Das Ziel des Vorhabens besteht darin, CO₂-Gashydrate für kälte- und energietechnische Anwendungen, insbesondere zur effizienteren Kältespeicherung, nutzbar zu machen und somit einen Beitrag zum Erreichen der Klimaziele der Bundesrepublik Deutschland zu leisten. Dazu sind zunächst grundlegende Untersuchungen zur Verbesserung der Clathratbildung von Kohlendioxid in Wasser mithilfe geeigneter Promotoren und Matrizes erforderlich.

Energieeffizienz und Umweltaspekte spielen bei kältetechnischen Anwendungen eine immer wichtigere Rolle. Sowohl Verbraucher als auch Unternehmen bevorzugen energieeffiziente und nachhaltige Lösungen, um Energiekosten zu senken und ihren ökologischen Fußabdruck zu verringern. Diese Entwicklung steigert die Nachfrage und fördert die Innovation im Bereich energieeffizienter und umweltfreundlicher Kühlsysteme. Nicht zuletzt wird Kühlung in Zukunft in immer größerem Umfang notwendig sein.

Die Nutzung von CO₂-Gashydraten stellt eine vielversprechende Option dar, um den oben genannten Anforderungen für eine effiziente Kältespeicherung gerecht zu werden. Die Anwendung von CO₂-Gashydraten (z. B. auch um den CO₂-Gehalt in der Atmosphäre zu senken [1] und damit die Versauerung der Ozeane zu verhindern, aber auch Anwendungen zur Abtrennung von CO₂ aus Rauchgas werden diskutiert [2]) könnte auch dazu beitragen, den Ausstoß von Treibhausgasen zu reduzieren und die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern weiter zu verringern. In diesem Zusammenhang ist es von großem Interesse, die Eigenschaften, das Verhalten und die potenziellen Anwendungen von CO₂-Gashydraten ausgiebiger zu betrachten und zu untersuchen. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, einen fundierten Beitrag zur Untersuchung dieses interessanten Stoffes mit kältetechnischem Bezug zu leisten und innovative Lösungsansätze für nachhaltige Energie- und Kühllösungen zu entwickeln.

Gashydrate sind nicht-stöchiometrische Einschlussverbindungen, die auch als Clathrathydrate bezeichnet werden. Es sind feste Stoffe mit eisähnlichen Strukturen, die aus Wasser und Gasen aufgebaut sind. Sie bilden sich unter erhöhten Drücken und niedrigen Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes von Wasser. In der Natur sind sie als Methanhydrate in Tiefseeböden und in Permafrostgebieten anzutreffen. Gashydrate werden durch Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert, die Käfigstrukturen formen, in denen Gasmoleküle eingeschlossen sind. Der Stoff hat Ähnlichkeit mit dem Aussehen von Eis, hat aber wie im Fall von CO₂-Gashydrat eine höhere Dichte, die bei 1,1 g/cm³ liegt. Er ist daher schwerer als Wasser und schwimmt nicht wie Eis auf der Flüssigphase. Gashydrate sind bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck thermodynamisch instabil, ihr Zerfall ist jedoch durch den käfigartigen Einschluss der Gaskomponente kinetisch gehemmt.

Aufgrund der hohen Zersetzungsenthalpie bzw. hohen latenten Wärme von reinem CO₂-Gashydrat zwischen 502 bis 507 kJ/kg [3] im Vergleich zur Phasenumwandlungsenthalpie von Wasser-Eis mit 333 kJ/kg3 weist CO₂-Gashydrat als Kältespeichermedium Vorteile gegenüber thermischem Wasser/Eis-Speichern auf. Der CO₂-Gashydrat-Phasen-wechselprozess kann in einem Temperaturbereich zwischen 0 °C und 15 °C sowie Drücken unterhalb von 15 bar ablaufen (je nach Bedarfsfall einstellbar und damit einzigartig und vorteilhaft im Vergleich zu klassischen Phase-Change-Materials). Eine Möglichkeit der sinnvollen Nutzung von CO₂-Gashydraten für Fernkältenetze wird am Beispiel der kalten thermischen Energie-rückgewinnung aus LNG (Liquefied Natural Gas) aufgezeigt und ist in Abb. 1 dargestellt. Vor dem Hintergrund einer zukünftig verstärkten Nutzung von LNG in Deutschland wäre die Kopplung verschiedener thermischer Prozesse aus energetischer und ökologischer Sicht von großem Nutzen.

[1]  Nago A, Nieto A.: Natural gas production from methane hydrate deposits using clathrate sequestration: State-of-the-art review and new technical approaches. Journal of Geological Research. 2011:1-6

[2]  Seo Y-T, Moudrakovski IL, Ripmeester JA, Lee J-W, Lee H. Efficient recovery of CO2 from flue gas by clathrate hydrate formation in porous silica gels. Environmental Science &Technology. 2005; 39(7):2315-2319

[3]  X. Wang et al.: Solar Energy; Vol 211, Nov. 2020, S. 11-30

[4]  Choi, S. et al.: Experimental investigation on CO₂ hydrate formation/dissociation for cold thermal energy harvest and transportation applications; Applied Energy, Volume 242, 15 May 2019, Pages 1358-1368