- Ein Elektrolyseur zur direkten Umwandlung von CO2 in Propan wurde mit günstigen und leicht verfügbaren Materialien realisiert und zeigt Potenzial für die Reduzierung von Treibhausgasen sowie die Herstellung erneuerbarer Chemikalien auf
- Produktion von Propan, das aus drei Kohlenstoffatomen besteht, mit einem eigenständigen Katalysatorsystem auf Basis kostengünstiger Metalle und organischer Verbindungen
- Die bislang äußerst schwierige Umwandlung von CO2 in mehrkohlige Moleküle wurde durch Experimente und computergestützte Modellierung gelöst; Reaktionsaktivität und Selektivität des Katalysators wurden aufgeklärt
- Ein Continuous-Flow-Design überwindet die Grenzen herkömmlicher Batch-Verfahren und ermöglicht eine unterbrechungsfreie, skalierbare Propanproduktion
- Verbunden mit dem Ziel Netto-Null bis 2050 und unterstützt von Regierungsbehörden sowie einem globalen Propanunternehmen: ein Fortschritt für nachhaltige chemische Produktion
Überblick über den Elektrolyseur
- Forschende des Illinois Institute of Technology (IIT) haben einen Elektrolyseur entwickelt, der Kohlendioxid effizient in Propan umwandelt
- Realisiert mit günstigen und leicht verfügbaren Materialien
- Die Forschungsergebnisse wurden in Nature Energy veröffentlicht
- Bietet erhebliches Potenzial zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen und zur Herstellung erneuerbarer Chemikalien
- Der Forschungsleiter Mohammad Asadi: „Die Herstellung erneuerbarer Chemikalien ist sehr wichtig und der beste Weg, den Kohlenstoffkreislauf zu schließen, ohne auf die Chemikalien zu verzichten, die wir heute im Alltag nutzen“
Kerntechnologie — Katalysatorsystem
- Ein eigenständiges Katalysatorsystem, das kostengünstige Metalle und organische Verbindungen nutzt, ist der Kern der Innovation
- Propan ist ein weit verbreiteter Kraftstoff, der aus drei Kohlenstoffatomen besteht
- Die Umwandlung von CO2 in komplexe mehrkohlige Moleküle wie Propan galt bislang als äußerst schwierige Aufgabe
- Durch die Kombination von Experimenten und computergestützter Modellierung wurde geklärt, wie der Katalysator eine hohe Reaktionsaktivität und Selektivität für Propan erreicht
- Identifizierung zentraler Faktoren, die Leistung und Stabilität des Katalysators beeinflussen
Vorteile des Continuous-Flow-Designs
- Das Continuous-Flow-Elektrolyse-Design ist eine der wichtigsten Stärken dieser Technologie
- Ermöglicht eine unterbrechungsfreie und skalierbare Propanproduktion
- Überwindet die Grenzen bestehender CO2-Umwandlungssysteme im Batch-Verfahren
- Die Umsetzung eines Prototyps im Labormaßstab belegt den Willen, eine kommerziell realisierbare nachhaltige Energielösung zu entwickeln
Bedeutung und Zusammenarbeit
- Entspricht den nationalen Anstrengungen zur Erreichung von Netto-Null-Treibhausgasemissionen bis 2050
- Erhält positive Resonanz und Unterstützung von Regierungsbehörden wie der Advanced Research Projects Agency-Energy
- Zusammenarbeit mit dem globalen Propanunternehmen SHV Energy zur Optimierung und Verbreitung der Technologie
- Keith Simons von SHV Energy: „Ein spannender Fortschritt, der einen neuen e-Fuel-Pfad für die zweckgerichtete Propanproduktion für die weltweiten Nutzer dieses essenziellen Kraftstoffs eröffnet“
- Ein wichtiger Fortschritt hin zu nachhaltiger und erneuerbarer chemischer Produktion, verbunden mit dem Potenzial zur Reduzierung industrieller CO2-Emissionen
1 Kommentare
Meinungen auf Hacker News
Der eigentliche wissenschaftliche Inhalt ist dieser Teil: „Ein Katalysatorsystem aus mit einem Anionenaustausch-Ionomer beschichteten, 1-ethyl-3-methylimidazolium-funktionalisierten Mo3P-Nanopartikeln erzeugt in einem Elektrolyseur aus CO2 Propan, bei −0,8 V gegenüber der reversiblen Wasserstoffelektrode, über 100 Stunden mit einer Stromdichte von −395 mA cm−2 und einer Faraday-Effizienz von 91 %“
Das zeigt Reaktionsgeschwindigkeit, Effizienz und Zeitbereich, die fast zu gut klingen, um wahr zu sein, und kommerziell relevant sind.
Patente werden sie sicher schon angemeldet haben; wenn diese in 20 Jahren auslaufen, dürfte das meiner Meinung nach zur Standardmethode für die Verarbeitung von abgeschiedenem CO2 werden.
Wenn die Technik wirklich so wirksam ist und der Patentinhaber auch nur ein bisschen wirtschaftlich rational handelt, dürfte es eher der Patentinhaber sein, der sie lange vor Ablauf des Patents als Standard für die Verarbeitung von abgeschiedenem CO2 durchsetzt.
Patente sind kein System mit ausschließlich Vorteilen, aber in diesem Bild sind sie ein zu großer Faktor, um sie zu ignorieren.
Die Zusammenfassung behandelt Verfahren und Geräte, die Tri-Transition-Metal-Phosphide-Katalysatoren in Elektroden elektrokatalytischer Energieumwandlungszellen einsetzen, um Wasserstoffgas zu erzeugen.
Google Patents schreibt „M03P“, die PDF-Zusammenfassung sagt „MO3P“, und aus dem Text geht klar hervor, dass „Mo3P“ gemeint ist.
Auch wenn dieses Patent nicht exakt die aktuelle Technik abdeckt, zeigt ergänzende Abbildung 20, dass der ImF-Mo3P-Katalysator gegenüber „pristine Mo3P nanoparticles“ verbessert ist, und die Autoren haben mehrere einschlägige Patente; daher ist es sehr wahrscheinlich, dass auch diese Technik patentiert wurde.
Heute stammt konzentriertes CO2 fast vollständig aus dem Verbrauch fossiler Brennstoffe; wenn man es in Propan umwandelt und dann auf Schiffen oder in Heizkesseln verbrennt, nutzt man den Kohlenstoff zwar zweimal, aber am Ende gelangt er doch in die Atmosphäre.
Entscheidend ist die Gesamteffizienz aus Kohlenstoffabscheidung aus der Luft + katalytischer Propanproduktion + Propanverbrennung.
Für Prozesse, die zwingend Verbrennungswärme brauchen, oder wenn die Portabilität von Propan gegenüber Strom ein großer Vorteil ist, könnte sich die Rechnung aufgehen; außerdem könnte es als Stromspeicher zwischen erneuerbaren Energiequellen dienen.
Am Ende hängt alles von den Zahlen ab.
Wenn mein Auto zum Beispiel 100 kWh LPG verbrennt, würde mich interessieren, wie viele kWh Propan man aus dem Abgas zurückgewinnen kann und wie viele kWh Strom man dafür hineinstecken muss.
Es ist nicht klar, ob dieses Verfahren schon mit nur geringen CO2-Anteilen funktioniert oder ob es eine konzentrierte CO2-Atmosphäre ohne O2 braucht.
Die Extraktion von 0,4 % CO2 aus der Luft ist teuer.
Wenn man konzentriertes CO2 aus Quellen wie Hochöfen nutzen will, stellt sich auch die Frage, ob es direkt vor Ort verwendet werden muss, ob es über lange Pipelines transportiert werden muss oder ob man es in Flaschen abfüllen muss.
Außerdem frage ich mich, ob es Anwendungen gibt, die sich nicht elektrifizieren lassen und bei denen man unbedingt Propan verbrennen muss.
In Europa gibt es riesige Erdgasspeicher, um im Sommer Gas zu kaufen und es im Winter zum Heizen zu nutzen.
Man wird eine ähnliche Speicherform auf erneuerbarer Basis brauchen, und wenn man diese Speicher mit grünem Propan füllen könnte, wäre das großartig.
Man könnte die bestehende Heizungsinfrastruktur beibehalten und die sommerlichen Überschüsse aus Solarstrom hervorragend nutzen.
Ehrlich gesagt klingt es zu gut, um wahr zu sein.
Große Hochseeschiffe über die gesamte Strecke mit Batterien zu betreiben, ist nahezu unmöglich; mit LPG, faktisch einem Propan/Butan-Gemisch, ist es dagegen machbar.
Wenn zusätzliche chemische oder biotechnologische Verfahren entwickelt werden, um daraus größere Kohlenwasserstoffe aufzubauen, könnte es auch als Vorprodukt für synthetische Flugkraftstoffe dienen.
Es gibt heute sehr viele Dinge, die Propan verwenden, und es ist deutlich einfacher, ihnen erneuerbares Propan zu liefern, als sie alle auf Strom umzurüsten.
Elektrisch umgesetzt bräuchte man einen Anschluss mit 13k/220 = 60 A, also das Dreifache des hier üblichen Standards für Hausverkabelung.
Und ja, das ist zu niedrig, um sie sinnvoll als Quelle für diesen Prozess zu nutzen.
Was ist eigentlich aus der ähnlichen Ankündigung von Stanford aus dem Jahr 2019 geworden? https://news.stanford.edu/2019/10/17/new-catalyst-helps-turn-carbon-dioxide-fuel/
Ruthenium und Iridium sind als stabile Katalysatoren bekannt, gehören aber zu den seltensten Elementen.
Die Stanford-Struktur verwendete Ru, während dieses Paper offenbar nur reichlich verfügbare Materialien vorschlägt.
Wenn das in großem Maßstab nutzbar ist und die Stabilität nachgewiesen wird, wäre das ein wichtiger Fortschritt.
Ich frage mich, ob dieselbe Membran bzw. derselbe Katalysator auch für den umgekehrten Prozess genutzt werden könnte.
Also Propan mit Sauerstoff aus der Luft zu Wasser und CO2 oxidieren und dabei statt Wärme direkt Strom erzeugen, wodurch die Verluste stark sinken würden.
Falls das möglich ist, könnte das für Energiespeicherung große Bedeutung haben.
Die Energiedichte von Propan liegt bei 49,6 MJ/kg, während Lithium-Ionen-Akkus bei etwa 0,8 MJ/kg liegen – ein Unterschied von mehr als dem 50-Fachen.
Man erzeugt Strom mit Solarpanels, produziert mit diesem System Propan oder Strom und stellt für bewölkte Tage oder mehrere Wochen einen handelsüblichen großen Propantank auf.
Elektrolyseur-Reaktionen sind im Allgemeinen reversibel.
Wenn sie die Rückrichtung, also Wasser + Propan → CO2 + Wasserstoff + Strom, mit den behaupteten 91 % Effizienz erreichen könnten, ließen sich damit alle Gasturbinen-Generatoren ersetzen, deren maximaler Wirkungsgrad normalerweise bei etwa 60 % liegt.
Wenn sich nur das Problem lösen ließe, intermittierende erneuerbare Energie in Propan umzuwandeln und zu speichern, hätte man im Grunde schon gewonnen.
Wie hoch ist der typische Wirkungsgrad?
4 H2O + 3 CO2 <=> C3H8 + 5 O2Das eigentliche Paper: https://www.nature.com/articles/s41560-023-01314-8
Die lokalen Medien hier werden das wohl groß aufgreifen.
Denn mehr als 13 % der Pkw in der Umgebung sind Bifuel-Fahrzeuge, die sowohl Benzin als auch LPG – praktisch überwiegend Propan – nutzen, und auch Hybride werden mit LPG ausgestattet.
Trotzdem ist es lustig, dass es nach wie vor nur wenige Orte gibt, die solchen Fahrzeugen die Einfahrt in Tiefgaragen erlauben.
Mit Blick auf die Strompreise sehe ich keine Chance, dass es billiger als fossile Kraftstoffe wird, daher dürfte es sich im Automobilbereich nicht schnell durchsetzen.
Als Referenz: Es gibt ein Startup namens Terraform Industries, das CO2 in Methan umwandelt.
https://terraformindustries.com/
Ich habe einen Mitgründer gefragt, was er davon hält.
https://twitter.com/ccorcos/status/1694021803654693342
Ich frage mich, wie sie im Vergleich zueinander abschneiden.
Es heißt „mit einem Anionenaustausch-Ionomer beschichtete, 1-ethyl-3-methylimidazolium-funktionalisierte Mo3P-Nanopartikel“ – wie schwierig und teuer wäre es, diese Materialien in großem Maßstab zu produzieren?
Molybdän ist nicht so selten oder teuer wie Platin, das ist also definitiv ein Vorteil.