EnerChem

Hydrothermal synthesis of carbon from biomass

Since the beginning of the industrial revolution the amount of carbon dioxide in the atmosphere has gone up by 25% – an increase, which can clearly be attributed to human activity, particularly to the combustion of coal, oil and natural gas.
Currently our economy generates an excess of 27 billion tons CO₂ per year with the known implications on climate and our survival.

The conventional discussion to handle this problem is to replace a minor part by bio fuel and energy extraction from biomass. In terms of carbon dioxide and the role it plays in climate change, it would not only be highly desirable to slow down further
CO₂ emission but even to counter the global warming by binding the greenhouse gas CO₂ already present in the atmosphere. The largest and most efficient carbon sink for atmospheric CO₂ is biomass. A rough estimate of terrestrial biomass growth amounts to 118×10⁹ tons per year, when calculated as dry matter. However biomass is just a short term, temporary sink, since microbial decomposition of carbohydrates liberates the amount of CO₂ formerly bound in the plant material. Another carbon sink active in the past is coal formation. However with carbon fixation taking place on the timescale of some hundred (peat) to hundred million (black coal) of years, it is usually not considered in renewable energy exploitation schemes or as an active sink in CO₂ cycles.

In the framework of EnerChem this process was now accelerated to several hours under moderate temperatures. Carbon is fully fixed from bio waste by conversion into coal, which furthermore exhibits a nanostructured morphology beneficial for various applications.

Contact: Prof. M. Antonietti / MPI of Colloids and Interfaces

HTC – Hydrothermale Carbonisierung

Hydrothermale Synthese von Kohle aus Biomasse

Seit Beginn der industriellen Revolution in den letzten 200 Jahren hat die atmosphärische Konzentration von CO₂ um mehr als 25% zugenommen. Diese Zunahme lässt sich eindeutig auf menschliche Aktivitäten zurückführen, insbesondere auf die Verbrennung von Kohle, Öl und Erdgas. Zurzeit produziert unsere Ökonomie etwa 27 Milliarden Tonnen CO₂/Jahr, was bekanntermaßen gravierenden Einfluss auf Umwelt und das Klima hat.

Um dieses Problem in den Griff zu bekommen wird im Moment vor allem die Extraktion von Treibstoff und/oder Energie aus Biomasse diskutiert. In Anbetracht des voranschreitenden Klimawandels und der Rolle, die CO₂ darin spielt, ist es jedoch notwendig, nicht nur die momentane CO₂ Emission zu senken, sondern sogar die momentane Entwicklung umzukehren, indem CO₂ aus der Atmosphäre zurückgewonnen und gespeichert wird. Die größte und bei weitem effizienteste Speicherung von CO₂ in Form von Kohlenstoff wird durch Biomasse ermöglicht. Jährlich entstehen schätzungsweise 118×10⁹ Tonnen Biomasse neu, wenn man von ihrem trockenen Zustand ausgeht.

Allerdings speichert Biomasse CO₂ nur kurzzeitig, da durch mikrobiologische Zersetzung der enthaltenen Kohlenhydrate exakt der Anteil an CO₂ freigelassen wird, der vorher gebunden wurde. Die Entstehung von Kohle ist dagegen eine effiziente Form der CO₂

Speicherung aus Biomasse. Ungünstigerweise verläuft sie über einen Zeitraum von mehreren hundert (Torf) zu hundert Millionen Jahren (Steinkohle). Im Rahmen des EnerChem Projekts ist es nun gelungen diesen Prozess auf einen Zeitraum von mehreren Stunden abzukürzen und das bei niedrigen Temperaturen. Kohlenstoff aus Bioabfällen wird dabei zu 100% als Kohle gebunden, diese fällt außerdem in einer für viele Anwendungen günstige nanostrukturierter Form an.

Kontakt: Prof. M. Antonietti / MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung

HTC – Hydrothermale Carbonisierung

Analyse und Theorie von Kohlenstoff

Kohlenstoffmaterialien spielen eine zentrale Rolle im dem Projekthaus EnerChem. Die Mikrostruktur der Kohlenstoffe beeinflusst das Verhalten der Materialien in den verschiedenen Anwendungen. Um eine genaue Strukturanalyse zu betreiben, wird Transmissionselektronenmikroskopie verwandt.

Elektronenenergieverlustspektroskopie liefert im Zusatz dazu eine Aussage über elektronische Struktur der Festkörper.Die Oberflächenchemie kann ergänzend dazu mit Infrarot und Photoelektronspektroskopie aufgeklärt werden. Theoretische Rechnungen mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie ergänzen die experimentellen Befunde. Besonderer Schwerpunkt wird hier auf die Berechnung der Zustandsdichte, Schwingungseigenschaften von Molekülen und Festkörpern sowie Stabilität von Defekten (strukturelle Defekte, Heteroatome) in der Kohlenstoffmatrix gelegt. Insgesamt ist es so möglich, den Materialien eine Struktur-Aktivitäts-Korrelation zuzuordnen.

Kontakt: Prof. R. Schlögl / FHI

Analysis and Theory on Carbon Materials

Carbon materials play a central role in the project house EnerChem. The microstructure of the carbons affects the performance of the materials in their various applications. In order to perform a thorough structural analysis transmission electron microscopy is applied.

Electron energy loss spectroscopy gives in addition a insight into the electronic structure of the solid. The surface chemistry can in addition be accessed with methods like infrared and photoelectron spectroscopy. Theoretical calculations with density functional theory support the experimental results. A focus is laid on the calculation of the density of states, the vibration modes of molecules and on the stability of defects (structural defects, heteroatoms) in the carbon matrix. With these combined techniques it is possible to assign to every material a structure-activity-correlation.

Contact: Prof. R. Schlögl / FHI

Energieforschung

Die Forschung beinhaltet verschiedene Aspekte wie Energiespeicherung, Energiebereitstellung, Energieverbrauch, Infrastruktur und Verteilung. Die Recherchen basieren auf Internetinformationen, Datenbanken, Austausch mit Wissenschaftlern, Industrie, verschiedenen Verbänden und Organisationen, Experten und Politikern.

Die Analysen umfassen folgende Aspekte: Hauptherausforderungen, wahrscheinliche Entwicklungen, politische Rahmenbedingungen, Umweltbedingungen und Nachhaltigkeit, Was kann EnerChem und das Fritz-Haber-Institut beitragen um Antworten auf diese Probleme zu finden? Bisherige Projekte: Biodiesel, Lithium-Ionen Batterien, Brennstoffzellen und Wasserstoffherstellung: Untersuchung von verschiedenen Brennstoffzellentypen, technische Grundprinzipien, Anwendungsgebiete und deren Poteniale, Leistungsbereiche erwartete Kosten pro Leistungseinheit. Der Forschungs- und Entwicklungsbedarf wird ermittelt. Die Untersuchung stellt eine Europäische Roadmap der Markteinführung von Brennstoffzellen dar. Sie gibt einen Überblick über Nationale und Internationale Kooperationen und Netzwerke.

Kontakt: Prof. R. Schlögl / FHI