11.04.2022 - Nanyang Technological University

Neue Methode zur Umwandlung von Plastikmüll in sauberen Wasserstoffkraftstoff

Wissenschaftler der Nanyang Technological University, Singapur (NTU Singapur) haben eine neue Methode entwickelt, mit der Kunststoffabfälle durch Pyrolyse, einem chemischen Hochtemperaturprozess, in Wasserstoff umgewandelt werden können.

Im Gegensatz zu PET-Plastikflaschen, die leicht recycelt werden können, ist es schwierig, Plastikmüll, der kontaminierte Lebensmittelverpackungen, Styropor und Plastiktüten enthält, zu recyceln. Derzeit werden sie verbrannt oder auf Mülldeponien vergraben, was zu einer Verschmutzung von Wasser und Boden führt.

Durch Pyrolyse kann Kunststoffabfall in zwei Hauptprodukte umgewandelt werden: Wasserstoff und eine Form von festem Kohlenstoff, die so genannten Kohlenstoff-Nanoröhren. Wasserstoff ist nützlich für die Stromerzeugung und den Betrieb von Brennstoffzellen, wie sie in Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, wobei als einziges Nebenprodukt sauberes Wasser entsteht.

Um die neue Umwandlungsmethode weiter zu verfeinern und ihre kommerzielle Durchführbarkeit zu bewerten, testet das Forschungsteam sie auf dem NTU Smart Campus, um lokale Plastikabfälle zu behandeln. Dies geschieht in Zusammenarbeit mit Bluefield Renewable Energy, einem lokalen Umweltunternehmen, das sich auf mobile Technologien zur Umwandlung von Abfall in Ressourcen spezialisiert hat.

Das mit mehreren Millionen Dollar dotierte Forschungsprojekt, das vom Industry Alignment Fund-Industry Collaboration Projects (IAF-ICP) unterstützt wird, der von Singapurs Agentur für Wissenschaft, Technologie und Forschung (A*STAR) verwaltet wird, zielt darauf ab, in den nächsten drei Jahren praktikable Lösungen zu entwickeln, um die Umwandlung von Kunststoffabfällen in Wasserstoff wirtschaftlich zu steigern.

Im Rahmen des Projekts soll auch das Potenzial anderer neuer Technologien für die dezentrale Abfallwirtschaft untersucht werden. Untersucht werden soll die Umwandlung schwieriger Abfallströme in Energie und wertvolle Ressourcen wie Synthesegas, Biokohle, Aktivkohle und Kohlenstoffnanoröhren.

Bei 832 Millionen Kilogramm nicht recycelten Kunststoffabfällen, die jährlich in Singapur anfallen, könnte die umgewandelte Energie potenziell bis zu 1.000 Fünf-Zimmer-Wohnungen ein Jahr lang mit Strom versorgen.

Unter der Leitung von Associate Professor Grzegorz Lisak vom Nanyang Environment and Water Research Institute (NEWRI) der NTU wurde für das Forschungsprojekt in Zusammenarbeit mit dem Ocean Purpose Project, einer Nichtregierungsorganisation und einem Sozialunternehmen mit Sitz in Singapur, Meeresmüll aus lokalen Gewässern gesammelt.

Die 269 Millionen Kilogramm Plastikmüll, die derzeit in den Ozeanen treiben, könnten nach Schätzungen des NTU-Teams, wenn sie in Energie umgewandelt würden, ein Elektrofahrzeug 20 bis 40 Millionen Kilometer weit antreiben - das entspricht dem 500- bis 1000-fachen des Erdumfangs.

"Im Rahmen der Nachhaltigkeitsbestrebungen der NTU versuchen wir, neue Wege zu finden, um Müll in Wertstoffe zu verwandeln. Wir wollen Kunststoffabfälle, die nicht recycelt werden können, in hochwertige Chemikalien und Ressourcen umwandeln, z. B. in Wasserstoff, synthetischen Kraftstoff, der Benzin ersetzen könnte, und Kohlenstoffnanoröhren, die für viele industrielle Anwendungen genutzt werden", erklärte Miterfinder Assoc Prof. Lisak, Direktor des Residues, Resource and Reclamation Centre (R3C) am NEWRI, der auch an der School of Civil and Environmental Engineering lehrt.

Im vergangenen November nahmen NEWRI-Forscher am Race For Oceans Singapore teil, einem vom Ocean Purpose Project organisierten Kajakrennen, bei dem entlang der Küste Singapurs Plastikmüll gesammelt wurde. Der Zweck war ein doppelter: die Beseitigung von Meeresmüll durch Sport als Mobilisierung der Gemeinschaft und die Verwendung dieses Mülls als Forschungsmaterial für die Entwicklung eines effizienten Verfahrens zur Umwandlung von Plastikmüll in Wasserstoff.

Mathilda D'silva, CEO und Gründerin des Ocean Purpose Project, sagte: "Unsere Zusammenarbeit mit NTU NEWRI kommt zu einem kritischen Zeitpunkt, an dem wir die Art und Weise, wie Kunststoffe in Asien recycelt werden, neu überdenken müssen. Wie unsere jüngste Zusammenarbeit im Rahmen der Ending Plastic Pollution Innovation Challenge (EPICC) des Entwicklungsprogramms der Vereinten Nationen zeigt, bei der NTU NEWRI vorführte, wie Kunststoffe in Lombok, Indonesien, in Wasserstoff umgewandelt werden können, wird deutlich, dass es eine ungenutzte und in hohem Maße verfügbare Ressource von Meereskunststoff gibt, die in den Kraftstoff der Zukunft umgewandelt werden kann: Wasserstoff, der sich als entscheidender Faktor bei der Beseitigung der Meeresverschmutzung in großem Maßstab erweisen wird.

"Die Spitzenforschung, die Innovation und die Dynamik des NEWRI-Teams der NTU sind eine Traumkooperation für Nichtregierungsorganisationen wie uns, die sich für den Schutz der Meere einsetzen und über Sensibilisierungskampagnen und Strandreinigungen hinausgehen müssen, um unsere Vorstellungen vom Umgang mit Plastikmüll vollständig zu verändern. Wir sind stolz darauf, unsere in Singapur angesiedelte Forschung zu fördern, die eine neue Zukunft für die Verwertung von Kunststoffen einleiten und möglicherweise Tausende von Küsten in Asien reinigen wird."

Craig Gavin, CTO von Bluefield Renewable Energy (BRE), sagte: "Während dieser Pandemie hat der Plastikverbrauch zugenommen, da die meisten von uns ihre Lebensmittel in Plastikbehältern mitnehmen und mehr Lebensmittel einkaufen. Die derzeitigen Praktiken und Bemühungen um das Recycling von Kunststoffen sind schwierig und erfordern die Entsorgung auf Mülldeponien und/oder in Verbrennungsanlagen, was zu Problemen mit der Umweltverschmutzung führt. Bei BRE sind wir stolz auf unsere Fähigkeit, Abfälle in Ressourcen umzuwandeln, basierend auf unserem Flexi-Pyrolyse-System.

"Die Zusammenarbeit mit NTU NEWRI hat es uns ermöglicht, diese umweltschädlichen Kunststoffabfälle als Rohstoff zu nutzen und sie in wertvolle Ressourcen umzuwandeln. Da der Markt auf eine wasserstoffbetriebene Wirtschaft umschwenkt, ermöglicht uns diese Zusammenarbeit, unsere technologischen Anwendungen und die Vermarktung der vor Ort geschaffenen Innovationen zu erweitern und letztendlich ein auf Singapur zentriertes Ressourcenzentrum aufzubauen."

Das Forschungsteam sagt, dass der feste Kohlenstoff aus ihrem neuen Umwandlungsprozess im Vergleich zu den gasförmigen CO2-Emissionen aus der Verbrennung von Kunststoffabfällen viel einfacher zu lagern ist. Darüber hinaus lässt sich der feste Kohlenstoff leicht als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Spezialchemikalien oder Biokraftstoffen verkaufen.

Es handelt sich beispielsweise um eine umweltfreundlichere Kohlenstoffquelle für die Herstellung von Kohlenstoff-Nanoröhren, die für viele Anwendungen wie Batterien und Verbundwerkstoffe nützlich sind, sagt NEWRI Senior Research Fellow Dr. Andrei Veksha, der Miterfinder des Verfahrens, der die Technologie erprobt.

Die Umwandlung von Kunststoffabfällen in Wasserstoff ist ein zweistufiger Prozess: Kunststoffabfälle werden zunächst beim Erhitzen in Gase zersetzt, die geringe Konzentrationen von Wasserstoffmolekülen enthalten. In der zweiten Stufe, wenn die Gase in einen mit einem Katalysator gefüllten Reaktor gelangen, ermöglicht die Technologie die Freisetzung von Wasserstoff als Brennstoff und die Bildung von Kohlenstoffnanoröhren.

Wenn die Initiative erfolgreich ist, wird sie Singapur dabei helfen, die Gesamtmenge der entsorgten Abfälle zu reduzieren und die Lebensdauer von Singapurs einziger Mülldeponie, der Semakau-Deponie, zu verlängern, deren Platz bis 2035 erschöpft sein dürfte.

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