Innovative CO2-Abscheidung mit energiesparenden Adsorbern
Materialwissenschaft trifft Klimaschutz: Dank neuartiger Membranadsorber
soll CO2 effizient und kostengünstig aus Luft und Abgasen zurückgewonnen
werden. Im Projekt »SAFE-CO2« bündeln nun mehrere Forschungsinstitute –
koordiniert vom Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und
Bioverfahrenstechnik IGB – ihre Expertise, um entsprechende Membranmodule
für die Industrie zu entwickeln.
Gute Nachricht für den Klimaschutz: Der »Klimakiller« CO2 lässt sich
bereits heute aus der Luft entfernen und zurückgewinnen. Der Haken daran:
Die entsprechenden Verfahren, die bereits im Einsatz sind, benötigen viel
Energie und sind somit ineffizient und wenig rentabel. Deswegen arbeitet
nun ein interdisziplinäres Forschungsteam bestehend aus dem Fraunhofer-
Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, dem Institut für
Polymerchemie der Universität des Saarlandes und dem Zentrum für
Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) an einer innovativen
Lösung, die sowohl umweltfreundlich als auch wirtschaftlich ist. Der
Schlüssel hierzu liegt in neuartigen Adsorbern.
Herausforderung: Bisherige Verfahren und ihre Schwächen
Die Abscheidung von CO2 kann auf chemischer oder physikalisch-adsorptiver
Basis erfolgen. Üblich sind Verfahren wie die Rauchgaswäsche bei
Punktquellen oder die direkte Luftabscheidung, auch Direct Air Capture –
kurz DAC – genannt. Chemische Verfahren weisen jedoch große
Herausforderungen auf, insbesondere den hohen Energiebedarf bei der
Regeneration. Hier setzen die SAFE-CO2-Projektpartner an.
Ein neuer Ansatz für energieeffizientere CO2-Abscheidung
Das Projektteam um Dr. Thomas Schiestel, Gruppenleiter Membranen am
Fraunhofer IGB, richtet seine Aufmerksamkeit darauf, neue thermoresponsive
Membranadsorber zu entwickeln, die eine hohe CO2-Kapazität aufweisen,
langfristig stabil sind und bei denen eine Regeneration bei niedrigen
Temperaturen erfolgt. Dabei setzt das Institut auf seine über 40-jährige
Erfahrung in der Membranentwicklung. »Unser Ziel ist Membranadsorber auf
Polymerbasis als strukturiertes Adsorberbett zu entwickeln«, erklärt
Tobias Götz, der verantwortliche Wissenschaftler am IGB. »Der Einsatz von
Membranen sorgt für einen minimierten Druckabfall bei der Luft-
Durchströmung und somit bei der CO2-Adsorption. Darüber hinaus reduzieren
wir den Energiebedarf, indem wir das volle Potenzial von thermoresponsiven
CO2-Adsorbern durch die Einbettung in eine offenporöse Membran nutzen.
Davon profitieren wir gleich doppelt – wir reduzieren den Energieaufwand
und leisten einen Beitrag zum Kampf gegen den Klimawandel, indem wir
zurückgewonnenes CO2 wieder nutzbar machen.«
Intelligente Module mit thermoresponsiven Polymersystemen als CO2-Adsorber
Der Arbeitsschwerpunkt von Götz und seinen Kolleginnen und Kollegen am IGB
liegt auf der Entwicklung der porösen Strukturen und dem Moduldesign. Die
darin verwendeten Adsorber stammen vom Institut für Polymerchemie der
Universität des Saarlandes. »Für die Membranmodule werden wir die
thermoresponsiven CO2-Adsorber in Form von Mikrogel- und Kern-Schale-
Partikeln herstellen«, erläutert Prof. Dr.-Ing. Markus Gallei. Sein
Spezialgebiet liegt bei den sogenannten »intelligenten Polymeren«, also
Materialien, die auf externe Reize aus ihrer Umwelt reagieren können –
etwa auf Veränderungen im Lösungsmittel, der Temperatur, dem Lichteinfall
oder des pH-Werts sowie auf mechanische, elektrische oder magnetische
Stimuli. »Unsere im Rahmen von SAFE-CO2 eingesetzten Materialien reagieren
auf Temperaturveränderungen. Durch den dabei erzeugten thermischen
Phasenübergang können die Bindungseigenschaften von CO2 beeinflusst
werden. So lassen sie sich in den Membranmodulen des IGB als Schalter
zwischen Adsorption und Desorption einsetzen, um die CO2-Abscheidung
effizient zu steuern.«
Ein weiterer Arbeitsschritt im Rahmen von SAFE-CO2 ist die
Charakterisierung der verwendeten Membranadsorber. Hierfür steuert das ZSW
in Stuttgart seine Expertise bei. Der Fokus des ZSW liegt auf der
Forschung und Entwicklung im Bereich der erneuerbaren Energien und der
Unterstützung der Markteinführung neuer technologischer Entwicklungen. Das
ZSW forscht zudem seit mehr als 30 Jahren an Technologien zur direkten
CO2-Abscheidung aus der Atmosphäre. Neben der Entwicklung einer eigenen
flüssigkeitsbasierten DAC-Technologie betreibt das ZSW mit dem »DACLab«
ein Testlabor, in dem unterschiedliche DAC-Ansätze technologieoffen und
unter verschiedensten klimatischen Bedingungen weltweit untersucht und
bewertet werden. Ähnlich wie die Fraunhofer-Gesellschaft sieht sich das
Zentrum dabei als Brückenbauer zwischen Grundlagenforschung und
industrieller Praxis. »Unser Beitrag zu SAFE-CO2 besteht darin, dass wir
die eingesetzten Materialien ausgiebig testen und bewerten, wie
umweltfreundlich und wirtschaftlich sie im Vergleich zu bestehenden
Lösungen sind«, so Dr. Marc-Simon Löffler, Fachgebietsleiter für
Regenerative Energieträger und Verfahren am ZSW.
Ausblick: Langfristiger Beitrag zum Klimaschutz
Das nun gestartete Projekt SAFE-CO2 hat eine Laufzeit bis 2029. Bis dahin
wollen die Beteiligten nachweisen, dass die direkte CO2-Entnahme aus der
Luft nicht nur technisch machbar ist, sondern dass dies auch mit geringem
Energieeintrag möglich und die entwickelte Lösung über eine längere Dauer
nutzbar ist. IGB-Experte Götz fasst es zusammen: »Langfristig wollen wir
mit unserer Technologie dabei helfen, unvermeidbare Emissionen
auszugleichen. Dabei wollen wir auf nachhaltige Wertschöpfungsketten
setzen, die klimaneutrale Prozesse fördern und den Übergang zu einer
umweltverträglicheren Wirtschaft unterstützen.«
Förderung
Finanziert wird das Projekt SAFE-CO2 durch das Bundesministerium für
Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) im Rahmen des Programms
CDRterra. Dieses fokussiert sich auf die Reduktion von CO2-Emissionen. Das
Ziel ist, bis 2045 Treibhausgasneutralität zu erreichen. Dafür fördert
CDRterra die Entwicklung von Technologien und Verfahren, die der
Atmosphäre dauerhaft Kohlendioxid entziehen (Carbon Dioxide Removal). Das
Projekt SAFE-CO2 erhält eine Gesamt-Förderung von rund 1.260.000 Euro.
Originalpublikation:
https://www.igb.fraunhofer.de/
/innovative-co2-abscheidung-mi
