Neuigkeiten aus dem Forschungslabor

Aenert. Neuigkeiten aus dem Forschungslabor
Angesichts der drohenden Klimakrise, mit der wir derzeit konfrontiert sind, ist es von größter Bedeutung, eine praktikable Lösung zur Eindämmung des schädlichen Einflusses von CO₂-Emissionen zu finden. In diesem Zusammenhang scheint die Abscheidung von Kohlendioxid und deren tief unter die Erde zu pumpende Technologie mittels geologischer Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS) eine wesentliche Lösung zur Erreichung der Ziele der CO₂-Neutralität zu sein. Der klassische Ansatz zur geologischen Speicherung von CO₂ erfolgt in überkritischer Form, wobei das CO₂ stark komprimiert ist und die Speicherung von mehreren Millionen Tonnen CO₂ pro Jahr ermöglicht. Allerdings handelt es sich hierbei um einen komplexen Prozess hinsichtlich der technischen und wirtschaftlichen Machbarkeit (Wahl des Reservoirs, Haltbarkeit der Lagerung, Dichtheit, Transport des CO₂ zur Injektionsstelle), der nicht unbedingt für Anlagen geeignet ist, die nur geringe Mengen CO₂ ausstoßen das Gas. Außerdem ist es keine leichte Aufgabe, dafür zu sorgen, dass das Kohlendioxid gut von der Atmosphäre getrennt bleibt.

Jetzt (2023) haben Wissenschaftler der Sandia National Laboratories ein Gerät entwickelt und unter Laborbedingungen getestet, das den Temperaturunterschied nutzt, der durch das periodische Pumpen von Kohlendioxid in ein Bohrloch entsteht, um Batterien aufzuladen. Die Wärme, die von der heißen Erde durch das Gerät zum kühleren Kohlendioxid fließt, erzeugt eine Spannung, die zum Laden einer Batterie und schließlich zum Betreiben von Sensoren verwendet werden kann. Das von Sandia entwickelte Gerät funktioniert auf ähnliche Weise wie die thermoelektrischen Radioisotop-Generatoren, mit denen NASA-Raumsonden und Mars-Rover angetrieben werden. Es bildet eine mehrschichtige Röhre, die aus einer Reihe quadratischer thermoelektrischer Generatoren von 1 x 1 Zoll besteht, die die durch sie fließende Wärme in Spannung und dann in Strom umwandeln können. Das Innenrohr ist widerstandsfähig und hält den Temperaturen und Drücken des durch das Rohr gepumpten Kohlendioxids stand, während das Außenrohr den Temperaturen und Drücken tief unter der Erde standhält. Im Bereich zwischen Außen- und Innenrohr befindet sich die Elektronik, die die Spannung der thermoelektrischen Generatoren erfasst und zum Laden einer Batterie umwandelt.

Außerdem wurde eine kleine Leiterplatte entworfen, deren Zweck darin bestand, die Energie der Generatoren umzuwandeln und zu regulieren, damit eine Batterie ohne schädliche Überspannungen aufgeladen werden konnte. Die Herausforderung bestand darin, Batterien zu finden, die oberhalb von 71 Grad Celsius arbeiten können, der typischen Temperatur im Bohrloch in den Tiefen, die zur Kohlenstoffbindung genutzt werden.

Die Stromerzeugung wurde im Labor anhand des ersten, fußlangen Prototyps getestet. Mithilfe von Wärmebildern und Computermodellen konnten wir uns außerdem ein Bild davon machen, wie sich die Temperatur rund um das Gerät veränderte, wenn heiße oder kalte Flüssigkeit durch das Gerät floss. Die Modellierung und Tests spielten eine wichtige Rolle bei der Verfeinerung des Prototyps für einen Feldtest.

Im zweiten Prototyp installierte das Team mehrere Verbesserungen, um sicherzustellen, dass die thermoelektrischen Generatoren guten Kontakt mit der Innen- und Außenhülle hatten und dass die Wärme nicht um die Generatoren herum in den Rest des Geräts gelangen konnte. Für den Feldtest-Prototyp wurden Wärmeisolatoren rund um das Gerät angebracht und die Wärmeleitungs-Metallschrauben, die die thermoelektrischen Generatoren mit federbasierten Klammern zusammenhalten, ersetzt.

Für den ersten Feldtest wurde der Prototyp bis zu einer Tiefe von etwa 19 Metern in ein flaches Bohrloch eingeführt. Anschließend wurde 170 Grad warmes Wasser durch das Innenrohr des Geräts gepumpt, um die thermoelektrischen Generatoren und das System zu testen. Während des Tests trat ein Leck am Gerät auf, wodurch die Stromversorgungsplatine und der Akku beschädigt wurden. Der zweite Test, eine Wiederholung des ersten, war jedoch ein Erfolg. Schließlich wurde auch die Fähigkeit des Feldprototyps getestet, Hochdruckumgebungen zu überstehen. Auf die Innenhülle des Geräts wirkten Drücke des 400-fachen Atmosphärendrucks und auf die Außenhülle des Geräts Drücke des 34-fachen Atmosphärendrucks. Das Gerät in der Druckkammer wurde aufgeheizt und der Strom der thermoelektrischen Generatoren gemessen, um sicherzustellen, dass sie unter Druck arbeiteten.

Wissenschaftler versuchen seit langem, die schädlichen CO₂-Emissionen bei der Kohlenwasserstoffproduktion zu verringern. Im Jahr 2020 entwickelten sie eine umweltfreundliche Technologie zur Kohlenstoffabscheidung und -umwandlung, die Skalierbarkeit und Wirtschaftlichkeit zur Reduzierung der CO₂-Emissionen bot. Suspensionen aus flüssigem Galliummetall wurden verwendet, um CO₂ bei nahezu Raumtemperatur in kohlenstoffhaltige feste Produkte und O₂ zu reduzieren. Die unpolare Natur der flüssigen Gallium-Grenzfläche war dafür verantwortlich, dass die festen Produkte sich sofort ablösten und die aktiven Stellen zugänglich blieben. Der solide Co-Contributor aus Silber-Gallium-Stäben ermöglichte einen zyklischen nachhaltigen Prozess. Als Input diente mechanische Energie, die nanodimensionale triboelektrochemische Reaktionen auslöste. Es wurde auch festgestellt, dass durch Änderung des sekundären Lösungsmittels und Änderung der Reaktorhöhe die Auflösungs- und Umwandlungseffizienz geändert werden konnte. Die optimale Reaktorhöhe betrug 27 cm, wenn als Reaktionsmaterial ein Gallium/Silberfluorid-Gemisch im Massenverhältnis 7:1 verwendet wurde. Bei einem CO₂-Eintrag von ~8 sccm wurde ein Wirkungsgrad von 92 % erreicht, wobei für die Abscheidung und Umwandlung einer Tonne CO₂ eine rekordverdächtige Energieeinspeisung von 228,5 kW∙h erforderlich war.

Image: Schematics and Raman spectra of solid carbon produced from CO₂ using liquid metal. a-d, Schematic illustrations for the preparation of a suspension of catalyst (a,b) and the CO₂ reduction process using different mechanical energy inputs (c,d). e, Schematic illustration of the formation and detachment of carbon flakes on the surface of Ga droplets in the presence of the solid rods. f-k, Raman spectra of the samples obtained from the reaction mixes of Ga with different silver salts as precursors in DMF: AgF (f, versus time), AgCl (g), AgBr (h), AgI (i), AgOTf (j) and AgNO3 (k). The D and G bands at 1350 and 1600 cm^-1, respectively, emerged after the reactions occur. l,m, Raman spectra (versus time) from the surface of mixtures from the 10-times diluted reaction system (Ga and AgF mix) by employing DMF (l) and DMF+ETA (m) as the reaction solutions. The blue and red curves in f-m are Raman spectra for the samples before and after reaction, respectively



Source: Junma Tang, Jianbo Tang, Mohannad Mayyas, Mohammad Bagher Ghasemian/ Mechanical energy-induced CO₂ conversion using liquid metals/ University of New South Wales, November 2020/ DOI:10.21203/rs.3.rs-112257/v1/ Open Source This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Im Jahr 2023 konstruierten Wissenschaftler ein elektrochemisches Umwandlungssystem, das aus einem Protonen-Bikarbonat-CO₂-Massentransportmanagement in Verbindung mit einer In-situ-Kupfer (Cu)-Aktivierungsstrategie besteht, um eine hohe CH₄-Selektivität bei hohen Strömen zu erreichen. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass Cu-Elektroden mit offener Matrix eine ausreichende lokale CO₂-Konzentration beibehielten, indem sie sowohl gelöstes CO₂ als auch in situ erzeugtes CO₂ aus dem Bikarbonat kombinierten. Die In-situ-Cu-Aktivierung wurde durch einen Wechselstrombetrieb erreicht und machte den Katalysator hochselektiv gegenüber CH₄. Die Kombination dieser Strategien ermöglichte einen CH4-Faraday-Wirkungsgrad von über 70 % in einem weiten Stromdichtebereich (100 – 750 mA cm⁻²), der bei einer Stromdichte von 500 mA cm⁻² mindestens 12 Stunden lang stabil blieb. Das System lieferte außerdem eine CH₄-Konzentration von 23,5 % im Gasproduktstrom.

Image: Modeling reaction environment and CO₂ availability a Schematic illustration of the aqueous solution-fed ECR system using porous Cu cathode, Ni foam anode and bipolar membrane (BPM). b Schematic of modeled domain with key physics annotated. c CO₂ flux components at three current densities, 250, 500, and 750 mA cm⁻² for dense matrix and open matrix catalysts with N₂ sparging or CO₂ sparging. 0.3 M KHCO₃ was used as an electrolyte for all modeling. d Modeled CH₄ FE as a function of current density for a dense matrix catalyst (solid lines) and open matrix catalyst (dashed lines) with CO2 sparging and N₂ sparging



Source: Cornelius A. Obasanjo, Guorui Gao, Jackson Crane, Viktoria Golovanova/ High-rate and selective conversion of CO₂ from aqueous solutions to hydrocarbons/ Nature Communications 14(1), June 2023/ DOI:10.1038/s41467-023-38963-y/ Open Source This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Das Gerät bietet mehrere potenzielle Vorteile: In den thermoelektrischen Radioisotopengeneratoren der NASA wird der Temperaturunterschied zwischen heißen Plutoniumpellets und der Kälte des Weltraums zur Stromerzeugung genutzt. Sandias thermoelektrisches Generatorgerät nutzt den Temperaturunterschied zwischen dem heißen Erdboden und dem nach unten gepumpten Kohlendioxid. Auch wenn die Technologie bei der Stromerzeugung nicht so effizient ist wie der Verbrennungsmotor in Autos, liegt ihr größter Vorteil darin, dass sie keine beweglichen Teile hat, die blockieren könnten, was sie für schwer zugängliche Orte wie den Weltraum und tiefe Bohrlöcher geeignet macht . Schließlich gelang es den Wissenschaftlern, bei begrenzter Stromaufnahme ausreichend Strom zu erzeugen, um Bohrlochsensoren mit Strom zu versorgen.

Zukünftige Pläne sehen vor, das Gerät über längere Zeiträume zu testen. Dafür wäre mehr Speicher nötig und das Power-Conditioning-Board müsste umgebaut werden, damit es mit höheren Temperaturunterschieden arbeiten kann. Außerdem müsste eine Diode hinzugefügt werden, damit die Platine den Akku unabhängig davon laden kann, ob heiße oder kalte Flüssigkeiten durch das Gerät fließen. Außerdem müssten Forscher im Bohrlochsensoren sicherstellen, dass die Stromversorgungsplatine die richtige Energie für die Sensoren bereitstellen kann. Im Erfolgsfall könnte ein nützliches Gerät zur Minderung der schädlichen Auswirkungen des bei Produktionsprozessen freigesetzten CO2 zum Klimaschutz beitragen.

Von der Redaktion