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Photokatalytische Synthese aus CO2

Um unsere Abhängigkeit von fossile Brennstoffen zu verringern, werden derzeit enorme Anstrengungen in Industrie und. In dieser Hinsicht erscheint Synthesegas eine elegante und billige Lösung für eine nachhaltige Energieentwicklung zu sein. Synthesegas ist das Gemisch aus Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO) als Hauptbestandteilen. Es stellt ein wichtiges chemisches Ausgangsmaterial dar, das häufig für industrielle Prozesse zur Erzeugung von Chemikalien und Kraftstoffen verwendet wird:

Nutzung von Synthese in verschiedenen Industriesektoren

Synthesegas kann aus Methan (CH4) in einer Reformierungsreaktion mit Wasser (H2O), Sauerstoff (O2) oder Kohlendioxid (CO2) hergestellt werden. Der als Methan-Trockenreformierung (MTR) bezeichnete Prozess kann mit Kohlendioxid kombiniert werden:

CH4 + CO2 → 2 H2 + 2 CO

Dies ist ein umweltfreundlicher Weg, der zwei Treibhausgase in ein wertvolles chemisches Ausgangsmaterial verwandelt.

Das MTR-Verfahren erfordert jedoch chemische Katalysatoren und hohe Temperaturen zwischen 700 und 1.000°C. Normalerweise kommt es zu Kohlenstoffablagerung und letztlich Katalysatordeaktivierung.

Einige Chemiker haben kürzlich gezeigt, daß Licht und nicht Wärme eine effektivere Lösung für diese energiehungrige Reaktion sein könnte.

Photokatalyse als Lösung

Eine Forschergreuppe der Rice University in Houston, hat zusammen mit Kollegen der Princeton University und der University of California lichtstimulierte Katalysatoren entwickelt, mit denen MTR-Reaktionen ohne Wärmeeintrag effizient betrieben werden können. Diese Arbeit wurde in der renommierten Zeitschrift Nature Energy veröffentlicht.

Die Forscher berichteten über einen hocheffizienten und kohlenstoffbeständigen plasmonischen Photokatalysator, der genau ein Ruthenium (Ru) -Atom pro 99 Kupfer (Cu) -Atome enthält. Das isolierte Einzelatom von Ru, das auf Cu-Antennen-Nanopartikeln erhalten wird, bietet eine hohe katalytische Aktivität für die MTR-Reaktion. Auf der anderen Seite ermöglichen Cu-Antennen eine starke Lichtadsorption unter Beleuchtung und bringen heiße Elektronen an die Rutheniumatome. Die Forscher schlugen vor, daß sowohl die Erzeugung heißer Ladungsträger als auch die Einzelatomstruktur für die hervorragende katalytische Leistung in Bezug auf Effizienz und kohlenstoffbeständigkeit wesentlich sind.

Das optimale Cu-Ru-Verhältnis wurde in Synthesereihen von CuxRuy-Katalysatoren mit unterschiedlichen Molverhältnissen von plasmonischem Metall (Cu) und katalytischem Metall (Ru) untersucht, wobei x, y der Atomanteil von Cu und Ru in Prozent sind. Insgesamt war Cu19,8Ru0,2 die vielversprechendste Zusammensetzung in Bezug auf Selektivität, Stabilität und Aktivität. Im Vergleich zu reinen Cu-Nanopartikeln zeigt das Cu19,8Ru0,2-Gemisch erhöhte photokatalytische Reaktionsgeschwindigkeiten (ca. 5,5-mal höher) und eine verbesserte Stabilität zeigten. Dabei wurde seine Leistung über einen Zeitraum von 20 Stunden beibehalten. Berechnungen zeigten, daß isolierte Ru-Atome auf Cu die Aktivierungsbarriere für den Methan-Dehydrierungsschritt im Vergleich zu reinem Cu senken, ohne die unerwünschte Kohlenstoffablagerung zu fördern.

Darüber hinaus wurde die Forschung durch verschiedene Methoden (CO-DRIFTS mit DFT) unterstützt, um Einzelatom-Ru-Strukturen auf Cu-Nanopartikeln in Cu19,9Ru0,1 und Cu19,8Ru0,2 Zusammensetzungen zu entschlüsseln und nachzuweisen.

Der Vergleich zwischen thermokatalytischer und photokatalytischer Aktivität an derselben Oberfläche für MTR wurde ebenfalls angestellt. Die thermokatalytische Reaktionsgeschwindigkeit bei 726ºC (ca. 60 mol CH4 / g / s) war geringer als 25% der photokatalytischen Reaktionsgeschwindigkeit unter Weißlichtbeleuchtung ohne äußere Wärme (etwa 275 umol CH4 / g / s). Diese Steigerung der Aktivität wird auf den durch heiße Träger erzeugten Mechanismus zurückgeführt, der im photokatalytischen MTR vorherrscht. Die Rolle des heißen Trägers ist eine Erhöhung der C−H-Aktivierungsraten auf Ru sowie eine verbesserte H2-Desorption.

Die Wissenschaftler berichteten auch, daß der Katalysator eine Umsatzrate von 34 mol H2 pro mol Ru pro Sekunde und eine photokatalytische Stabilität von 50 h unter Weißlichtbeleuchtung (19,2 W / cm2) ohne externe Wärme erreichte.

Da die synthetisierten Photokatalysatoren hauptsächlich auf Cu basieren, das ein reichlich vorhandenes Element ist, bietet dieser Ansatz einen vielversprechenden, nachhaltigen Katalysator, der bei niedrigen Temperaturen für MTR arbeitet. Dies ermöglicht eine billigere Synthesegasproduktion mit höheren Raten und bringt uns einem sauber brennenden Kohlenstoffbrennstoff näher.

(Photo: Wikipedia)

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Energiespeicherung in den Niederlanden

Stromerzeugung

In unserem vorherigen Blogbeitrag der Frontis-Reihe zu europäischen Energiespeichermärkten haben wir uns Spanien genauer angesehen. Im letzten Beitrag unserer Reihe zeigen wir nun, wo die Niederlande positioniert sind. Die Niederlande sind neben Dänemark eines von nur zwei Netto-Gasexportländern in der EU. Der inländische Energieverbrauch spiegelt die Fülle der Ressource wider. Über 50% des in den Niederlanden erzeugten Stroms stammt aus Erdgas. Mit einem Anteil von weiteren 31% an Kohle konzentrieren sich die Niederlande stark auf fossilen Strom. Erneuerbare Energien machen weniger als 10% des erzeugten Stroms aus.

Bis 2020 sollen erneuerbare Energien 14% der gesamten niederländischen Energieversorgung ausmachen, wie von der EU in der Richtlinie über erneuerbare Energien (2009/28 / EG) vorgeschrieben. Dies entspricht einem Elektrizitätssektor mit über 30% erneuerbarer Energieerzeugung.

Gegen die Niederlande wurde Kritik an den erzielten Fortschritten geübt. Nach Prognosen in ihrem Nationalen Aktionsplan für erneuerbare Energien 2009 hätten die Niederlande 2014 fast 20% erneuerbaren Strom erreichen sollen. Diese schwachen Fortschritte führten zu einer Erklärung der EU-Kommission in ihrem zweiten Bericht von 2017 über den Zustand der Energieunion, in dem die Die EU-Kommission gab an, daß die Niederlande der einzige Mitgliedstaat waren, der 2013/2014 keine durchschnittlichen erneuerbaren Energieateile aufwies, die gleich oder höher waren als die entsprechenden Zielvorgaben des Aktionsplans.

Die EU-Kommission erklärte außerdem, daß die Niederlande eines der drei Länder (andere: Frankreich, Luxemburg) mit den größten Anstrengungen zur Erreichung der Ziele für 2020 seien.

Bestehende Energiespeicher

Bisher verfügen die Niederlande über eine Energiespeicherkapazität von fast 20 MW, die entweder in Betrieb (14 MW), vertraglich (1 MW) oder im Bau (4 MW) ist.

Alle Energiespeicher in den Niederlanden sind elektrochemisch, mit Ausnahme des vertraglich vereinbarten 1 MW Hydrostar-Unterwasser-Druckluftspeicherprojekts in Aruba (Karibik). Hydrostar ist ein kanadisches Unternehmen, das sich auf Unterwasser-Druckluftspeichertechnologien spezialisiert hat.

Die überwiegende Mehrheit der 20 MW installierten Energiespeicherkapazität in den Niederlanden verteilt sich auf nur drei Anlagen: das niederländische Advancion Energy Storage Array (10 MW Li-Ion), das Amsterdam ArenA (4 MW Li-Ion) und das Bonaire Wind-Diesel-Hybrid-Projekt (3 MW Ni-Cd-Batterie).

Das niederländische Advancion Energy Storage Array wurde Ende 2015 in Betrieb genommen und liefert dem niederländischen Übertragungsnetzbetreiber TenneT 10 MWh Speicher. Das Projekt, das 50% der gesamten niederländischen Energiespeicherkapazität ausmacht, bietet eine Frequenzregelung, indem in den Batterien gespeicherter Strom verwendet wird, um auf Ungleichgewichte im Netz zu reagieren.

Das 4 MW Amsterdam ArenA Lithium-Ionen-Projekt wurde 2017 für die PV-Integration und Backup-Stromversorgung in Auftrag gegeben. Das 3-MW-Wind-Diesel-Hybridprojekt Bonaire ist ein Batteriearray auf der niederländischen Karibikinsel Bonaire, das als Puffer zwischen intermittierender Windenergie und den Dieselkraftwerken auf der Insel dient.

Die verbleibenden 3 MW niederländischer Energiespeicherprojekte verteilen sich auf 21 Anlagen unter 100 kW, die hauptsächlich auf das Laden von Elektrofahrzeugen (EV) ausgerichtet sind. Mistergreen, ein führender Entwickler von Elektromobil-Ladestationen in den Niederlanden, hat an seinen verschiedenen Ladestationen für Elektrofahrzeuge 750 kW LI-Ionen-Energiespeicher gebaut.
Ausblick auf den Energiespeichermarkt

Angesichts des deutlichen Marktwachstums für Elektrofahrzeuge in den Niederlanden wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um das Netz der Schnelladestationen des Landes zu erweitern. Dieser Trend muß sich fortsetzen, um die Nachfrage nach den in den Niederlanden erwarteten 1 Million Elektrofahrzeugen bis 2025 zu befriedigen. Man kann also davon ausgehen, daß die Li-Ionen-Stationen unter 100 kW, die bereits in Betrieb sind, stark wachsen werden im ganzen Land.

Über den Bedarf an Energiespeichern in großem Maßstab liegen nur wenige Informationen vor, der Gesamtbedarf dürfte jedoch aufgrund der geringen Verbreitung erneuerbarer Energien im Elektrizitätssektor gering sein. Es liegt jedoch ein erheblicher Schwerpunkt auf energieeffizientem, unabhängigem und autarkem Wohnen.

Wie die Italiener sind auch die Niederländer sehr daran gewöhnt, Erdgas in ihren Häusern zu verwenden. Dies könnte zusammen mit dem Streben nach energieautarkem Wohnraum einen einzigartigen Markt für Strom-Gas-Systeme für Privathaushalte in den Niederlanden darstellen.

(Jon Martin, 2020, Foto: Fotolia)