Neue Methode zur Zementherstellung könnte die Kohlenstoffemissionen senken

Forscher der George Washington University haben einen plumpen Apparat zusammengeschraubt, von dem sie sagen, dass er die Energie des Sonnenlichts effizient nutzt, um einen neuartigen chemischen Prozess zur Herstellung von Kalk, dem Hauptbestandteil von Zement, ohne Kohlendioxidemission anzutreiben. Das Gerät setzt etwa die Hälfte der Energie des Sonnenlichts um (Sonnenkollektoren wandeln im Vergleich dazu nur 15 Prozent der Energie des Sonnenlichts in Strom um).

Allein die Zementproduktion emittiert 5 bis 6 Prozent der gesamten vom Menschen verursachten Treibhausgase, und das meiste davon stammt aus der Kalkproduktion. Ein Teil der Treibhausgasemissionen aus der konventionellen Zementproduktion stammt aus der Verwendung fossiler Brennstoffe, um Kalkstein auf hohe Temperaturen von etwa 1.500 °C zu erhitzen. Der Ersatz fossiler Brennstoffe durch erneuerbare Energien ist einfach, aber nicht unbedingt wirtschaftlich. Die neue Arbeit konzentriert sich auf ein schwierigeres Problem. Etwa 60 Prozent der Kohlendioxidemissionen aus der Zementherstellung sind prozessbedingt. Kalk wird durch Erhitzen von Kalkstein – also Kalziumkarbonat – hergestellt, bis Kohlendioxid freigesetzt wird.



Das neue Verfahren verändert die Chemie. Anstatt Kohlendioxid freizusetzen, wandelt es das Gas um, indem es eine Kombination aus Wärme und Elektrolyse verwendet, um Sauerstoff und entweder Kohlenstoff oder Kohlenmonoxid, abhängig von den verwendeten Temperaturen, zu erzeugen. Sowohl Kohle als auch Kohlenmonoxid sind nützliche Produkte, die ansonsten mit fossilen Brennstoffen hergestellt worden wären.

Um die Elektrolyse praktikabel zu machen, vermischten die Forscher festes Calciumcarbonat mit flüssigem Lithiumcarbonat, das bei den für den Prozess optimalen Temperaturen – etwa 900 °C – geschmolzen wird. Die flüssige Form ist förderlich für die Elektrolyse. Die erhöhten Temperaturen senken den Strombedarf für die Elektrolyse und führen dazu, dass der Kalk aus der Mischung ausfällt und sich leicht sammeln lässt. (Bei niedrigeren Temperaturen ist der Kalk besser löslich, sodass er nicht ausfällt.)

Um den Prozess zu demonstrieren, bauten die Forscher ein Gerät mit drei Fresnel-Linsen zum Konzentrieren des Sonnenlichts. Zwei davon erhitzen das Gemisch aus Lithiumcarbonat und Kalkstein. Das sind die größten Objektive. Ihre relative Größe spiegelt die Tatsache wider, dass der größte Teil der für den Prozess benötigten Energie zum Erhitzen der Mischung verwendet wird. Die dritte, kleinere Linse fokussiert das Licht auf eine hocheffiziente Solarzelle, die relativ wenig Strom liefert, um das heiße Karbonatgemisch zu elektrolysieren.

Das Gerät ist nur ein Proof of Concept, nicht bereit für die Kommerzialisierung. Es ist klein und funktioniert nur bei Sonnenschein – und der intermittierende Betrieb ist für einen industriellen Prozess nicht ideal. Die Forscher schlagen vor, geschmolzenes Salz zur Speicherung von Wärme zu verwenden, ein System, das in einigen solarthermischen Kraftwerken verwendet wird. Dadurch könnte der Prozess Tag und Nacht laufen. Der Strom könnte aus der Nutzung der Wärme zur Erzeugung von Dampf zum Drehen einer Turbine, wie in einem solarthermischen Kraftwerk, oder aus jeder anderen Stromquelle stammen.

Stuart Licht , der Chemieprofessor an der George Washington University, der die Arbeit leitete, schätzt, dass das Verfahren, wenn es skaliert werden kann, billiger sein könnte als die konventionelle Kalkproduktion. Er sagt, es sei effizienter als Sonnenkollektoren, weil es Teile des Sonnenspektrums nutzt, die Solarzellen nicht effizient in Strom umwandeln können.

Der Prozess erfordert noch viel Energie, sagt C12 Energie CEO Kurt House, der kohlenstoffarme Betonherstellungsverfahren entwickelt hat. Es kommt darauf an, wie man Sonnenenergie nutzen möchte, sagt er. Wenn die Effizienz so gut ist, wie sie sagen, dann stimme ich zu, das ist sehr, sehr interessant. Aber ich bin skeptisch.

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