Nicht-CO2-Treibhausgase mittels Photokatalyse entfernen
Die Geschwindigkeit des Klimawandels kann durch die Verringerung des Anteils von Methan (CH4), Kohlendioxid (CO2) und anderen Treibhausgasen (GHG) in der Atmosphäre verlangsamt werden. Der Entfernung von Nicht-CO2-Treibhausgasen in der Atmosphäre wurde bislang jedoch kaum Aufmerksamkeit geschenkt. Das Erderwärmungspotenzial (GWP) ist ein Maß für die Potenz von Treibhausgasen. Die drei wichtigsten Nicht-CO2-GHG – CH4, Distickstoffoxid (N2O) und Dichlor-Difluormethan (CCl2F2)(öffnet in neuem Fenster) – haben alle ein hohes GWP. Diese Gase mit hohem GWP können mittels Photokatalyse(öffnet in neuem Fenster) beseitigt werden, indem sie in umweltverträgliche atmosphärische Gase, Wasserdampf und kleine Mengen flüchtiger Verbindungen umgewandelt werden, die ein wesentlich geringeres GHG als ihre Vorläufer aufweisen. Die photokatalytischen Prozesse, die sich im Labormaßstab als äußerst wirksam erwiesen haben, ermöglichen es den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, Sonnenlicht zur Beseitigung von CH4, N2O und CCl2F2 nutzbar zu machen.
Die Sonne nutzen
Mit Unterstützung durch das Marie-Skłodowska-Curie-Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmenprogramms(öffnet in neuem Fenster) wurde im Rahmen von Projekt STEPforGGR(öffnet in neuem Fenster) geprüft, ob dieser innovative Ansatz zur Entfernung von Treibhausgasen unter realen Bedingungen funktionieren kann. Die Forschenden nutzten solare Aufwindkraftwerke(öffnet in neuem Fenster) als riesige „Luftverarbeitungsanlagen“ in Kombination mit Photokatalyse, um Nicht-CO2-GHG, insbesondere Methan, direkt aus der Luft zu entfernen. Solare Aufwindkraftwerke nutzen die Sonne, um Luft unter einem großen Kollektor (wie in einem Gewächshaus) zu erwärmen. Die warme Luft steigt durch einen hohen Schornstein nach oben und erzeugt einen kontinuierlichen, passiven Luftstrom, ohne dass dafür fossile Energie benötigt wird. Dieser Luftstrom ist der entscheidende Faktor, um enorme Luftmengen in kontrollierten Kontakt mit katalytischen Oberflächen zu bringen. „Die Luft wird durch ein solar erhitztes System bewegt, und das Zielgas (beispielsweise Methan) trifft auf eine speziell beschichtete Oberfläche. Unter Lichteinwirkung unterstützt diese Beschichtung die Auslösung chemischer Reaktionen, die das Treibhausgas in weniger klimawirksame Produkte umwandeln. Bei Methan sind dies vor allem CO2 und Wasser“, erklärt Projektkoordinator Wei Li von der Universität Edinburgh(öffnet in neuem Fenster). „Methan ist über kurze Zeitskalen viel potenter als CO2. Somit kann selbst die Umwandlung kleiner Methanmengen immer noch einen bedeutenden Nutzen für das Klima bringen, vor allem dann, wenn dies in sehr großem Maßstab geschieht“, bemerkt Wei Li.
Vom Labor zum Großmaßstab
Eine Maßstabsvergrößerung erfordert die Kombination von sehr großen passiven Luftstromsystemen (Aufwindkraftwerke oder ähnliche Konzepte) und herstellbaren beschichteten Materialien, die im Freien über längere Zeit eine hohe Wirksamkeit behalten. Zu den Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis zählen große Anlagen in sonnigen Regionen mit günstiger Bodenverfügbarkeit und Luftströmung bei eventueller gemeinsamer Nutzung von Standorten für andere Infrastrukturen. Wei Li erklärt weiter: „Die Entfernung von Methan aus der Atmosphäre durch Photokatalyse ist nicht nur eine Materialfrage oder ein Reaktorproblem. Es handelt sich um ein gekoppeltes System, bei dem Luftstrom, Lichtzufuhr, Oberflächenchemie und Außenbeständigkeit zusammenwirken. STEPforGGR hat demonstriert, wie diese Wechselwirkungen systematisch analysiert werden können und wo die realen Leistungsgrenzen liegen.“ Die nächsten Schritte werden sich voraussichtlich auf die Verbesserung der Katalysatoraktivität und der langfristigen Beständigkeit sowie auf Konstruktionsentwürfe konzentrieren, die den Kontakt maximieren und gleichzeitig den Druckabfall begrenzen. Das Ziel ist es, die Laborergebnisse auf belastbare technisch-wirtschaftliche und bodennutzungsbezogene Szenarien zu übertragen. „Die Entdeckung verwandter Architekturen (einschließlich gebäudeintegrierter oder alternativer Kraftwerkskonzepte) und die potenzielle Ausweitung der Forschung von Methan auf andere Nicht-CO2-Gase steht ebenfalls in Aussicht“, lautet das Fazit von Wei Li. Die Forschung und Technik im Bereich der Entwicklung von Technologien zur Entfernung von Treibhausgasen, an der Herstellung von Reaktoren und Materialien beteiligte Industriesektoren, einschließlich beispielsweise Herstellungsbetriebe für beschichtetes Glas, wie auch die politische Entscheidungsfindung hinsichtlich der Bewertung vertrauenswürdiger Klimaschutzmaßnahmen werden von dieser Arbeit profitieren.