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Batteriechemie könnte CO₂-Abscheidung aus der Luft verbilligen
Direkte CO₂-Abscheidung aus der Luft verbraucht bislang viel Energie, vor allem wenn das gebundene Gas durch Wärme wieder freigesetzt wird. Eine elektrochemische Zelle mit Nickelhydroxid-Elektroden kommt in einem größeren Teststack auf 0,83 Megawattstunden Strom pro Tonne CO₂. Die Autoren skizzieren einen möglichen Weg zu Abscheidekosten unter 100 US-Dollar pro Tonne, doch diese Kosten sind bislang nur projiziert.
Tel Aviv (Israel). Bei der direkten Luftabscheidung, kurz Direct Air Capture (DAC), muss Kohlendioxid aus einem Gasgemisch herausgeholt werden, in dem es nur in sehr geringer Konzentration vorkommt. Viele etablierte Verfahren binden das CO₂ zunächst an ein Material und setzen es anschließend durch Erwärmen wieder frei, wobei gerade dieser Regenerationsschritt erheblich zum Energiebedarf beiträgt.
Elektrochemische Verfahren versuchen stattdessen, die nötige chemische Trennung mit Strom anzutreiben, indem sie einen Unterschied im pH-Wert zwischen zwei Seiten einer Membran erzeugen. Dieser Unterschied verschiebt das chemische Gleichgewicht so, dass CO₂ auf einer Seite gebunden, durch die Membran transportiert und auf der anderen Seite wieder als konzentriertes Gas freigesetzt werden kann.
Forscher der University of Delaware (UD) um Professor Yushan Yan, den korrespondierenden Autor der Studie, haben dafür eine symmetrische Zelle mit zwei Nickelhydroxid-Elektroden und einer Hydroxid-Austauschmembran entwickelt. An der Kathode wird Nickeloxyhydroxid zu Nickelhydroxid reduziert, während an der Anode die umgekehrte Reaktion abläuft, sodass Hydroxid-Ionen entstehen beziehungsweise verschwinden und sich der für die CO₂-Trennung nötige pH-Unterschied aufbaut.
Weil beide Elektroden aus demselben Material bestehen, können ihre Rollen durch Umkehr der angelegten Spannung wechseln, während Nickelhydroxid selbst seit Jahrzehnten aus wiederaufladbaren Batteriesystemen bekannt ist.
„Nickelhydroxid wird seit vielen Jahren in wiederaufladbaren Batterien verwendet, deshalb gibt es dafür eine gut etablierte globale Lieferkette und wir wissen genau, wie es sich in einer elektrochemischen Zelle verhält“, sagt Prof. Yushan Yan.
Die Zelle arbeitet allerdings nicht verlustfrei, denn an der Anode konkurriert die gewünschte Nickelreaktion mit der Sauerstoffentwicklung, wodurch ein zusätzlicher Regenerationsschritt nötig wird. Solche Verluste bestimmen mit, wie viel elektrische Energie die CO₂-Abscheidung letztlich benötigt.
„Neu ist, zwei identische Elektroden daraus um eine Membran anzuordnen, sodass die Zelle auf der einen Seite CO₂ einfängt und auf der anderen freisetzt, wobei die vergleichsweise reversiblen Elektrodenreaktionen selbst nur sehr wenig Energie verbrauchen. Die verbleibenden Verluste sind technische Probleme mit bekannten Lösungen, sodass sie weiter verringert werden können“, erklärt Prof. Yushan Yan.
Im Labor untersuchte das Team zunächst Zellen mit 25 Quadratzentimetern aktiver Fläche, darunter eine für die Fertigung angepasste Variante, die mehr als 5.000 Stunden mit Umgebungsluft lief. Am Ende dieses Langzeittests lag ihr Energiebedarf bei rund 0,46 Megawattstunden pro Tonne abgeschiedenem CO₂. Dieser Wert beschreibt den Zustand am Testende und nicht den mittleren Energiebedarf über die gesamten 5.000 Stunden.
Für die Skalierung kombinierten die Forscher neun Zellen mit jeweils 300 Quadratzentimetern Fläche zu einem Stack. In einem 48-stündigen Versuch benötigte dieser Aufbau im Mittel 132 Kilojoule pro Mol CO₂, entsprechend 0,83 Megawattstunden pro Tonne. Der gemessene CO₂-Fluss entsprach 75 Kilogramm pro Quadratmeter und Jahr, während der Druckverlust unter 300 Pascal blieb und damit den zusätzlichen Strombedarf für das Bewegen großer Luftmengen begrenzen soll.