Der Klimawandel ist eine der dringendsten Herausforderungen für die Menschheit. Um seine potenziell katastrophalen Auswirkungen zu bekämpfen, suchen Wissenschaftler nach neuen Technologien, die der Welt zu Kohlenstoffneutralität verhelfen könnten.
Eine mögliche Lösung, die immer mehr Aufmerksamkeit auf sich zieht, ist die Abscheidung und Speicherung von Kohlendioxid (CO2)-Emissionen in Form von Hydraten unter den Sedimenten des Meeresbodens, die durch den natürlichen Druck, der durch das Gewicht des darüber liegenden Meerwassers entsteht, an Ort und Stelle gehalten werden. Eine wichtige Frage war jedoch, wie stabil dieses gespeicherte CO2 über längere Zeiträume sein würde, die erforderlich sind, um den Kohlenstoff an Ort und Stelle und außerhalb der Atmosphäre zu halten.
Nun haben Forscher der Fakultät für Chemie- und Biomolekulartechnik der National University of Singapore (NUS) erstmals experimentell die Stabilität von CO2-Hydraten in Meeressedimenten nachgewiesen – ein wichtiger Schritt, um diese Technologie zur Kohlenstoffspeicherung in die Praxis umzusetzen.
“Dies ist der erste experimentelle Nachweis dieser Art, der hoffentlich die weitere Entwicklung dieser Technologie vorantreiben wird”, so Professor Praveen Linga, der leitende Forscher der Studie. Die Ergebnisse des Teams – Teil eines vom Singapore Energy Centre finanzierten Projekts – wurden erstmals in der Fachzeitschrift Chemical Engineering Journal veröffentlicht.
Mit Hilfe eines speziell entwickelten Laborreaktors zeigte das NUS-Team, dass CO2-Hydrate in ozeanischen Sedimenten bis zu 30 Tage lang stabil bleiben können. In Zukunft, so das Team, kann derselbe Prozess verwendet werden, um die Stabilität von CO2-Hydraten über einen viel längeren Zeitraum zu bestätigen.
Gefangen in eisähnlichen Substanzen
Bei niedrigen Temperaturen und unter den im Meer herrschenden Hochdruckbedingungen kann CO2 in Wassermolekülen eingeschlossen werden und eine eisähnliche Substanz bilden. Diese CO2-Hydrate bilden sich bei einer Temperatur knapp über dem Gefrierpunkt von Wasser und können bis zu 184 Kubikmeter CO2 in einem Kubikmeter Hydrat speichern.
Das Vorhandensein riesiger Mengen von Methanhydraten an ähnlichen Orten auf der ganzen Welt und ihre sichere Existenz stellen eine natürliche Analogie dar, die die Annahme stützt, dass CO2-Hydrate stabil und sicher bleiben, wenn sie in Tiefseesedimenten gespeichert werden.
Dem Forschungsteam zufolge könnte diese Technologie schließlich zu einem großtechnischen Verfahren entwickelt werden, das es Ländern wie Singapur ermöglicht, jährlich mehr als zwei Millionen Tonnen CO2 effizient in Form von Hydraten zu speichern, um die Emissionsreduktionsziele zu erreichen.
Bedingungen am Meeresboden
Mit einer speziell entwickelten Ausrüstung stellten Prof. Linga und sein Team die Bedingungen des tiefen Meeresbodens nach, wo die Temperaturen zwischen 2°C und 6°C liegen und der Druck 100 Mal höher ist als auf Meereshöhe. Die Schaffung eines Reaktors im Makromaßstab, der solche Bedingungen aufrechterhalten kann, war eine Herausforderung und einer der Gründe, warum Experimente zur Prüfung der Stabilität von CO2-Hydraten bisher nicht möglich waren. Das NUS-Team meisterte diese Herausforderung mit Hilfe eines selbst entwickelten Druckbehälters, der mit einem Quarzsandbett ausgekleidet war, das die Meeressedimente imitierte.
Das Team war in der Lage, feste Hydrate auf und in dem Quarzsandbett zu bilden und den Druckbehälter auf ozeanische Bedingungen umzustellen, um die Stabilität der gebildeten festen CO2-Hydrate in Sedimenten zu beobachten. Unter Druckbedingungen wurden die Hydrate 14 bis 30 Tage lang beobachtet und erwiesen sich als sehr stabil.
Diese Hydrattechnologie würde es den Staaten ermöglichen, große Mengen an Kohlenstoffemissionen in geologischen Formationen in der Tiefsee zu binden, zusätzlich zu der Art und Weise, wie sie derzeit in erschöpften Öl- und Gasreserven und salzhaltigen Aquifer-Formationen gespeichert werden. Für Länder wie Singapur, das sich zum Ziel gesetzt hat, bis 2050 kohlenstoffneutral zu werden, könnte die Technologie ein wichtiges Instrument zur Reduzierung der CO2-Emissionen sein.
“Um das Ziel der Kohlenstoffneutralität zu erreichen, müssen wir neue Möglichkeiten zur CO2-Sequestrierung in großem Maßstab und mit hoher Geschwindigkeit prüfen. Die Sequestrierung in der Tiefsee in Form von CO2-Hydraten ist eine vielversprechende Lösung”, sagte Prof. Linga.
Der nächste Schritt für das Team wird darin bestehen, das Volumen und den Zeitrahmen des Experiments zu vergrößern.
“Aus experimenteller Sicht planen wir eine Verzehnfachung des Volumens zusammen mit weiteren Innovationen, um quantifizierbare Werkzeuge und Methoden für die Technologie zu entwickeln”, so Prof. Linga. In Zukunft wolle das Team bald die Stabilität der CO2-Hydrate für sechs Monate nachweisen.
Die kürzlich angekündigte Finanzierung des Teams im Rahmen der Low-Carbon Energy Research Funding Initiative der Regierung von Singapur zur Entwicklung modernster kohlenstoffarmer Energielösungen wird die Entwicklung dieser Speichertechnologie erheblich unterstützen. Mit den geplanten zukünftigen Experimenten hofft das Team, Modelle zu entwickeln und zu validieren, die die Stabilität von CO2-Hydraten über Tausende von Jahren in der Zukunft vorhersagen können.
Datum: März 7, 2022
Quelle: Nationale Universität von Singapur
Journal Reference:
- M Fahed Qureshi, Junjie Zheng, Himanshu Khandelwal, Pradeep Venkataraman, Adam Usadi, Timothy A Barckholtz, Ashish B Mhadeshwar, Praveen Linga. Laboratory demonstration of the stability of CO2 hydrates in deep-oceanic sediments. Chemical Engineering Journal, 2022; 432: 134290 DOI: 10.1016/j.cej.2021.134290