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Die Integration der CO2-Abscheidung in die CO2-Methanisierung zur Gewinnung von besserem Biogas

Da Biogas im Rahmen des natürlichen Kohlenstoffkreislaufs entsteht, könnte es erheblich zur Senkung von Treibhausgasemissionen beitragen. NTPleasure hat eine hybride Lösung mit Membrantrennverfahren und katalytischer Konvertierung entwickelt, um die CO2-Abscheidung und Methanproduktion effizienter zu gestalten.

Energie

Bei der Zersetzung organischer Abfälle wie Schmutzwasser und Deponiemüll, die man zusammenfassend als Biomasse bezeichnet, wird Biogas frei. Das Verfahren findet in Umgebungen ohne Sauerstoff als anaerobe Verdauung statt und setzt Biogas frei, das vor allem eine Mischung aus Kohlendioxid (CO2) und Methan ist. Die Verbrennung oder Konvertierung von Biogas stellt eine nachhaltigere Quelle von Energie und Chemikalien dar als fossile Brennstoffe. Es wird intensiv daran gearbeitet, die Trennung von CO2 vom Biogas zu ermöglichen, um angereichertes Biomethan herzustellen, das als Brennstoff für den Verkehr oder als Bausteine für andere Chemikalien verwendet werden kann. Das im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen geförderte, EU-finanzierte Projekt NTPleasure hat eine neuartige, ultradünne Zeolithmembran entwickelt, die zuverlässig CO2 trennt und abscheidet. Das Forschungsteam entwickelte auch eine Reihe äußerst aktiver und selektiver Katalysatoren zur Konvertierung von CO2 in Methan unter Niedrigtemperatur-Plasmabedingungen. Beide Entwicklungen führten zu einem integrierten Membranseparator und einem Plasmareaktorsystem, die eine überlegene Leistung bei der Kohlenstoffabscheidung und -verwendung bieten. „Unser System hat das Potenzial, sowohl die Verwendung von Biogas für Produkte mit hohem Mehrwert wie Methan und Methanol effizienter zu gestalten, als auch die Abscheidung von CO2 in Rauchgas für weitere Anwendungen zu verbessern“, so Xiaolei Fan, einer der Hauptforschenden des Projekts, der an der Universität Manchester im Vereinigten Königreich arbeitet.

Eine kombinierte Lösung für die CO2-Konvertierung

Metallorganische Gerüstverbindungen sind eine Klasse hybrider (organischer und metallischer) poröser Materialien, die in der Gasabsorption bzw.-abscheidung und Katalyse sehr vielseitig einsetzbar sind. Während metallorganische Gerüstverbindungen hervorragend für die Katalyse der CO2-Konvertierung geeignet sein können, können die widrigen Bedingungen in herkömmlichen thermischen Systemen sie zerstören. Die integrierte Innovation von NTPleasure konnte die Katalyse mithilfe von metallorganischen Gerüstverbindungen zur CO2-Methanisierung beinahe 70 Stunden lang unter normalen Druck- und Temperaturbedingungen aufrechterhalten. Die Lösung des Projekts kombinierte zwei Technologien miteinander: die Membrantrennung und die plasmaaktivierte katalytische Konvertierung von CO2. Ultradünne Zeolithmembranen trennten die Moleküle in der Zersetzungsphase des Gases ab, um CO2 abzuscheiden. Danach wurde dieses abgeschiedene CO2 direkt in einen katalytischen Reaktor unter normalen Druck- und Temperaturbedingungen eingespeist, um dort unter Verwendung verschiedener Katalysatoren, wie auf Zeolithen aufgebrachten Nickels und metallorganischer Gerüstverbindungen, der katalytischen Methanisierung unterzogen zu werden. Eine Hochspannungsentladung erschuf dabei ein sogenanntes „nichtthermisches Plasma“ – eine äußerst leitfähige, gasförmige Substanz. Diese elektrische Entladung regt die CO2- und Wasserstoffmoleküle in der Gasphase an, sodass sie ihre Bindungen trennen und anschließend leicht mit der Katalysatoroberfläche reagieren. Erprobungen ergaben, dass das hybride System des Teams erfolgreich eine Kohlenstoffabscheidungseffizienz von etwa 91,8 % bei einer Kohlenstoffverwendungseffizienz von etwa 71,7 % erreichte. Darüber hinaus konnte der integrierte Prozess auch für die Kohlenstoffabscheidungsverwendung genutzt werden und in einem 40-stündigen Belastungstest eine stabile Leistung zeigen. „Dieses integrierte Design, das die CO2-Abscheidung mit der CO2-Methanisierung bei Umgebungstemperatur verbindet, zeigt das Potenzial, die weitere Ausnutzung hochwertigen Biogases im industriellen Maßstab zu ermöglichen“, so Chris Hardacre, einer der Hauptforschenden des Projekts.

Zum Wohl des wirtschaftlichen Wohlstands und der Umwelt

Für die mehr als 17 000 Biogasanlagen in der Europäischen Union bietet die Technologie von NTPleasure eine Chance, die Qualität des erzeugten Biogases zu verbessern, sodass es besser als Ausgangsstoff verwendet und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen gesenkt werden kann. Nun da das Projekt einen Konzeptnachweis für die Technologie erbracht hat, sucht das Team nach weiteren Finanzmitteln, um dessen Potenzial ausweiten zu können. „NTPleasure hat unser Wissen über Materialien aus metallorganischen Gitterverbindungen und deren Interaktion mit Plasmen vertieft. Die Ergebnisse des Projekts eröffnen ein völlig neues Forschungsfeld, das diesen Werkstoffen zu einer Verwendung in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen verhelfen könnte, darunter bei der Wassergas-Shift-Reaktion, bei der Trockenreformierung von Methan mit CO2 zur Gewinnung von Synthesegas und bei katalytischen Stickstoffoxid-Reduktionen“, erklärt Fan.

Schlüsselbegriffe

NTPleasure, Biogas, Biomethan, Kohlendioxid, Brennstoff, Zeolith, Methanisierung, Katalysator, Plasma, Nickel, metallorganische Gitterverbindungen

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