Neue Technologien könnten billiger und weniger liefern

Trotz der Bemühungen, auf erneuerbare Energiequellen umzusteigen, bleibt Öl das Rückgrat der modernen Gesellschaft. Es liefert Brennstoffe für Wärme und Transport sowie Chemikalien für alles von Kunststoffen bis hin zu Arzneimitteln. Doch all diese Anwendungen erfordern die Trennung von Rohöl in seine verschiedenen Bestandteile. Dieser Trennungsprozess – der traditionell auf Wärme beruht – verbraucht enorm viel Energie und ist jedes Jahr für etwa 1 % der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich.

Nun sagen Chemiker, dass ein neu entwickeltes Material eines Tages dazu beitragen könnte, diesen erheblichen – wenn auch weitgehend unsichtbaren – CO2-Fußabdruck zu verringern, der jährlich etwa 230 Gigawatt verbraucht, was dem Gesamtenergieverbrauch von Nevada entspricht. Forscher berichten diese Woche, dass eine neuartige Membran, wenn sie vergrößert wird, den Energiebedarf für die Trennung von Rohöl um mehr als die Hälfte reduzieren könnte. Solche Membranen würden nicht nur die Verwendung von Rohöl umweltfreundlicher machen, sondern auch die Produktion für Raffinerien verbilligen, da sie dadurch jedes Jahr Milliarden von Dollar an Energiekosten einsparen könnten.

„Die potenziellen Einsparungen sind ziemlich beeindruckend“, sagt Ryan Lively, ein Chemieingenieur am Georgia Institute of Technology, der nicht an der neuen Arbeit beteiligt war. Die neuen Membranen müssten sich dennoch über Monate, wenn nicht Jahre hinweg als haltbar erweisen, fügt er hinzu. Er und andere warnen auch davor, dass konventionelle Ölraffinerien diese möglicherweise nur langsam einführen, da die Unternehmen bereits Kosten in die Installation konventioneller Trennsysteme gesteckt haben. Laut Lively könnten die neuen Membranen jedoch schnell in neuen Raffinerien eingesetzt werden, die Kohlenwasserstoffgemische trennen sollen, die aus Biokraftstoffen oder synthetischen Kraftstoffen hergestellt werden, die mit erneuerbarem Strom hergestellt werden. „Das ist wirklich reifes Gebiet“, sagt Lively.

Rohöl ist eine Mischung aus Zehntausenden Chemikalien. Der erste Schritt bei der Erdölraffinierung ist die Trennung dieser Mischung durch einen Destillationsprozess. Das rohe Rohöl wird auf etwa 500°C erhitzt. Leichtere Bestandteile, wie sie beispielsweise im Benzin enthalten sind, verdampfen bei niedrigeren Temperaturen und werden aufgefangen. Schwerere Bestandteile, wie zum Beispiel Heizöl, verdampfen bei höheren Temperaturen.

Vor zwei Jahren berichteten Forscher um Lively und Andrew Livingston, Chemieingenieur an der Queen Mary University of London, in Science, dass es möglich sei, diese Komponenten mithilfe von Membranen statt durch Destillation abzutrennen. Sie schufen Membranen mit eingebauten Poren, die kleine, leichte Kohlenwasserstoffe durchlassen und größere, schwerere fernhalten. Allerdings passierten leichte Kohlenwasserstoffe die Membranen zu langsam, um sie für den realen Einsatz nutzbar zu machen.

Um dies zu umgehen, wandten sich Livingston und seine Kollegen einem industriellen Ansatz zur Herstellung ultradünner Wasserentsalzungsmembranen zu, der sogenannten Grenzflächenpolymerisation. Sie hofften, dass dünnere Membranen den gewünschten Kohlenwasserstoffen einen schnelleren Durchgang ermöglichen würden. Allerdings weist Livingston darauf hin, dass die typischerweise zur Entsalzung verwendeten Membranen in einer wasserbasierten Umgebung zwar robust sind, bei Einwirkung von Kohlenwasserstoffen, zu denen auch industrielle Lösungsmittel gehören, jedoch schnell auseinanderfallen.

Deshalb reformierten er und seine Kollegen die Polymere, aus denen herkömmliche Membranen bestehen. Zunächst stellten sie einzelne Polymere her und verbanden einen hydrophoben oder ölähnlichen Teil mit einem hydrophilen oder wasserähnlichen Strang. Als sie diese Moleküle einer Mischung aus Öl und Wasser hinzufügten, fügten sie sich spontan zu winzigen Bläschen oder Vesikeln zusammen, wobei der hydrophobe Teil nach innen zeigte. Anschließend nutzten sie die Grenzflächenpolymerisationstechnik, um diese Vesikel zu einer kontinuierlichen ultradünnen Schicht auszubreiten und alle Polymereinheiten miteinander zu verbinden, um eine robuste Membran zu bilden.

Der Ansatz hat funktioniert. Die hydrophoben Kerne der Vesikel ließen (basierend auf Größe und anderen Eigenschaften) ausgewählte Kohlenwasserstoffe problemlos passieren – etwa zehnmal schneller als in früheren Öltrennmembranen, berichteten Livingston und seine Kollegen gestern in Science. Die Forscher zeigten auch, dass sie durch die Anpassung der chemischen Zusammensetzung der Polymere unterschiedliche Membranen schaffen könnten, die selektiv Kohlenwasserstoffe unterschiedlicher Größe passieren.

Laut Neel Rangnekar, Chemieingenieur bei Exxon und Teammitglied des neuen Papiers, könnten durch den Wechsel von der Destillation zur Membrantrennung bis zu 50 % der Kosten für die Erhitzung des Rohöls und 75 % der Stromkosten für die Raffinierung eingespart werden , was mindestens 3,5 Milliarden US-Dollar pro Jahr entspricht.

„Das ist ein sehr aufregendes Ergebnis“, sagt David Sholl, ein Trennungsexperte am Oak Ridge National Laboratory, der nicht an der Studie beteiligt war. Allerdings sind die neuartigen Membranen laut Sholl noch nicht reif für den industriellen Einsatz. Sie müssen noch von der Größe eines Blattes Schreibpapier auf Hunderte von Quadratmetern vergrößert werden und sich für monatelangen Dauereinsatz als haltbar erweisen. Aber Sholl glaubt, dass diese ermutigenden Ergebnisse dafür sorgen werden, dass Ölunternehmen weiterhin eine Technologie erforschen, die sowohl Geld sparen als auch ihre CO2-Emissionen reduzieren könnte. „Alle Chemieunternehmen sind äußerst daran interessiert, dies zu versuchen“, sagt er.