Technologie zur Herstellung von kohlenstoffnegativem Wasserstoff
Eine neue Perspektive für Bioenergie mit CO₂-Abscheidung und -Speicherung
Wasserstoff, der als die "ultimative Energie" für das 21. Jahrhundert gilt, bietet Vorteile wie Sauberkeit, Erneuerbarkeit, Lagerfähigkeit und Vielseitigkeit. Die Internationale Energieagentur geht davon aus, dass im Jahr 2030 115 Millionen Tonnen Wasserstoff benötigt werden, um die weltweiten Kohlendioxid-Nettoemissionen bis 2050 auf Null zu bringen. Dies macht grünen Wasserstoff zu einem vielversprechenden Weg zu einer kohlenstofffreien Gesellschaft.
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Durch die Nutzung von Biomasse für die Wasserstoffproduktion können wir die durch fossile Brennstoffe verursachten Kohlenstoffemissionen verringern und so zur Bewältigung der sich verschärfenden Energiekrise beitragen. Die neuartige Technologie der alkalischen thermischen Behandlung (ATT) zur Wasserstofferzeugung umfasst die Pyrolyse bei Atmosphärendruck und niedriger Temperatur. Unter dem Gesichtspunkt des gesamten Lebenszyklus von Biomasse hat die ATT ein erhebliches Potenzial für "negative Kohlenstoffemissionen" und könnte einige fossile Brennstoffe ersetzen.
In einer in der KeAi-Zeitschrift Carbon Resources Conversion veröffentlichten Übersichtsarbeit untersuchte ein Forscherteam umfassend die jüngsten Fortschritte bei der ATT von Biomasse zur Wasserstofferzeugung. "Es gibt viele Faktoren, die die Effizienz der Wasserstoffproduktion aus ATT-Biomasse beeinflussen", erklärt der Erstautor der Studie, Guojie Liu, Doktorand an der School of Chemical Engineering der Universität Sichuan. "Dazu gehören unter anderem Alkali, Ausgangsmaterial, Katalysatoren, Prozessparameter und Reaktoren."
"Wir müssen jedoch zunächst die grundlegende Rolle und die Synergie von Alkali und Katalysatoren bei der ATT-Reaktion und dem Umwandlungsmechanismus von Biomasse klären und dieses Wissen dann nutzen, um die Entwicklung effektiverer Veredelungsstrategien und sogar den Durchbruch bei Anwendungen in größerem Maßstab anzuleiten", so Liu weiter.
Um die Effizienz der Wasserstoffproduktion aus der ATT-Reaktion zu maximieren, sollte das verwendete Alkali die Umwandlung der Biomasse in kleine vergasbare Zwischenprodukte und die In-situ-Kohlenstoffspeicherung fördern.
"Durch die Überwindung der kinetischen Beschränkung der Reformierungsreaktion bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur im ATT-Prozess kann außerdem die Effizienz der Wasserstoffproduktion gesteigert und die Synergie zwischen Alkali- und Metallkatalysatoren in vollem Umfang demonstriert werden", erklärte Houfang Lu, Professor an derselben Schule.
Nach der Untersuchung wurden vier wichtige Schlussfolgerungen gezogen. Um die Umwandlung von Modellsubstanzen durch verschiedene Alkalien besser zu verstehen und eine geeignetere Biomasse zu finden, sind weitere Studien erforderlich. Um ein geeignetes Katalysatorsystem auf der Grundlage der Zwischenprodukte der ATT-Reaktion zu etablieren, müssen der Deaktivierungsmechanismus des Katalysators, die Wechselwirkung zwischen der aktiven Stelle und dem Träger sowie die katalytische Struktur-Aktivitäts-Beziehung analysiert werden. Bei der Abwägung der Vor- und Nachteile von In-situ- und Ex-situ-Reaktionen sind darüber hinaus die Konstruktion angemessener Reaktoren und die Entwicklung effizienter Einlass-/Auslassmethoden der Schlüssel zur Überwindung von Problemen wie Verkokung, eingeschränktem Stoffaustausch und Katalysatorregeneration, die durch Feststoff-Feststoff-Reaktionen verursacht werden. Schließlich sollten auch eine wirtschaftliche Bewertung und eine Analyse des Energieverbrauchs durchgeführt werden.
"Wir hoffen, dass diese Punkte bei künftigen Experimenten zur Wasserstofferzeugung mit Biomasse-ATT-Prozessen eine Rolle spielen werden, um diese Technologie zu industrialisieren", so Lu.
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