Die Einstellbarkeit, die zyklische Stabilität und die selektiven Adsorptions-/Desorptionseigenschaften dieser Materialien eröffnen jedoch Möglichkeiten für deren Kommerzialisierung als energieeffiziente Alternativen für eine Reihe kritischer, energieintensiver Technologien. Dazu gehören die CO₂-Abscheidung, die Regenwassernutzung zur Trinkwassergewinnung und für HLK-Systeme sowie verschiedene chemische Trenn- und Reinigungsverfahren (z. B. Gastrennung, Luftfiltration, direkte Lithiumgewinnung, PFAS-Entfernung und vieles mehr).

Historisch gesehen war eines der Haupthindernisse für die breite Kommerzialisierung von MOFs deren hoher Herstellungsaufwand, der wiederum zu hohen Marktpreisen führte. Jüngste Partnerschaften zwischen etablierten Branchenakteuren wie BASF und Startups wie AirJoule, Svante und WaHa zur strategischen Produktionssteigerung bestimmter MOFs mit dem Ziel, MOF-basierte Technologien zu kommerzialisieren, könnten sich jedoch als entscheidend für die Senkung dieser Kosten erweisen. In Kombination mit den einzigartigen Leistungseigenschaften dieser Materialien besteht das Potenzial, MOFs als wettbewerbsfähigere Alternative zu den derzeitigen energieintensiven Technologien zu positionieren, was wiederum eine breitere Marktakzeptanz fördern könnte.

MOF Manufacturing

Die industrielle Umsetzung hängt von der Verfügbarkeit, Qualität und Bezahlbarkeit der Materialien ab. Die meisten in Forschungslaboren entwickelten MOFs werden im Milligrammmaßstab mittels solvothermaler Verfahren synthetisiert. Für die industrielle Produktion von MOFs müssen die Produktionsmethoden skalierbar sein.
Darüber hinaus ist die Verfügbarkeit von Rohstoffen ein entscheidender Faktor für die wirtschaftliche Rentabilität eines MOFs. Von über 100.000 registrierten Strukturen erfüllen nur wenige die Kriterien für eine potenzielle Kommerzialisierung. Basierend auf Informationen aus Interviews mit wichtigen Akteuren wie BASF, Numat und Promethean Particles bewertet der IDTechEx-Bericht kritisch die Vorteile und Herausforderungen der verschiedenen Ansätze, die Hersteller zur Skalierung der MOF-Produktion verfolgen. Unter Einbeziehung von Primärforschung untersucht der Bericht auch die Faktoren, die die Produktionskosten und letztlich den Verkaufspreis von MOFs beeinflussen. Der Bericht bietet zudem einen Überblick über die Produktionskapazitäten der wichtigsten Hersteller.

Die Kohlenstoffabscheidung ist ein Schlüsselfaktor für das Wachstum des MOF-Marktes

Der Einsatz von CO₂-Abscheidungstechnologien ist ein wichtiges Instrument zur Erreichung von Netto-Null-Emissionen. Trotz des hohen Reifegrades von Amin-basierten Lösungsmittelverfahren (z. B. Aminwäsche) zur CO₂-Abscheidung ist deren Anwendung jedoch weiterhin begrenzt, hauptsächlich aufgrund der hohen Installationskosten und des Energieverbrauchs bei der Lösungsmittelregeneration.

Modulare CO2-Abscheidungssysteme mit festen MOF-basierten Sorptionsmitteln, wie sie beispielsweise von Svante und Nuada entwickelt werden, gewinnen zunehmend an Bedeutung. Dies ist auf den deutlich geringeren Energiebedarf für die Sorptionsmittelregeneration, die höhere Stabilität des Sorptionsmittels, die CO2-Selektivität und die niedrigeren Investitionskosten im Vergleich zu lösungsmittelbasierten Systemen zurückzuführen.

MOFs für chemische Trenn- und Reinigungsprozesse

Chemische Trennung und Reinigung sind grundlegende Prozesse in Industriezweigen wie der chemischen Produktion, dem Bergbau und der Öl- und Gasraffinerie. Konventionelle thermische Trennverfahren auf Destillationsbasis weisen erhebliche Nachteile auf: Sie benötigen viel Platz, erfordern hohe Investitionskosten und verbrauchen viel Energie. Die einstellbare chemische Selektivität und die kontrollierbare Porenarchitektur von MOFs ermöglichen die selektive Trennung von Chemikalien, wenn diese als Feststoffsorbentien oder Membranen eingesetzt werden.

Der Hersteller von MOF-basierten Membranen, UniSieve, berichtete beispielsweise der IDTechEx, dass er mit seiner nicht-thermischen Membrantechnologie die Trennung von Chemikalien mit Siedepunkten um 5 °C demonstriert hat. Andernfalls wäre eine energieintensive thermische Trennung in Destillationskolonnen von rund 100 m Höhe erforderlich. Fortschritte in Anwendungen wie der Kältemittelrückgewinnung, der direkten Lithiumgewinnung und verschiedenen Gastrenn- und -reinigungsverfahren, einschließlich der Biogasaufbereitung und der Herstellung von Propylen in Polymerqualität, werden in der Forschung der IDTechEx evaluiert.

MOF für Wassergewinnungs- und Klimaregelungstechnologien

Technologien zur atmosphärischen Wassergewinnung (AWH), die fortschrittliche Sorptionsmittel (z. B. MOFs) nutzen, bieten die Möglichkeit, Wasserressourcen in Regionen mit begrenzten traditionellen Wasserquellen zu erschließen. Darüber hinaus können die durch die Wasseradsorptions- und -desorptionseigenschaften von MOFs hervorgerufenen Heiz- und Kühleffekte auch für Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HLK-Anlagen) genutzt werden, die im Vergleich zu herkömmlichen Dampfkompressionskältemaschinen bis zu 75 % weniger Strom verbrauchen können. Dies ist besonders wichtig, da sich der weltweite Stromverbrauch für HLK-Anlagen aufgrund der steigenden Nachfrage, insbesondere in Asien und dem Nahen Osten, bis 2050 voraussichtlich verdreifachen wird.

Der IDTechEx-Bericht behandelt Fortschritte bei Materialien und Technologien für Luft-Wasser-Wärmetauscher (AWH) und Klimaanlagen (HLK), die MOFs (metallorganische Gerüstverbindungen) einsetzen, und enthält Referenzen sowie Vergleiche wichtiger Leistungsindikatoren mit anderen Sorptionsmitteln. Der Bericht hebt außerdem die führenden Akteure in der Entwicklung und Vermarktung dieser Technologien hervor.

MOF für Gasspeicherung, Energiespeicherung und andere Anwendungen in der Frühphase

MOFs werden auch für Gasspeicheranwendungen erforscht, und der US-amerikanische MOF-Hersteller Numat hat seine ION-X-Produktreihe zur Speicherung von Dotiergasen für die Halbleiterindustrie kommerzialisiert. Mehrere Startups entwickeln zudem Prototypen für MOF-basierte Erdgasspeicherlösungen zur Unterstützung von Gasversorgungsnetzen, während die Fortschritte bei Wasserstoffspeicheranwendungen weniger weit fortgeschritten sind. Auch im Bereich der Energiespeicherung und Batterietechnik stoßen MOFs auf großes Interesse, wobei Unternehmen wie Svolt, GM, LG Energy und andere führende Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten betreiben. Der IDTechEx-Bericht untersucht darüber hinaus weitere Anwendungen in der Frühphase, beispielsweise in der Katalyse und bei Sensoren.

Die Perspektive von IDTechEx auf MOF

Die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten von MOFs eröffnen ein breites Spektrum an Möglichkeiten für den Einsatz MOF-basierter Technologien, insbesondere in Bereichen, in denen MOFs den Energieverbrauch und die Betriebskosten deutlich senken können. Dazu gehören die CO₂-Abscheidung, chemische Trennverfahren und die Wassergewinnung. Allerdings sind diese Technologien im industriellen Maßstab noch nicht erprobt, und neuartige Technologien werden mitunter als risikoreich wahrgenommen, was ihre frühe Einführung behindern kann. Darüber hinaus sind etablierte Technologien in wichtigen Zielmärkten stark vertreten, sodass es für MOFs schwierig sein könnte, Marktanteile zu gewinnen.

Mit der Markteinführung mehrerer kommerzieller Produkte im nächsten Jahrzehnt müssen MOF-basierte Technologien ihre Leistungsfähigkeit im großen Maßstab unter Beweis stellen. Dies muss zudem durch ein nachhaltiges Wachstum der Produktionskapazitäten mittels skalierbarer Methoden ergänzt werden.

Da MOF-basierte Technologien kurz vor der Kommerzialisierung stehen, bietet der neue IDTechEx-Bericht „Metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) 2025–2035: Märkte, Technologien und Prognosen“ eine unabhängige Analyse wichtiger Trends und betrachtet MOF-Anwendungen für andere Technologien in der Frühphase, wie z. B. Wasserstoffspeicherung, Energiespeicherung (z. B. Batterien), Halbleiter, Sensoren und mehr. Aufbauend auf Erkenntnissen aus Primärforschung analysiert der Bericht die wichtigsten Branchenakteure und liefert Marktprognosen hinsichtlich jährlicher Nachfrage und Marktwert, segmentiert nach Anwendung. IDTechEx prognostiziert für diesen Markt ein jährliches Wachstum von 40 % zwischen 2025 und 2035.

Autor: Dr. Shababa Selim, Senior Technology Analyst bei IDTechEx