Das „Tal des Todes“ bei der Kohlenstoffabscheidung überbrücken

Die Abmilderung der Auswirkungen des Klimawandels ist weltweit zu einem wichtigen Thema geworden. Länder und internationale Organisationen entwickeln verschiedene Strategien zur Lösung des Problems. Die Senkung der CO2-Emissionen steht dabei an erster Stelle. Technologien zur Kohlenstoffabscheidung sind dabei ein vielversprechender Weg in die Zukunft.

Dennoch hat sich die Überbrückung der Lücke zwischen Forschung und praktischer Umsetzung von Lösungen zur Kohlenstoffabscheidung als so schwierig erwiesen, dass sie tatsächlich einen Namen hat: „Tal des Todes“. Die Herausforderung wird noch dadurch verschärft, dass im Laufe des Prozesses die Perspektiven und Prioritäten verschiedener Interessengruppen berücksichtigt werden müssen.

Traditionell beginnt die Entwicklung von Technologien zur Kohlenstoffabscheidung damit, dass Chemiker Materialien entwerfen und Ingenieure Prozesse entwickeln, während die wirtschaftlichen und ökologischen Auswirkungen erst später beurteilt werden. Die Ergebnisse sind oft suboptimal und verzögern nur die Umsetzung realer Lösungen.

Als Antwort darauf haben Wissenschaftler unter der Leitung von Berend Smit an der EPFL und Susana Garcia an der Heriot-Watt University das PrISMa (Prozessinformiertes Design maßgeschneiderter Sorbentmaterialien)-Plattform: Ein innovatives Tool, das Materialwissenschaft, Prozessdesign, Technoökonomie und Lebenszyklusanalyse nahtlos miteinander verbindet, indem es von Anfang an die Perspektiven mehrerer Interessengruppen berücksichtigt.

Mithilfe fortschrittlicher Simulationen und maschinellem Lernen kann PrISMa die effektivsten und nachhaltigsten Lösungen identifizieren und die Leistung neuer Materialien vorhersagen, was es zu einem leistungsstarken Instrument im Kampf gegen den Klimawandel macht. Die Studie ist veröffentlicht im Journal Natur.

KPIs bewerten

PrISMa wertet vier Key Performance Indicators (KPIs) oder „Schichten“ aus, um die Realisierbarkeit eines Kohlenstoffabscheidungsmaterials von seiner anfänglichen Entwicklung bis zu seiner Implementierung in eine komplette Kohlenstoffabscheidungsanlage zu beurteilen.

Testen von PrISMa anhand von Fallstudien

Die Wissenschaftler verwendeten PrISMa, um über sechzig reale Fallstudien zu vergleichen, in denen CO2 aus verschiedenen Quellen in fünf Weltregionen mit unterschiedlichen Technologien abgeschieden wird. Durch die Berücksichtigung mehrerer Stakeholderperspektiven half PrISMa dabei, die effektivsten und nachhaltigsten Lösungen zu identifizieren.

„Eines der einzigartigen Merkmale der PrISMa-Plattform ist ihre Fähigkeit, die Leistung neuer Materialien mithilfe fortschrittlicher Simulationen und maschinellem Lernen vorherzusagen“, sagt Berend Smit. „Dieser innovative Ansatz beschleunigt die Entdeckung leistungsstärkster Materialien für die Kohlenstoffabscheidung und übertrifft traditionelle Versuch-und-Irrtum-Methoden.“

Molekulare Simulationen

Die Plattform integriert Dichtefunktionaltheorie (DFT) und molekulare Simulation, um Materialeigenschaften vorherzusagen, die für die Prozessgestaltung erforderlich sind. Das Team testete diesen Ansatz an einer CO2-Abscheidungsanlage und untersuchte die indirekten Emissionen über 30 Jahre des Anlagenbetriebs. Dies wurde mit einer technisch-wirtschaftlichen Bewertung verknüpft, die die Kosten des Prozesses bewertete.

„Es ist uns gelungen, die Elektronenbewegung auf DFT-Ebene zu verknüpfen, um die Gesamtmenge an CO2 zu berechnen, die während der 30-jährigen Lebensdauer einer Abscheidungsanlage abgeschieden wird, und zwar zu welchen Kosten“, sagt Berend Smit.

Die Sicht der Stakeholder

PrISMa liefert wertvolle Erkenntnisse für verschiedene Interessengruppen, bietet Ingenieuren die Werkzeuge zum Entwerfen der effizientesten und kosteneffektivsten Kohlenstoffabscheidungsprozesse und gibt Chemikern Hinweise zu den molekularen Eigenschaften, die die Materialleistung verbessern.

Umweltmanager erhalten Zugriff auf umfassende Bewertungen der Umweltauswirkungen und können so fundiertere Entscheidungen treffen, während Investoren von detaillierten wirtschaftlichen Analysen profitieren, die die mit Investitionen in neue Technologien verbundenen Risiken und Unsicherheiten reduzieren.

Neue Materialien entdecken

PrISMa kann die Entdeckung der leistungsfähigsten Materialien zur Kohlenstoffabscheidung beschleunigen und ist damit herkömmlichen Versuch-und-Irrtum-Methoden überlegen. Mit seinen interaktiven Tools können Benutzer mehr als 1.200 Materialien erkunden und die Kompromisse zwischen Kosten, Umweltauswirkungen und technischer Leistung verstehen.

Dieser umfassende Ansatz stellt sicher, dass die gewählten Lösungen CO2 effizient abfangen und gleichzeitig die allgemeinen Auswirkungen auf die Umwelt minimieren.

Smit kann sich PrISMa unter anderem für die Entdeckung von Metall-Organischen Gerüstverbindungen (MOFs) vorstellen. Dabei handelt es sich um poröse Materialien mit einem breiten Anwendungsspektrum, darunter auch die Kohlenstoffabscheidung. „Die Idee ist, dass Chemiker die Kristallstrukturen ihrer MOFs hochladen können und die Plattform diese Materialien für alle Arten von Abscheidungsprozessen bewertet“, sagt er. „So können selbst Chemiker, die keine detaillierten Kenntnisse über Kohlenstoffabscheidungstechnologien haben, Feedback dazu erhalten, welche MOFs die beste Leistung erbringen und warum.“

PrISMa kann die Entwicklung von Technologien zur Kohlenstoffabscheidung beschleunigen und dabei helfen, Netto-Null-Emissionen zu erreichen, indem es alle relevanten Interessengruppen schon früh im Forschungsprozess zusammenbringt. Durch eine umfassende Bewertung von Materialien und Prozessen ermöglicht PrISMa fundiertere Entscheidungen, die zur Entwicklung effektiverer und nachhaltigerer Lösungen zur Kohlenstoffabscheidung führen.