Reaktive oxidkeramische Sauerstoffspeichermaterialien für den Klimaschutz
Um einen Beitrag zum Klimaschutz zu leisten, soll ein neuartiges keramisches Material entwickelt werden, welches dazu beiträgt, die Wirkungsgrade von Verbrennungsprozessen in Kraftwerken und Industrie zu erhöhen sowie ein mögliches nachgeschaltetes CO2-Recycling wirtschaftlicher zu gestalten.
Hierbei wird Bezug auf das Oxyfuel-Verfahren genommen, welches es ermöglicht, eine Verbrennung unter Ausschluss von Stickstoff zu realisieren. Dazu wird ein Teil eines Verbrennungs-Abgases mit Sauerstoff angereichert und der Verbrennung zusammen mit dem Brennstoff wieder zugeführt, um somit den Verbrennungs-Wirkungsgrad zu steigern. Idealerweise besteht ein so erzeugtes Abgas lediglich aus Wasser und CO2. Wird ersteres auskondensiert, so erhält man reines CO2. Dieses Rein-CO2 könnte nun einem Recycling zugeführt werden. So könnte z.B. überschüssige Windenergie, welche zu speichern noch ein großes Problem darstellt, genutzt werden, um Wasserstoff zu erzeugen, welcher wiederum mit CO2 zu Methan umgesetzt werden kann (Sabatier-Prozess). Dies wäre eine Möglichkeit der Speicherung von „grüner“ Energie („Power-to-Gas“).
Diese schon vor längerer Zeit erdachten Ansätze sind zwar theoretisch realisierbar, scheitern aber zur Zeit noch an ihrer Unwirtschaftlichkeit. Diese resultiert u.a. aus dem enormen Kostenaufwand für die Sauerstoffbereitstellung im Oxyfuel-Prozess, welche meist über die kryogene Luftzerlegung (Linde-Verfahren) realisiert wird.
Daher muss die Sauerstoffbereitstellung deutlich kostengünstiger gestaltet werden. Die zu entwickelnden Materialien sollen in der Lage sein, als regenerative Fest-Bett-Schüttung in einem Hochtemperaturprozess, Sauerstoff aus der Luft aufzunehmen und unter bestimmten Bedingungen an ein sauerstoffarmes Abgas wieder abzugeben, um somit den Oxyfuel-Prozess zu ermöglichen. Dabei sollen kostengünstige Ausgangsstoffe, wie etwa die Oxide des Cu, Fe, Al und Mn zum Einsatz kommen. Die Herstellung der Keramiken sollte im Idealfall über eine Festkörperreaktion unter Luft stattfinden. Somit erwiese sich die Herstellung der Keramiken schon kostengünstiger als die anderer Materialien für die Sauerstoffseparation (z.B. keramische Membranen).
Weiterhin soll das zu entwickelnde Material eine sehr hohe Sauerstoffspeicherkapazität aufweisen. So ist in meiner Diplomarbeit ein Material aus Kupfer-Eisen-Oxiden untersucht worden, welches eine Sauerstoffspeicherkapazität von über 5 Ma.-% aufweist. Dieser von keinem anderen bekannten keramischen Sauerstoffspeichermaterial erreichte Wert, beruht auf dem reaktiven Charakter der Keramik. Während des Sauerstoffein- bzw. -ausbaus finden Strukturveränderungen statt, welche sich je nach Beladungszustand der Keramik durch eine Ein-, Zwei- oder Dreiphasigkeit des Materials auszeichnet.
Desweiteren wäre ein Einsatz des zu entwickelnden Materials eventuell in Biogas-Blockheizkraftwerken denkbar. Enormer Vorteil wäre die Möglichkeit der Verbrennung von Roh-Biogas (ca. 60% CH4 + 40% CO2), welches keiner aufwendigen CO2-Abtrennung mehr unterzogen werden müsste. Hierzu würde ein rezyklierter Abgasstrom mit mehr als 21 Vol.-% Sauerstoff angereichert und zusammen mit dem Roh-Biogas der Verbrennung zugeführt. Das dadurch entstehende Rein-CO2, könnte nun energetisch recyclet und die Recycling-Produkte als regenerative Rohstoffe oder Energieträger genutzt werden.
Um solche hocheffizienten Sauerstoffspeichermaterialien zu entwickeln, ist es unabdingbar, die ablaufenden Prozesse und Reaktionen bei der Sauerstoffbereitstellung in ihrer Gesamtheit zu studieren und zu begreifen. Daher müssen eine Vielzahl an Grundlagenuntersuchung zu den keramischen Systemen hinsichtlich struktureller, mechanischer, thermodynamischer und reaktiver Eigenschaften durchgeführt werden. Mithilfe eines Versuchsreaktors soll im Labormaßstab der Einsatz der Sauerstoffspeichermaterialien simuliert und deren Praxistauglichkeit studiert werden.
Somit ist es das Ziel dieser Arbeit, einen Beitrag zum Schutze unseres Klimas und unserer Umwelt zu leisten.