Ein wichtiger Ansatz zur Erreichung von CO2-Netto-Null-Emissionen beruht auf der Umstellung verschiedener Teile der Wirtschaft, wie z. B. Privatfahrzeuge und Heizung, auf Strom aus erneuerbaren Quellen. Aber Kohlenstoff kann nicht aus allen Teilen der Gesellschaft entfernt werden. Kunststoffe, die in der modernen Welt allgegenwärtig sind, können nicht dekarbonisiert werden, da sie aus Molekülen auf Kohlenstoffbasis bestehen.
Unter der Leitung der Chemikerin Wendy Shaw vom Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hat eine multiinstitutionelle Initiative einen neuen Fahrplan zur Emissionsreduzierung in schwer zu elektrifizierenden Wirtschaftssegmenten erstellt. Der vielschichtige Ansatz umfasst die Entwicklung kohlenstofffreier Kraftstoffe, die Suche nach nicht-fossilen Kohlenstoffquellen und die Beibehaltung des Kohlenstoffs im Spiel, sobald er in den Kreislauf gelangt, was im Idealfall zu einer mehrfachen Verwendung jedes Kohlenstoffatoms führt.
Einweg-Kohlenstoff könne nicht mehr weit verbreitet sein, behaupten die Roadmap-Autoren. Der Kohlenstoff muss durch eine Kreislaufwirtschaft im Spiel gehalten werden, in der jedes Kohlenstoffatom mehrfach verwendet wird. Der Kohlenstoff kann innerhalb desselben Industriesektors wiederverwendet werden oder als Rohstoff für einen neuen Industriesektor dienen. Beispielsweise werden die Entwicklung von Polymer-Upcycling-Prozessen und die effiziente Wiederverwendung kohlenstoffbasierter Materialien von zentraler Bedeutung für eine Zukunft mit Netto-Null-Kohlenstoffemissionen sein.
„Wir brauchen neuartige und kreative Lösungen, um unsere Dekarbonisierungsziele zu verwirklichen“, sagte PNNL-Direktor Steven Ashby. „Zusammenarbeit ist der Schlüssel zur Beschleunigung der anwendungsorientierten wissenschaftlichen Forschung in der Katalyse- und Trennwissenschaft, die diese Lösungen unterstützen wird. Ich warte gespannt auf diese Ergebnisse und ihren Einsatz in der Luftfahrt, im Schwerlast- und Seetransport.“
Die Ideen gingen aus einem Workshop zum Thema „Den Kohlenstoffkreislauf schließen“ hervor, der gemeinsam von PNNL, Ames National Laboratory, Argonne National Laboratory, Brookhaven National Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory, Oak Ridge National Laboratory und dem SLAC National Accelerator Laboratory veranstaltet wurde. Zu den Leitern jedes Labors gehörten Shaw, James Morris, Max Delferro, Sanjaya Senanayake, Francesca Toma, Michelle Kidder und Simon Bare.
„Die Weiterentwicklung von Kohlenstoffrecycling- und -umwandlungstechnologien ist der Schlüssel zu einer sauberen Energiezukunft, und Argonne engagiert sich dafür, diese Entwicklung zu unterstützen“, sagte Argonne-Direktor Paul Kearns. „Ich lobe die Forscher, die im gesamten nationalen Laborkomplex des Energieministeriums zusammenarbeiten, um diese transformativen Innovationen voranzutreiben, um bis 2050 Netto-Null zu erreichen.“
Ein Fahrplan zur Dekarbonisierung
Sowohl Wasserstoff als auch Ammoniak haben Potenzial als kohlenstofffreie Kraftstoffe. Allerdings gibt es bei beiden klare Herausforderungen bei der Umsetzung. Insbesondere die Kosten für die Speicherung und den Transport von Wasserstoff machen es mit aktuellen Technologien unpraktikabel. Die Arbeit an der Entwicklung von Trägermolekülen und Materialien, um einen sicheren und erschwinglichen Wasserstofftransport zu ermöglichen, wird das Hydrogen Earthshot-Ziel des Energieministeriums ergänzen, Wasserstoff für 1 USD/Kilogramm oder weniger regenerativ zu produzieren. Diese Kostensenkung könnte dazu beitragen, tragfähige wasserstoffbasierte Systeme zu schaffen.
Die Nutzung von Kohlenstoff aus verschiedenen Quellen ist für den vorgeschlagenen Ansatz von zentraler Bedeutung. Kohlenstoff wird für viele kritische Wirtschaftssektoren weiterhin von entscheidender Bedeutung sein. Diese Sektoren sind Kandidaten für einen zirkulären Kohlenstoffkreislauf durch Recycling und die Einbindung mehrerer Kohlenstoffquellen. Mögliche Quellen für wertvollen Kohlenstoff sind Biomasse, Lebensmittelabfälle und Plastikmüll.
Um diesen Prozess Wirklichkeit werden zu lassen, sind effektive und effiziente Trennungen und Umwandlungen erforderlich, da komplexe Gemische die meisten nichtfossilen Kohlenstoffströme ausmachen.
„Kohlenstoff sollte als wertvolles Gut betrachtet werden, das konserviert und wiederverwendet werden muss“, sagte Shaw, Chief Science and Technologie Beamter der PNNL-Direktion für physikalische und computergestützte Wissenschaften. „Unsere Vision ist es, die Rolle von Kohlenstoff in unserer Wirtschaft zu verändern, indem wir jedes Kohlenstoffatom in einer Kreislaufwirtschaft mehrfach wiederverwenden.“
Die effektive Umwandlung „traditioneller“ Abfallmaterialien in wiederverwendbare Materialien bleibt von entscheidender Bedeutung. Die Kombination der Trennungs- und Umwandlungsschritte durch reaktive Trennungen könnte einen praktischen Ansatz darstellen. Reaktive Trennungen kombinieren chemische Reaktionen mit reinigenden Trennungen und können eine Prozessintensivierung bewirken und den nichtfossilen Kohlenstoff effizienter umwandeln.
„Wir brauchen neue grundlegende wissenschaftliche Entwicklungen, um integrierte industrielle Ansätze hervorzubringen“, sagte Morris. „Die daraus resultierenden Technologien werden neue wirtschaftliche Möglichkeiten, Bildungsentwicklung und zusätzliches Beschäftigungswachstum schaffen.“
Die Roadmap stellt eine Zukunft ohne Verschwendung dar, in der Kohlenstoff als kostbares Gut und nicht als verfügbare Ressource behandelt wird. Die Einbeziehung nachhaltiger Kohlenstoffquellen in die Kohlenstoffkreislaufwirtschaft ist für diese Zukunft von entscheidender Bedeutung.
Der vollständige Artikel ist verfügbar in Nature Reviews Chemie.