll aus Solarenergie (und Wasser) Wasserstoff (H₂) hergestellt werden, der dann vor Ort mit aus dem Meerwasser gewonnenen CO₂ zu Methanol umgewandelt wird. Dazu analysierten die Forschenden detailliert ein Szenario, das zwar noch rein hypothetisch scheint, aber bereits die Planungsgrundlagen für eine mögliche Umsetzung bietet.
Massiver globaler Einsatz nötig
Der Beitrag der Universität Bern bestand darin, abzuschätzen, wie sich die atmosphärische CO₂ Konzentration und die globale mittlere Temperatur unter dem Einsatz von solarer Methanolproduktion entwickelt könnte. Dafür wurden verschiedeneSzenarien für die CO₂ Emissionen mit und ohne Einsatz von solarer Methanolproduktion im Berner Klimamodell durchgerechnet. Im Basisszenario ohne solare Methanolproduktion erhöht sich die globale Temperatur kontinuierlich und der Anstieg überschreitet 3,3 Grad Celsius im Jahr 2150. Ein massiver Einsatz der schwimmenden Solaranlagen könnte die CO₂-Emissionen in rund 50 Jahren auf Netto Null reduzieren und den globalen Temperaturanstieg deutlich unter 3 Grad Celsiusstabilisieren. Wie Mitautor Fortunat Joos von der Abteilung für Klima- und Umweltphysik an der Universität Bern festhält: «Die schwimmenden Solaranlagen könnten einen wichtigen und innovativen Beitrag zumKlimaschutz leisten. Ihr Einsatz alleine wird aber nicht genügen um das Klimaziel des Abkommens von Paris zu erreichen.»
Aus Sonne wird Strom, daraus wird Wasserstoff und später Methanol
Ausgangspunkt der Idee sind Solarinseln, also schwimmende Plattformen, ausgestattet mit Photovoltaikanlagen. Da aber Solarstrom nicht gespeichert und von dort nur schlecht abtransportiert werden kann, macht ein Solarkraftwerk auf dem Meer keinen Sinn. Allerdings kann man aus Kohlendioxid CO₂ und Wasserstoff H₂ flüssiges Methanol (CH3OH), aber auch gasförmiges Methan (CH4) herstellen. Die Ausgangsstoffe könnten also direkt aus dem Ozean gewonnen beziehungsweise dort hergestellt werden, so die Idee der Forschenden.
Es existieren bereits grosstechnische «Power-to-Gas»-Anlagen, die Wasserstoff und CO₂ zu Treibstoff umwandeln - unter anderem die Demonstrationsplattform «move» auf dem Empa-Campus in Dübendorf. Daher stellt sich die Frage: Warum damit aufs Meer? Warum nicht, wie dies bestehende Anlagen tun, das CO₂ aus der Luft gewinnen? Die Antwort ist simpel: Die dafür benötigte Anlagenfläche für eine weltweite Versorgung von Treibstoff wäre gewaltig. «Eine Fläche von rund 170'000 km² wäre nötig, um den jährlichen Bedarf für den globalen Güterverkehr zu produzieren», erklärt Andreas Borgschulte von der Empa-Abteilung «Advanced Analytical Technologies». Das liesse sich am ehesten durch Solaranlagen auf dem Meer realisieren; bislang ungenutzte Fläche, die niemandem gehört. Auch auf dem Meer kann man das CO₂ aus der Luft gewinnen; eine attraktive - und erst noch naheliegende - Alternative wäre aber, die rund 125-mal höhere CO₂-Konzentration des Meerwassers für die «Kohlendioxidernte» auszunutzen.
Mehr Möglichkeiten für Methanol
In bestehenden Anlagen wird das aus der Atmosphäre gewonnene CO₂ meist zur Herstellung von Methan verwendet, was auch auf den Solarinseln möglich wäre. Im Rahmen ihrer Überlegungen entschieden sich die Forschenden allerdings für die Herstellung eines flüssigen Brennstoffs, da sich dieser besser transportieren lässt. Ausserdem kann Methanol nicht nur als Treibstoff eingesetzt werden, sondern auch zur Herstellung weiterer chemischer Produkte, etwa Vorprodukte für die Polymerherstellung. Die Möglichkeiten für dessen Verwendung (und den damit erzielbaren Gewinnen) sind also wesentlich höher.
Eine solche «Methanol-Insel» hat jedoch ihren Preis: Rund 80 Millionen US-Dollar würde der Bau einer solchen Chemiefabrik auf dem Ozean kosten. Diese bestünde aus rund 70 Photovoltaikinseln mit einem Durchmesser von rund 100 m² und einem Schiff mit den Elektrolyse- und Syntheseanlagen. Insgesamt ergäbe dies eine Fläche von rund 550'000 m². Doch ein einzelner Cluster genügt bei weitem nicht, um eine Null-Bilanz von CO₂ zu erreichen. Insgesamt 170'000 solcher Inseln wären nötig, um so viel CO₂ zu recyceln, wie zurzeit ausgestossen wird - ein utopisches Ziel, aber eines, das es sich zu verfolgen lohnt. «Grosse Ideen sind notwendig - Bullerbü-Lösungen versorgen nur Bullerbü, aber nicht den Rest der Welt», so Borgschulte.
Die Empa forscht seit längerem an Wegen, Strom aus erneuerbaren Ressourcen nicht nur zu speichern, sondern auch in flüssigen oder gasförmigen Treibstoff umzuwandeln. Dazu befindet sich auf dem Empa-Campus in Dübendorf unter anderem die Demonstrationsplattform «move». Dort wird Solarstrom mit Hilfe von Elektrolyse in Wasserstoff verwandelt, um damit Wasserstoff-Fahrzeuge zu betanken. Ebenfalls entsteht dort synthetisches Erdgas, das in Erdgasfahrzeugen zum Einsatz kommt. Empa-Forscher Andreas Borgschulte arbeitet mit seinem Team an Möglichkeiten, diese Technologien weiter zu verbessern.
Originalarbeit:
BD Patterson, F Mo, A Borschulte, M Hillestad, F Joos, T Kristiansen, S Sunde, JA van Bokhoven; Renewable CO₂ recycling and synthetic fuel production in a marine environment; 2019; PNAS; DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1902335116
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| Quelle: Text Cornelia Zogg,
Empa, 4. Juni 2019 |
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