Das Prinzip zur Herstellung des Materials, das Kohlekraftwerke künftig dazu verwenden könnten, um Kohlendioxid aus Abgasströmen zu filtern, entwickelte Rainer Filitz, Masterstudent am Institut für Energietechnik, in nur sechs Monaten. «Nach der ganzen Theorie im Studium bot mir dieses Projekt die Möglichkeit, das Reagenzglas selbst in die Hand zu nehmen», sagt Filitz.

Filitz, der an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen Wirtschaftsingenieurwesen studierte, erarbeitete sich das notwendige chemische Fachwissen zügig. Mit der Unterstützung der Gruppe von Christoph Müller, Professor am Institut für Energietechnik, tüftelte er an der Herstellung des Materials. Als Vorbild aus der Natur diente den ETH-Forschenden Dolomit, ein zu gleichen Teilen aus Magnesium- und Kalziumkarbonat bestehendes Gestein.

Poren filtern CO2

Durch erstmaliges Erhitzen des Dolomitgesteins auf rund 850 Grad Celsius verwandelt sich das Magnesium- und Kalziumkarbonat in Magnesium- beziehungsweise Kalziumoxid. Bei einer Temperatur von 650 bis 750 Grad Celsius reagiert Kalziumoxid mit CO₂ und bindet es. Wird das Gestein danach erneut auf 850 bis 950 Grad Celsius erhitzt, kehrt sich die Reaktion um. Dabei wird Kohlendioxid in reiner Form frei.

Wesentlich für diese «Filterleistung» sind die zahlreichen Poren des Dolomits. Dieses Porenvolumen reduziert sich über viele Reaktionszyklen nur geringfügig, da das im Gestein enthaltene Magnesiumoxid wie ein stabilisierendes Gitter wirkt. Deshalb kann Dolomit über viele Zyklen Kohlendioxid aufnehmen und wieder abgeben.

Zweiter Anlauf glückte

Die Krux ist, dass Dolomit wegen seines hohen Magnesiumgehalts nur eine relativ geringe Menge Kohlendioxid pro Gramm Gestein absorbieren kann. Das Magnesiumoxid ist allerdings wegen seines hohen Schmelzpunktes für die Stabilität unabdingbar. Für die Kohlendioxid-Absorption ist es hingegen nutzlos und damit unnötiger Ballast. Da die Reaktionen bei 650 bis 750 beziehungsweise 850 bis 950 Grad Celsius stattfinden, bedeutet jedes zusätzliche Gramm Material, das erhitzt werden muss, einen grossen energetischen Aufwand.

Rainer Filitz gelang es, ein Gesteinspulver zu synthetisieren, das sich gegenüber Temperaturveränderungen so stabil verhält wie Dolomit. Gleichzeitig enthält das Pulver aber rund 30 Prozent mehr Kalziumoxid und absorbiert dadurch eine deutlich grössere Menge Kohlendioxid. Die Kunst lag darin, die Parameter bei der Materialsynthese richtig zu setzen. Das Gesteinspulver entsteht durch eine Fällungsreaktion in wässriger Lösung. Indem ein Fällungsmittel zugegeben wird, bilden die gelösten Magnesium- und Kalziumionen schwerlösliche Carbonate und Hydroxide in kristalliner Form.

Die Wahl des Fällungsmittels, des Säuregrades sowie die Dauer der Kristallisationszeit haben einen wesentlichen Einfluss auf die Eigenschaften der gebildeten Kristalle. Der erste Versuch mit Natriumcarbonat als Fällungsmittel liess separate, stabförmige Magnesiumkristalle und flockenartige Kalziumkristalle entstehen. Schon beim zweiten Anlauf - die Forscher setzten auf eine Kombination aus Ammoniumkarbonat und Ammoniak als Fällungsmittel - glückte das Experiment und es bildete sich die dolomit-ähnliche, stabile Kristallstruktur. «Dazu gehörte auch eine gewisse Portion Zufall», sagt Müller.

Existierende Methoden sind unbefriedigend

Der wesentliche Nachteil der Kohlendioxid-Abtrennung ist, dass sie das CO₂-Problem nicht nachhaltig löst. Das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) erwartet, dass der Verbrauch von Kohle in den nächsten 20 Jahren um ungefähr 80 Prozent steigen wird. Brückentechnologien, zu denen auch das an der ETH entwickelte Gesteinspulver gehört, könnten dazu beitragen, die schädlichen Konsequenzen der Kohleverbrennung wenigstens zu reduzieren. Um mittelfristig die Klimaziele zu erreichen, könnte damit das Kohlendioxid aus Abgasströmen von fossil befeuerten Kraftwerken herausgefiltert werden. In reiner Form kann das Treibhausgas unter der Erde gelagert werden.

Die gegenwärtig verfügbare Technologie, mit der Kohlendioxid aus Abgasströmen gefiltert wird, ist die Aminwäsche. Aminverbindungen absorbieren Kohlendioxid ebenfalls umkehrbar, allerdings ist dieses Verfahren äusserst energieintensiv, weshalb es dazu Alternativen braucht, wie das Gesteinspulver.

Diese Technologie kann sich jedoch nur dann im grossen Massstab durchsetzen, wenn sie kostengünstiger ist als die Aminwäsche oder andere vergleichbare Prozesse. Müller plant deshalb eine Kollaboration mit Gruppen, die auf techno-ökonomische Analysen spezialisiert sind. Es müsse jetzt ein Kompromiss zwischen der Effektivität des Absorptions-Prozesses und den dafür anfallenden Kosten gefunden werden, sagt Müller.

Abtrennung nicht CO2-neutral

Die Abtrennung des Kohlendioxids ist kein CO₂-neutraler Vorgang. Während die Reaktion zwischen Kalziumoxid und Kohlendioxid Wärme freisetzt, muss für die Rückreaktion, die das Gas in reiner Form freisetzt, Energie in Form von Wärme bereitgestellt werden. Mit seinem Team hat Müller aber eine elegante Methode gefunden, um die nötige Reaktionswärme so zu generieren, dass das dabei gebildete Kohlendioxid immerhin direkt in reiner Form gewonnen werden kann.

Literaturhinweis

Filitz R., Kierzkowska A.M., Broda M. and Müller C.R. Highly Efficient CO₂ Sorbents: Development of Synthetic, Calcium-Rich Dolomites. Environmental Science & Technology 2012 46 (1), 559-565. DOI: 10.1021/es2034697

Kierzkowska A.M. and Müller C.R. Development of calcium-bases, copper-functionalised CO₂ sorbents to integrate chemical looping combustion into calcium looping. Energy & Environmental Science 2012, DOI: 10.1039/C2EE03079A