Mit Zitronensäure gegen Klimaprobleme

Kohlekraftwerke sichern bis heute weltweit etwa ein Viertel der Energieversorgung. Wie das Statistische Bundesamt Mitte September mitteilte, lieferten sie auch im ersten Halbjahr 2021 in Deutschland über ein Viertel des benötigten Stroms. Ständige Begleiter sind Abgase und Kohleasche. Für die von der Politik favorisierten Alternativen fehlen mitunter die Rohstoffe.

Ein einfaches Hausmittel könnte nun beide Probleme auf einmal lösen: Zitronensäure. Zusammen mit der Abscheidung und Verwendung von CO₂ von Abgasen aus Kohlekraftwerken könnte nicht nur sauberer Kohlestrom hergestellt, sondern auch das Aschevolumen reduziert und wichtige Rohstoffe für eine Vielzahl von Hightech-Geräten, von Smartphones bis zu Solarzellen, gewonnen werden. Das Verfahren entstand im Auftrag des US-Energieministeriums (DOE) und ist Gegenstand eines Patentantrags.

Effektiver als im Bergwerk

Es sei eine „unerwartete Wohltat der Natur, dass ein harmloses, lebensmitteltaugliches Lösungsmittel zur Gewinnung der begehrten Seltenerdmetalle aus Kohleasche verwendet werden kann“, berichteten Forscher der Sandia National Laboratories Ende Oktober. Gleichzeitig werde die Menge und die Giftigkeit der Asche verringert, ohne die Umwelt zu schädigen. Was dennoch übrig bleibt, könne sofort weiterverwendet werden, erklärte der leitende Forscher Guangping Xu.

Dabei sind Säuren als chemische Abscheider im Bergbau keine Neuerfindung. Bisherige Verfahren nutzen Salpeter-, Schwefel- oder Phosphorsäure. Diese sind ebenfalls in der Lage, Seltenerdmetalle aus der Kohleasche zu extrahieren, produzieren aber große Mengen an giftigem Abfall. Auf diese Weise verschlechtere die Extraktion von Seltenen Erden aus Kohleasche die Umweltbilanz sogar. Die nötigen Sanierungskosten für Umwelt „würden [die Produktion Seltener Erden] über das wirtschaftlich vertretbare Maß hinaus erhöhen“, so Xu.

Nach Angaben der Forscher lassen sie sich jedoch mit Zitronensäure, CO₂ und Wasser bereits bei etwa 70° Celsius und einem Druck von 70 Bar extrahieren. Unter diesen Bedingungen befindet sich das CO₂ im sogenannten super- oder überkritischen Zustand, bei dem es flüssig bleibt und als Lösungsmittel dient. Die Zitronensäure sorgt dafür, dass die Metalle in Lösung bleiben.

Mit Extraktionsraten von bis über 50 Prozent der in Kohleabfallproben vorhandenen Seltenerdmetalle ist das Verfahren mehr als doppelt bis fünfmal so effektiv wie bisherige Verfahren.

Vergleich der Extraktionsraten verschiedener Metalle zwischen Sandia-Verfahren mit Zitronensäure (grün) und konventionellen Verfahren, hier mit Salpetersäure (rot). Foto: Guangping Xu / Bearbeitung ts/Epoch Times

Umweltschutz für die nationale Sicherheit

Allein die Entgiftung von Kohleasche für die Wiederverwendung sollte die Mühe wert sein, so Xu, denn es gibt keinen Mangel an Kohleasche. Laut einer 2016 in der Fachzeitschrift „Environmental Science & Technology“ veröffentlichten Studie fallen in den USA jährlich etwa 115 Millionen Tonnen „Kohleverbrennungsprodukte“ an. Das US-Umweltschutzministerium (EPA) spricht von 130 Millionen Tonnen. Dennoch ist dies nur ein Bruchteil der weltweiten Aschemenge. In China fielen bereits 2010 etwa 370 Millionen Tonnen an. 2017 sollen über 7.000 Kohlekraftwerke weltweit 800 Milliarden Tonnen Asche produziert haben.

„Wenn wir die Kohleasche nicht entgiften und wiederverwenden, wird sie in Teichen und auf Deponien landen und langfristig Milliarden Dollar kosten“, sagte Xu. Damit dies unwahrscheinlicher werde, erwarten die Forscher „in naher Zukunft Tests unserer Extraktionstechniken in großem Maßstab und an einer Vielzahl von kohlebasierten Quellen“. Dies hätte weitere Vorteile, denn die Kohleasche wäre dann nicht mehr Abfall-, sondern Rohstoff.

Neben der deutlich verbesserten Umweltbilanz hat das neue Verfahren damit auch wirtschaftliches Potenzial. Etwa 95 Prozent der weltweiten Seltenerdmetallvorkommen befinden sich in chinesischen Minen, während sich die Kohlevorräte zu etwa gleichen Teilen auf Europa, Asien und Amerika verteilen. Dazu erklärte Xu:

Theoretisch könnte ein amerikanisches Unternehmen diese Technik nutzen. Man könnte Seltenerdmetalle aus Kohle und Kohle-Nebenprodukten abbauen und mit dem chinesischen Bergbau konkurrieren.“

Außerdem sei es „für die nationale Sicherheit wahrscheinlich sinnvoll, über alternative Quellen für Seltene Erden zu verfügen, um nicht von der Gnade ausländischer Lieferanten abhängig zu sein“.

Sauberer Kohlestrom dank Zitronensäure und CO₂-Nutzung

Diese Technologie könnte auch einen neuen Weg für das Abscheiden und die Nutzung von Kohlendioxid (CCS) eröffnen, ergänzte Mark Rigali. Zusammen mit Xu erforscht er die Verwendung von Zitronensäure und überkritischem Kohlendioxid zur Extraktion von Seltenen Erden in Öl- und Gasschiefern.

Da diese Vorkommen reich an Metallen sind, könnte der Extraktionsprozess unter Tage stattfinden, beispielsweise in bestehenden Bohrungen des Öl- und Gas-Frackings. Mit dem Vorteil, dass „die unterirdische [Verwendung] des Kohlendioxids verhindert, dass es in die Atmosphäre gelangt und zum Klimawandel beiträgt“, so Rigali.

Damit würde das neue Verfahren noch einen weiteren Aspekt abdecken und drei Klima- beziehungsweise Umweltschutzprobleme auf einmal lösen:

• • Umweltfreundliche Gewinnung Seltener Erden.
  • Zuverlässiger und günstiger Strom aus Kohlekraftwerken wird sauber.
  • Asche und CO₂ werden unterirdisch gelagert – Asche beispielsweise im Straßenbau, CO₂ in ehemaligen Fracking-Gebieten.

(Mit Material der Sandia National Laboratories)

Dieser Artikel erschien zuerst in der Epoch Times Wochenzeitung, Ausgabe Nr. 17, vom 6. November 2021.