Forschende präsentieren ein neues Direct Air Capture (DAC)-Verfahren für die Abscheidung von CO2 aus der Luft. Sie nutzen für ihr Verfahren Lebensmittelabfälle aus der Käse- und Tofuproduktion, die zu Proteinkügelchen verarbeitet werden. Das Abscheiden und Isolieren des CO2 braucht weniger Energie als bei herkömmlichen Verfahren und ist damit voraussichtlich kostengünstiger.
Um die globale Erhitzung längerfristig auf unter 1,5 Grad Celsius zu stabilisieren sind neben der drastischen Reduktion der Treibhausgasemissionen Technologien nötig, um hunderte Milliarden Tonnen Kohlendioxid (CO2) aus der Luft zu entfernen und zu speichern. Davon gehen auch die Szenarien im letzten Sachstandbericht des Weltklimarats IPCC aus.
Forschungsgruppen und Start-ups arbeiten deshalb seit Jahren an Möglichkeiten, um CO2 direkt aus der Luft zu entfernen – an sogenannten Direct Air Capture (DAC)-Verfahren. Das Unternehmen Climeworks, das 2009 als ETH-Spin-off gegründet wurde, gehört zu den weltweit ersten kommerziellen DAC-Anbietern. Bis heute ist die direkte Entnahme von CO2 aus der Luft jedoch energieintensiv und teuer.
Aus Lebensmittelabfall wird CO₂-Fänger
In einer soeben in der Fachzeitschrift PNAS erschienenen Studie präsentieren Forschende einen neuen, vielversprechenden Weg für DAC. Eine Gruppe um den Materialwissenschaftler Raffaele Mezzenga, Professor am Departement Gesundheitswissenschaften und Technologie der ETH Zürich, nutzt Molke und Reste aus der Tofuproduktion für die CO2-Absorption.
Bei der Milch- und Tofuproduktion entstehen große Mengen an proteinhaltigen Lösungen. Nur ein kleiner Teil wird in der Nahrungsmittelproduktion weiterverarbeitet, der Rest fällt als Abfall an. Aus diesem isolieren die Forschenden Proteine und bilden damit lange, fadenförmige Ketten, sogenannte Amyloidfibrillen. Diese bestücken sie anschließend mit Kaliumhydroxid und verarbeiten sie zu Kügelchen mit einem Durchmesser von einem halben bis zu einem Zentimeter. «Das resultierende Material ist wie ein Schwamm, der über das Kaliumhydroxid sehr viel CO2 aufnehmen kann», erklärt Mezzenga.
Werden die porösen Kügelchen der Umgebungsluft ausgesetzt, reagiert das Kaliumhydroxid mit CO2 und bildet Hydrogencarbonat, ein Salz der Kohlensäure. Dadurch wird das CO2 der Luft entzogen. «In unseren Tests mit Umgebungsluft konnten wir mit einem Gramm Material 97 Milligramm CO2 entziehen», erklärt Zhou Dong, Postdoc in Mezzengas Gruppe und Erstautor der Studie. Das sei sehr hoch, und liege 10 bis 50 Prozent über der Kapazität herkömmlicher DAC-Methoden. Dong geht davon aus, dass mit einem Kilogramm Proteinkügelchen pro Verfahrenszyklus theoretisch rund 100 Gramm CO2 gebunden und isoliert werden könnten.
Verfahren für Kreislaufwirtschaft
Herkömmliche DAC-Verfahren nutzen meist Wärme und Unterdruck, um das Kohlendioxid wieder vom Absorbtionsmaterial zu lösen. Dies ist nötig, um das CO2 anschließend einzulagern oder zu anderen Stoffen weiterzuverarbeiten und damit längerfristig der Atmosphäre zu entziehen. Dieser Prozess benötigt jedoch viel Energie, weshalb DAC heute meist nur dort energetisch und ökonomisch sinnvoll ist, wo viel erneuerbare Energie vorhanden ist.
Auch hier gehen die Forschenden um Mezzenga einen anderen Weg: Um das Kohlendioxid wieder von den Proteinkügelchen zu lösen, werden diese bei Raumtemperatur während rund zehn Minuten alternierend mit einer milden Säure und Base besprüht. Dadurch werden die chemischen Bindungen aufgelöst und das CO2 kann isoliert werden.
Säure, Base und die Kügelchen können anschließend wiederverwendet werden. «Die synthetischen Materialien, die heute bereits zum Auffangen von CO2 genutzt werden, zersetzen sich rasch», erzählt Dong. «Unsere Proteinkügelchen hingegen bleiben über längere Zeit stabil.»
Die Forschenden haben im Labor 30 Zyklen der CO2-Adsorption und Freigabe getestet, ohne deutliche Effizienzverluste. Mezzenga geht davon aus, dass das Material nach einigen tausend Zyklen trotzdem ausgewechselt werden müsste, weil die Adsorptionsleistung abnimmt. Die Proteinkügelchen könnten dann jedoch als Dünger in der Landwirtschaft genutzt oder zu Biotreibstoff verarbeitet werden, erklärt der Forscher. Sie bestünden vollumfänglich aus organischem Material und seien gut abbaubar. Damit könnte das System Teil einer Kreislaufwirtschaft werden.
«Die Materialien, die wir für den Prozess einsetzen, sind nicht giftig und für den Lebensmittelbereich zugelassen», betont Mezzenga. In einer Lebenszyklusanalyse zeigen die Forschenden, dass ihre Methode über den ganzen Lebensweg hinweg weniger Umweltbelastung verursacht als andere DAC-Verfahren.
Voraussichtlich günstiger als andere Abscheidemethoden
Ob sich die Technologie für den Einsatz in der Praxis skalieren lässt und die hohe Aufnahmekapazität von CO2 auch in größerem Maßstab bestehen bleibt, wird sich erst in weiteren Tests zeigen. Für die soeben publizierte Studie haben die Forschenden das Verfahren in einer kontrollierten Laborumgebung mit wenigen Gramm Proteinkügelchen getestet und damit rund 50 Gramm CO2 gebunden und isoliert.
Mezzenga ist zuversichtlich. Er arbeitet seit fast 20 Jahren mit Amyloidfibrillen und ist mit dem Material vertraut. In der Vergangenheit hat er damit biologisch abbaubare Alternativen zu Plastik und Verfahren für die Wasserreinigung entwickelt. «Wir sind überzeugt, dass sich die Technologie skalieren lässt», sagt er. Das Sprühsystem, mit welchem das CO2 von den Proteinkügelchen getrennt wird, orientiere sich an bestehenden Verfahren, die in der Industrie bereits verwendet werden, so Mezzenga. Postdoc Zhou Dong wird die Skalierbarkeit nun weiter prüfen.
Zwar haben die Forschenden noch keine exakte Berechnung der Kosten pro eingefangene Tonne CO2 gemacht, Mezzenga geht aber davon aus, dass diese deutlich tiefer liegen werden als bei herkömmlicher DAC. «Unsere Technologie ist günstiger und nachhaltiger, weil sie wenig Energie benötigt und auf einem breit verfügbaren Abfallprodukt beruht», so Mezzenga. «Das könnte für die Zukunft der Entfernung von CO2 aus der Luft ein ‹game changer› sein.»