Der Chemiesektor ist der größte industrielle Energieverbraucher und nutzt fossile Brennstoffe sowohl für die Rohstoff- als auch für die Energienutzung. Letzteres geschieht größtenteils, weil Reaktionen, die Rohstoffe in nützliche Produkte umwandeln, typischerweise auf thermischer Katalyse beruhen. Diese Prozesse erfordern häufig relativ extreme Reaktionsbedingungen, wie beispielsweise hohe Temperaturen und Drücke. Dies führt zu einer verringerten Prozesseffizienz und letztendlich zu einem erheblichen CO2-Fußabdruck.  

Alternative Rohstoffe wie Abfall, Biomasse und CO2 kann der Industrie dabei helfen, die Nutzung fossiler Brennstoffe als Rohstoff anzugehen. Wenn die Industrie jedoch ihre Ziele zur Emissionsreduzierung erreichen will, ist auch ein energieeffizienterer Prozess erforderlich. Konventionelle Technologien haben einen hohen Optimierungsgrad erreicht, was bedeutet, dass die chemische Industrie sich mit den Emissionen des Kraftstoffverbrauchs befassen muss. Die Kohlenstoffabscheidung hat in den letzten Jahren zugenommen, steht jedoch vor einigen Herausforderungen, einschließlich Kosten und Infrastruktur, während der Einsatz erneuerbarer Energien zur Reduzierung von Emissionen beitragen kann, obwohl die Kosten schwanken. 

Die Photokatalyse bietet eine Möglichkeit, erneuerbare Energien für die chemische Verarbeitung zu nutzen und die Prozesseffizienz zu steigern. Dadurch werden die mit der Nutzung fossiler Brennstoffe verbundenen Emissionen erheblich reduziert – sofern die Technologie wirtschaftlich skalierbar ist. 

Wie funktioniert Photokatalyse und welche Vorteile bietet sie? 

Bei der Photokatalyse wird Lichtenergie genutzt, um einen Katalysator zu aktivieren, der dann eine chemische Reaktion beschleunigt. Anders als bei der thermischen Katalyse stehen die Reaktionsgeschwindigkeiten in einem exponentiellen Zusammenhang mit der Lichtintensität und der Temperatur. Dies bedeutet, dass die Photokatalyse für die erforderlichen Reaktionsgeschwindigkeiten deutlich niedrigere Temperaturen erfordert als die thermische Katalyse.  

Die theoretischen Vorteile der Photokatalyse standen im Mittelpunkt der Forschung von Wissenschaftlern der Rice University, die plasmonische Photokatalysatoren entwickelten, die chemische Reaktionen mit hoher photokatalytischer Effizienz, Selektivität und Spezifität vorantreiben können. Die Technologie wurde dann lizenziert Syzygy Plasmoniks das „Photoreaktoren“ entwickelte, die LEDs verwenden, um Photokatalysatoren zu beleuchten, die Reaktionen katalysieren. Die Reaktoren bestehen aus relativ kostengünstigen Materialien, was dazu beiträgt, die Investitionskosten niedrig zu halten. Gleichzeitig profitiert der Prozess von hoher Effizienz, Selektivität und Spezifität, was zu einem geringeren Energieverbrauch führt, was zu geringeren Kosten und einem geringeren CO2-Fußabdruck führt.  

Das Wirkungspotenzial   

Syzygy Plasmonics hat die Technologie für mehrere Anwendungen entwickelt, darunter die Zersetzung (Crackung) von Ammoniak. Ammoniak wird derzeit in großen Mengen für Düngemittel hergestellt und gilt zunehmend als vielversprechender Wasserstoffträger – nützlich sowohl als Transportkraftstoff als auch für Energieimporte. Allerdings bleibt die Effizienz (und die Kosten) der Ammoniakproduktion und -zersetzung ein Hindernis für die Einführung. Bei groß angelegtem Einsatz verspricht die Technologie von Syzygy eine weitaus höhere Effizienz als das thermische Cracken und eröffnet die Möglichkeit, Erdgasimporte durch Importe von sauberem Ammoniak zu ersetzen. 

Es gibt andere Ansätze für den Energieimport, und Ammoniak schneidet im Vergleich zu anderen Wasserstoffträgern wie Methanol besonders gut ab, wenn der Zugang zu Kohlenstoffquellen eingeschränkt ist. Die Menge an Ammoniak, die für Energie- oder Industriezwecke wieder in Wasserstoff umgewandelt wird, hängt von vielen Variablen ab. 100–130 Mio. t Wasserstoff bis 2050 würden damit übereinstimmen IEA-Schätzungen für den Stickstoffbedarf zur energetischen Nutzung, dies könnte jedoch die direkte Nutzung oder Wasserstoff sein. Wenn alles gecrackt würde, würde der Einsatz der Syzygy-Technologie anstelle des thermischen Crackens etwa 1000–1250 TWh Energie einsparen – etwa das Dreifache des jährlichen Gesamtenergieverbrauchs des Vereinigten Königreichs.  

Es ist unwahrscheinlich, dass die Technologie in großem Maßstab eingesetzt wird, es sei denn, sie konkurriert hinsichtlich der Gesamtkosten mit anderen Technologien. Es wird jedoch erwartet, dass die Effizienzsteigerungen die Kosten senken werden, da Syzygy davon ausgeht, dass die Technologie die mit dem Ammoniak-Cracken verbundenen Gesamtkosten im Vergleich zum thermischen Cracken um über 20 % senken wird, obwohl die Kostenwettbewerbsfähigkeit von den Kosten für erneuerbare Energien abhängt. 

Ich freue mich auf 

Syzygy entwickelt gemeinsam mit Lotte Chemicals ein Pilotprojekt zum Ammoniak-Cracken. Das Potenzial für eine Skalierung wird durch die Demonstration von Effizienzen im großen Maßstab noch einmal untermauert. Die Technologie wurde auch für verschiedene Anwendungen getestet, darunter die Dampfreformierung von Methan (zur Herstellung von Wasserstoff) und die Trockenreformierung von Methan (zur Herstellung von Synthesegas, das bei der Herstellung von Methanol oder Kerosin verwendet werden kann). Es gibt viele weitere Anwendungen, darunter Technologien für die Ammoniaksynthese, grünen Wasserstoff, Ethylen und die Synthese von Aromaten, mit dem Potenzial, Gigatonnen an Kohlenstoffemissionen einzusparen. 

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• Quelle: https://www.cleantech.com/will-photocatalysis-move-the-needle-on-chemical-carbon-emissions/