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Kohlenstoff mit Enzymen einfangen
Ein neuer Weg, Kohlendioxid aus Schornsteinen abzuscheiden, liefert einen Rohstoff, der unter Tage sequestriert oder in Substanzen wie Backpulver, Kreide oder Kalkstein umgewandelt werden kann. CO2 Solution aus Quebec City, Kanada, hat seinen Prozess bereits an einer kleinen städtischen Verbrennungsanlage und einer Alcoa-Aluminiumschmelze getestet. Die Wissenschaftler arbeiten nun mit den Kraftwerksriesen Babcock und Wilcox daran, die Technologie an ein Kohlekraftwerk anzupassen.
Ein Bioreaktor mit CO2-Lösung, wie der in der Abbildung oben gezeigt, enthält ein enzymgebundenes Packungsmaterial, das mit einer von oben eingepumpten Wasserlösung und Schornsteinemissionen interagiert, die eintreten und durch den Boden nach oben sprudeln. Das Kohlendioxid im Emissionsstrom wird von den Enzymen an der Oberfläche des Füllmaterials abgefangen und in Bicarbonat-Ionen umgewandelt. Die gereinigte Luft entweicht dann oben, während die Bicarbonatlösung unten austritt. Das Bicarbonat kann in einem separaten Verfahren aus der Lösung extrahiert und in Verbindungen wie Kalkstein für die Industrie verarbeitet werden.
Das Unternehmen hat gentechnisch verändert E coli Bakterien produzieren ein Enzym, das Kohlendioxid in Bicarbonat umwandelt. Das Enzym ist das Herzstück einer Bioreaktortechnologie, die hochskaliert werden könnte, um Kohlendioxidemissionen aus Kraftwerken abzufangen, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden – eine rechtzeitige Entwicklung, da die politische Unterstützung für Cap-and-Trade-Programme wächst, die einem Marktwert zuordnen Kohlenstoff.
Bisher haben wir einen kleinen Prototypen, sagt Sylvie Fradette, Vizepräsidentin für Forschung und Entwicklung bei CO2 Solution. Als nächstes müssen wir uns ansehen, was für einen sehr großen Prototyp oder eine Pilotanlage erforderlich ist.
Das Enzym namens Carboanhydrase verarbeitet normalerweise Kohlendioxid, das in Organismen produziert wird. In E coli es spielt eine wesentliche Rolle im Stoffwechsel. Als Doktorandin leitete Fradette in den 1990er Jahren ein Forschungsteam an der Universität von Laval, das das Enzym isolierte, immobilisierte und herausfand, wie es reproduziert werden kann. Nachdem sie ihren Ph.D. in Chemieingenieurwesen kam sie 1998 zu CO2 Solution. Wir dachten, es wäre interessant, dieses Enzym zu verwenden, um zu replizieren, was es in der Natur bereits so gut kann, sagt Fradette. Wir fanden, dass es bei der CO2-Umwandlung sehr effizient war.
Es gibt viele andere Möglichkeiten, Kohlendioxid aus den Schornsteinen von Industrie- und Kraftwerken abzuscheiden, aber die Trennung des Kohlendioxidstroms von anderen Gasen und Schadstoffen macht die meisten dieser Ansätze energieintensiv und daher recht kostspielig. Laut Fradette kann der Ansatz von CO2 Solution – der keine Trennung von Kohlendioxid von anderen Gasen erfordert – auf alle gasförmigen Abwässer angewendet werden, die Kohlendioxid enthalten, und wäre daher sowohl für konventionelle Kohlekraftwerke als auch für neuere saubere Kohleanlagen auf Basis von Vergasung ideal.
Der Bioreaktor ist ein langer Zylinder, der ein Packungsmaterial enthält, das als fester Träger für das Enzym dient. Die Oberfläche dieses Materials wurde chemisch modifiziert, damit die Enzyme sicher anhaften. Oben in den Zylinder wird eine Wasserlösung eingepumpt und umströmt das Verpackungsmaterial, während Gase aus einem Schornstein unten in den Zylinder eintreten und durch die Lösung aufsteigen. Das Kohlendioxid wird in die Lösung aufgenommen und interagiert dann mit den Enzymen, die das Treibhausgas in Bicarbonat-Ionen umwandeln. Um den Prozess zu beenden, entweicht oben gereinigte Luft, während die Bicarbonatlösung zur Weiterverarbeitung abgesaugt wird – entweder zurück zu reinem Kohlendioxid für die geologische Langzeitspeicherung oder zu einer Carbonatverbindung wie Kalkstein, die von der Industrie verwendet werden kann .
Don Langley, Vice President und Chief Technology Officer von Babcock und Wilcox, sagt, dass der Ansatz für eine groß angelegte Kohlenstoffabscheidung vielversprechender ist als einige Alternativen, wie etwa kohlendioxidabsorbierende Algenfarmen, die riesige Landflächen benötigen. Wir führen derzeit ernsthafte Diskussionen darüber, wie wir mit einer formelleren Beziehung vorankommen können, die möglicherweise eine Lizenzierung der Technologie und eine gemeinsame Entwicklung beinhalten würde, sagt Langley und fügt hinzu, dass der Bioreaktor erheblich skaliert und effizienter betrieben werden muss, um wirtschaftlich zu sein . Wir platzieren sozusagen Wetten, wenn Sie so wollen, sagt er. Offensichtlich sehen wir im CO2-Lösungsansatz einige Dinge, die ich wirklich nicht preisgeben möchte, die uns sehr interessieren.
Der Aluminiumgigant Alcoa testete 2004 den Laborprototyp von CO2 Solution, indem er ihn an einen Luftauslass des Abgasreinigungssystems einer Schmelze anbrachte. Michel Lepage, Direktor für Labore und Umwelt bei Alcoa, sagt, dass die Technologie gut funktioniert hat. Das System entfernte 80 Prozent des CO2, was ziemlich groß ist, sagt Lepage und betont, dass es sich um einen Test im kleinen Maßstab handelte. Aber es hat uns gesagt, dass es ein hohes Potenzial hat.
CO2 Solution sieht mit seiner Technologie auch einige industrielle Nischen bedienen. Letzte Woche erhielt das Unternehmen ein europäisches Patent für das Verfahren zur Erfassung von Kohlendioxidemissionen aus Zementfabriken und deren Umwandlung in Bicarbonat und schließlich Kalkstein – ein wichtiger Bestandteil bei der Herstellung des Zements selbst. Das Unternehmen hält bereits ein US-Patent auf das Verfahren. Das Bicarbonat eignet sich auch zur Herstellung von Carbonatverbindungen zum Neutralisieren von Industrieabfällen und einigen Abwässern.
Babcock und Wilcox sind ihrerseits ausschließlich an der Kohlendioxid-Entfernung, -Kompression und geologischen Sequestrierung interessiert; alle daraus resultierenden Endstromprodukte wären einfach ein Bonus. Ehrlich gesagt, läuft es nur darauf hinaus, wie viel Dollar pro vermiedener Tonne CO2 kosten, sagt Langley. Das ist unser Schwerpunkt.
Langley betont, dass sich die Technologie von CO2 Solution noch in einem sehr frühen Entwicklungsstadium befindet und noch große wirtschaftliche und technische Hürden zu überwinden sind. Es gibt heute keine Technologie, die wirklich dort ist, wo wir sein müssen, sagt er.
Die Techniken des Unternehmens zur Reproduktion des Enzyms haben bereits zu einer deutlichen Senkung der Enzymproduktionskosten geführt. Die vielleicht größte Herausforderung wird darin bestehen, genügend Enzyme zu produzieren, um die enorme Menge Kohlendioxid zu verarbeiten, die von einem Kohle- oder Gaskraftwerk ausgestoßen würde. CO2 Solution ist entschlossen, dies zu tun, insbesondere angesichts des verschärften Profils des Klimawandels und der Wahrscheinlichkeit, dass die CO2-Regulierung bevorsteht.