Reuse of spent molecular sieves as adsorbents: a waste valorization strategy for low-temperature thermal energy storage

Energiesysteme verändern sich. Während die Welt bestrebt ist, sich von fossilen Brennstoffen abzuwenden, besteht die Herausforderung nicht nur darin, sauberen Strom zu erzeugen, sondern ihn auch effizient zu speichern, wenn die Sonne nicht scheint oder der Wind nicht weht. Ein vielversprechender Weg, Wärme zu speichern, ist ein Prozess namens Adsorption. Stellen Sie sich einen Schwamm vor, der Wasserdampf aus der Luft aufsaugen kann; wenn dieser Schwamm erhitzt wird, gibt er das Wasser ab und absorbiert dabei eine beträchtliche Menge thermischer Energie. Wenn dieser Zyklus wiederholt werden kann, fungiert das Material als Wärmebatterie, die Energie speichert, bis sie benötigt wird. Der Schlüssel zum Erfolg liegt darin, Materialien zu finden, die günstig, stabil und exzellent darin sind, Wasser aufzunehmen und wieder abzugeben. Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftler nach synthetischen Kristallen, bekannt als Molekularsiebe, für diese Aufgabe, aber diese Materialien sind teuer in der Herstellung und werden oft als gefährlicher Abfall entsorgt, sobald sie ihren ursprünglichen Zweck in der industriellen Gasreinigung erfüllt haben.

Ein Forscherteam in Argentinien hat dieses Problem in eine Chance verwandelt. Sie untersuchten, ob die „verbrauchten“ Molekularsiebe – jene, die bereits in der Erdgasreinigung eingesetzt wurden und derzeit entsorgt werden – ein zweites Leben als Wärmespeichermaterialien erhalten könnten. Anstatt diese gebrauchten Kristalle als Abfall zu behandeln, fragten die Forscher, ob ihre interne Struktur und ihre Fähigkeit, Wasser zu halten, nach jahrelangem industriellem Einsatz intakt geblieben seien. Durch den Vergleich dieser gebrauchten Materialien mit frischen, natürlichen Kristallen und einer anderen Art von synthetischer Verbindung entdeckten sie, dass das Abfallmaterial die wesentlichen Eigenschaften behält, die für die Funktion als Wärmebatterie erforderlich sind. Dieser Befund deutet auf einen Weg hin, ein gefährliches industrielles Nebenprodukt in eine wertvolle Ressource zu verwandeln und so eine Kreislaufwirtschaft zu unterstützen, in der Abfall in ein Werkzeug für nachhaltige Energie transformiert wird.

Die Studie begann mit einer spezifischen Art von Abfall: verbrauchte Molekularsiebe, die aus einer Gasverarbeitungsanlage der Öl- und Gasindustrie stammen. Diese Anlagen nutzen die Siebe, um Erdgas zu trocknen und zu reinigen, indem sie Wasser und andere Verunreinigungen entfernen. Mit der Zeit werden die Siebe gesättigt und ersetzt, wodurch in einer einzigen Anlage jährlich etwa 50 Tonnen dieses Materials anfallen. Derzeit wird dieser Abfall als gefährlich eingestuft, da er eingeschlossene Kohlenwasserstoffe enthält, was zu Entsorgungskosten und Umweltbedenken führt. Die Forscher nahmen eine Probe dieses gebrauchten Materials, bei dem es sich um einen synthetischen Kristall aus Silizium, Aluminium und Sauerstoff handelt, und unterzogen es einer Reihe strenger Tests. Um einen fairen Vergleich zu gewährleisten, testeten sie auch ein natürliches Mineralkristall, das in der Erde vorkommt, sowie ein im Labor hergestelltes Verbundmaterial, wobei sie untersuchten, wie jedes Material auf Hitze reagierte und wie es mit Wasser interagierte.

Der erste Schritt bestand darin, die physikalische Struktur der Materialien zu untersuchen. Mithilfe leistungsstarker Mikroskope untersuchten die Forscher die Oberfläche und die internen Poren der verbrauchten Siebe. Sie fanden heraus, dass die Kristalle trotz ihres langen Dienstes in einer Industrieanlage ihre Struktur nicht verloren hatten oder ihre poröse Natur eingebüßen hatten. Die winzigen Kanäle und Löcher, die es Wassermolekülen ermöglichen, ein- und auszutreten, waren immer noch deutlich sichtbar und gut vernetzt. Dies war ein entscheidender Befund, da die Fähigkeit, Wärme in diesem System zu speichern, vollständig von der Kapazität des Materials abhängt, Wasser hinein- und herauszulassen. Die gebrauchten Kristalle sahen den frischen Kristallen verblüffend ähnlich, was darauf hindeutet, dass die harschen Bedingungen der Gasreinigung nicht die Merkmale zerstört haben, die sie für die Energiespeicherung so nützlich machen.

Als Nächstes analysierte das Team die chemische Zusammensetzung der Materialien, um zu verstehen, wie sie mit Wasser interagieren würden. Sie maßen das Verhältnis von Silizium zu Aluminium in den Kristallen, ein Faktor, der bestimmt, wie stark ein Material Wassermoleküle anzieht. Die verbrauchten Molekularsiebe wiesen einen hohen Aluminiumgehalt auf, der eine starke elektrische Anziehungskraft auf Wasser ausübt, was das Material sehr gut darin macht, Feuchtigkeit aufzusaugen. Im Gegensatz dazu hatte das von ihnen getestte natürliche Mineral weniger Aluminium und würde Wasser wahrscheinlich weniger fest halten. Das dritte Material, ein Verbundstoff aus Calciumphosphat, verhielt sich wiederum anders, da es eher auf der Oberflächenchemie als auf der internen Kristallstruktur basiert, um Wasser zu halten. Die chemische Analyse bestätigte, dass die verbrauchten Siebe über die richtige Art von „Klebrigkeit“ für Wasser verfügten, eine lebenswichtige Eigenschaft für das Einfangen und Freisetzen von Wärmeenergie.

Die Forscher gingen dann zur thermischen Prüfung über, bei der sie die Materialien erhitzten, um ihr Verhalten bei Temperaturänderungen zu beobachten. Sie verwendeten eine Technik namens thermogravimetrische Analyse, die misst, wie viel Masse eine Probe verliert, wenn sie heißer wird. Während die Temperatur stieg, verloren alle drei Materialien an Gewicht, aber sie taten dies auf unterschiedliche Weise. Das natürliche Mineral war sehr stabil und verlor nur wenig Masse, was bedeutete, dass es sein Wasser sehr fest hielt, es aber möglicherweise nicht leicht genug für eine schnelle Energiespeicherung freigeben konnte. Das Verbundmaterial verlor bei höheren Temperaturen eine beträchtliche Menge an Gewicht, was jedoch auf den Abbau seiner organischen Bestandteile zurückzuführen war – ein Zeichen dafür, dass es für den wiederholten Gebrauch möglicherweise nicht stabil genug ist. Die verbrauchten Molekularsiebe zeigten hingegen ein ausgewogenes Verhalten. Sie gaben Wasser stetig ab, während sie erhitzt wurden, und verloren Masse in einer kontrollierten Weise, ohne auseinanderzufallen. Dies deutete darauf hin, dass sie erhitzt werden können, um gespeicherte Energie freizusetzen, und dann abgekühlt werden können, um sie wieder aufzunehmen – ein Zyklus, der für eine wiederverwendbare Wärmebatterie essenziell ist.

Um die bei diesem Prozess beteiligte Energie zu verstehen, nutzte das Team eine Methode namens dynamische Differenzkalorimetrie, die den Wärmefluss in oder aus einem Material misst. Als sie die verbrauchten Molekularsiebe erhitzten, beobachteten sie eine breite Absorption von Wärmeenergie. Diese Wärme wurde nicht nur zur Erwärmung des festen Materials verwendet; sie wurde dazu genutzt, die Wassermoleküle von der Oberfläche des Kristalls und aus seinen winzigen Poren wegzuziehen. Die Tatsache, dass diese Wärmeabsorption über einen weiten Temperaturbereich stattfand, deutete darauf hin, dass das Wasser auf viele verschiedene Arten innerhalb des Kristalls gehalten wurde, einige schwach und andere stärker. Dies ist für die Energiespeicherung tatsächlich von Vorteil, da es dem Material ermöglicht, Wärme schrittweise statt auf einmal zu absorbieren. Die Messungen zeigten, dass die verbrauchten Siebe eine beträchtliche Menge thermischer Energie absorbieren konnten, vergleichbar mit oder sogar besser als das frische natürliche Mineral, was bewies, dass ihre Fähigkeit zur Wärmespeicherung während ihres ersten Lebens im Gaswerk nicht verloren gegangen war.

Die Studie kam zu dem Schluss, dass diese weggeworfenen industriellen Kristalle nicht bloß Abfall, sondern eine praktikable Ressource für die Niedrigtemperatur-Thermische Energiespeicherung sind. Die verbrauchten Molekularsiebe bewahrten ihre strukturelle Integrität, ihre chemische Fähigkeit, Wasser anzuziehen, sowie ihre thermische Stabilität, selbst nachdem sie unter harschen industriellen Bedingungen eingesetzt worden waren. Sie konnten erhitzt werden, um Wasser und Energie freizusetzen, und dann abgekühlt werden, um Wasser und Energie aufzunehmen, ohne zu zerfallen. Dieser Befund bietet einen praktischen Weg nach vorne für die Kreislaufwirtschaft. Anstatt 50 Tonnen gefährlichen Abfall jedes Jahr auf eine Deponie zu schicken, könnte eine Gasverarbeitungsanlage dasselbe Material potenziell nutzen, um erneuerbare Energien zu speichern. Während die Forscher anmerkten, dass weitere Arbeiten nötig sind, um zu testen, wie diese Materialien über viele Jahre des wiederholten Erhitzens und Kühlens hinweg abschneiden, sind die ersten Ergebnisse eindeutig: Der Abfall einer Industrie könnte die Energiespeicherlösung einer anderen werden und so ein Entsorgungsproblem in einen nachhaltigen Vermögenswert verwandeln.