Erforschung moderner Technologien zur CO₂-Abscheidung

Als Reaktion auf die weltweiten Bemühungen zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen integrieren viele Unternehmen in der Prozessindustrie verschiedene Initiativen für Effizienzsteigerungen und Ökostrom in ihre Betriebsabläufe. Verfahren zur CO₂-Abscheidung, die dieses Gas auffangen und speichern, bieten eine vielversprechende Lösung. Eine breite Einführung hängt jedoch davon ab, ob die Leistungsfähigkeit der erforderlichen Technologie verbessert und ihre Kosten gesenkt werden können, um sie praxistauglicher zu machen.

Wenn Kohlendioxid durch Verbrennung freigesetzt wird, gibt es zwei unterschiedliche Ansätze für die CO₂-Abscheidung: vor oder nach der Verbrennung. Bei der Abscheidung vor der Verbrennung wird CO₂ vor dem Einleiten in den Verbrennungsprozess durch Verfahren wie Vergasung und Reformierung abgefangen.

Im Gegensatz dazu erfolgt die Abscheidung nach der Verbrennung erst, nachdem der Brennstoff im Primärprozess verbrannt wurde. Dabei wird Kohlendioxid mithilfe von Lösungsmitteln oder anderen Verfahren direkt aus dem Rauchgas aufgefangen. Diese Webseite beschäftigt sich hauptsächlich mit der Abscheidung nach der Verbrennung. Obwohl sie aufgrund ihres Nachrüstungspotenzials und ihrer technologischen Reife vorteilhaft ist, ist sie nicht so effizient wie die Abscheidung vor der Verbrennung.

Die Aminwäsche ist das am häufigsten eingesetzte Verfahren zur CO₂-Abscheidung in industriellen Umgebungen. Diese nach der Verbrennung eingesetzte Technik macht sich die chemischen Eigenschaften von Aminlösungen wie beispielsweise Monoethanolamin zu Nutze, die eine starke Bindungsaffinität zu Kohlendioxid aufweisen. Der Prozess besteht aus folgenden Schritten:

Das Rauchgas durchläuft einen Reinigungsprozess, in dem Staub, Schwebstoffteilchen, Schwefelverbindungen und andere Verunreinigungen entfernt werden. Diese Vorbehandlung schützt die Aminlösung sowie Geräte und Anlagen vor Verschmutzung und Korrosion. Das heiße Rauchgas wird dann auf eine optimale Temperatur (ca. 40 bis 60 °C) für eine effiziente CO₂-Absorption durch die Aminlösung abgekühlt.

Das abgekühlte Rauchgas tritt von unten in einen Absorptionsturm ein, normalerweise ein zylindrischer Behälter. Er ist mit Füllkörpern gefüllt ist, die für einen besseren Kontakt zwischen Gas und Flüssigkeit sorgen. Von oben wird ein gegenläufiger Strom einer Aminlösung in den Turm eingeleitet. Während das Rauchgas im Turm aufsteigt, kommt es mit der absteigenden Aminlösung in Kontakt. Dabei geht das CO₂ im Rauchgas eine reversible Verbindung mit den Aminmolekülen ein und wird dadurch aus dem Gasstrom entfernt.

Überführen der CO₂-reichen Aminlösung: Die CO₂-reiche Aminlösung wird in einen anderen Turm, den sogenannten Desorber oder Regenerator, gepumpt. Dieser Strom wird mithilfe von Raman-Spektroskopie-Messgeräten genauestens gemessen, um die Effizienz im nachfolgenden Schritt der Regenerierung sicherzustellen.

Im Desorber wird die CO₂-reiche Aminlösung auf etwa 110 °C erhitzt. Dies erfolgt normalerweise durch Eindüsen von Dampf.Diese Erhitzung trennt die Verbindung zwischen dem Amin und dem Kohlendioxid. Die regenerierte Aminlösung, die nun CO₂-arm ist, fließt zum Boden des Regenerators.

Kühlen und Rückleiten der Aminlösung: Die heiße regenerierte Aminlösung fließt durch einen Wärmetauscher, gibt dabei einen Teil ihrer Wärme an die einströmende CO₂-reiche Lösung ab und verbessert dadurch die Energieeffizienz. Durch weiteres Abkühlen wird die Aminlösung wieder auf die optimale Temperatur für die CO₂-Absorption gebracht. Die abgekühlte Aminlösung wird anschließend wieder an das obere Ende des Absorptionsturms gepumpt, und der Zyklus wiederholt sich.

Das aus oben aus dem Regenerator austretende Kohlendioxid wird auf eine höhere Dichte komprimiert, damit es einfacher transportiert und gespeichert werden kann. Die Reinheit dieses Ausgangsgasstroms wird häufig mit TDLAS-Messgeräten analysiert. Je nach Verwendungszweck kann das Kohlendioxid weitere Reinigungsschritte durchlaufen, in denen Verunreinigungen entfernt werden.

Die CO₂-Abscheideeffizienz der Aminwäsche liegt normalerweise bei über 90 %. Die Regeneration ist jedoch besonders energieintensiv und die im gesamten Prozess verwendete Aminlösung zersetzt sich mit der Zeit, sodass sie erneuert werden muss. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, arbeitet die Forschung an energieeffizienteren Regenerationsverfahren, beispielsweise durch Nutzung von Abwärme aus industriellen Prozessen. Außerdem werden robustere Aminlösungen mit höherer thermischer Stabilität und Zersetzungsbeständigkeit entwickelt.

Die CO₂-Abscheidung mittels Membrantechnik ist ein weniger verbreitetes Verfahren. Es nutzt die selektive Durchlässigkeit spezieller Membranen, um Kohlendioxid aus Rauchgasströmen zu entfernen. Diese Membranen bestehen häufig aus Polymeren oder keramischen Materialien und dienen als molekulare Türsteher („Gatekeeper“). Sie lassen CO₂ durch, blockieren aber andere Gase. Der Hauptvorteil dieses Ansatzes ist der geringe Energiebedarf im Vergleich zu der hohe Temperaturen erfordernden Regeneration bei der Aminwäsche.

Die wichtigsten Schritte sind:

1. Rauchgasvorbehandlung: Vor dem Eintritt in das Membransystem wird das Rauchgas einem Reinigungsprozess unterzogen, normalerweise einer Filtration und Wäsche in einem Scrubber. In diesem Schritt werden Staub, Schwebstoffteilchen und andere Verunreinigungen entfernt, die die empfindlichen Membranporen verstopfen oder beschädigen könnten. Oft wird das Rauchgas gekühlt und seine Feuchtigkeit wird auf optimale Werte für das verwendete Membranmaterial eingestellt. Dies sorgt für eine effiziente CO₂-Abscheidung und verhindert Kondensatbildung im Membransystem.
2. Membrantrennung: Das vorbehandelte Rauchgas wird durch die Membran geleitet, die als selektive Barriere dient. Unterschiede in der Größe, Struktur und Affinität der Moleküle zum Membranmaterial führen dazu, dass CO₂-Moleküle die Membran schneller passieren als andere Gase im Strom, beispielsweise Stickstoff. Dadurch entstehen zwei Produktgasströme: Permeat und Retentat. Das CO₂-reiche Permeat passiert die Membran und wird zur weiteren Verarbeitung aufgefangen. Im CO₂-armen Retentat verbleiben die restlichen Gase. Es wird entweder in die Atmosphäre abgegeben oder in den industriellen Primärprozess zurückgeführt.
3. CO₂-Verdichtung und -Aufbereitung: Der CO₂-reiche Permeatstrom wird auf eine höhere Dichte komprimiert, damit er einfacher transportiert und gespeichert werden kann. Je nach Verwendungszweck kann das Kohlendioxid weitere Reinigungsschritte durchlaufen, in denen Verunreinigungen entfernt werden.

Membransysteme haben nicht nur einen geringen Energiebedarf, sondern kommen auch mit einer kleineren Stellfläche aus. Dadurch sind sie ideal für den Einsatz in Umgebungen, in denen der Platz knapp ist. Die Abscheidung mit Membranen ist jedoch weniger effizient als die Aminwäsche, und geringfügige Schwankungen in der Zusammensetzung des Gasstroms, bei Druck und Temperatur können die Leistung beeinträchtigen.

Aminwäsche und Membrantechniken sind die einzigen derzeit in großem Maßstab eingesetzten Verfahren zur CO₂-Abscheidung nach der Verbrennung. In der Forschung werden aber noch weitere Ansätze untersucht.

Der erste dieser Ansätze ist Direct Air Capture (DAC), bei der Kohlendioxid direkt aus der Umgebungsluft entfernt wird. Dies geschieht mithilfe von Hochleistungsventilatoren, die Luft ansaugen und durch spezielle Adsorptionsmaterialien wie feste Amine oder Hydroxidlösungen leiten, von denen CO₂ chemisch gebunden wird. Wenn das Adsorptionsmaterial gesättigt ist, wird es erhitzt, damit das aufgenommene CO₂ freigegeben wird und dann zur Nutzung oder Speicherung gesammelt werden kann.

Direct Air Capture zeigt einen potenziellen Weg auf, wie Emissionen aus Kraftfahrzeugen und anderen Quellen abgeschieden werden könnten. Allerdings gibt es erhebliche Hindernisse, die einer Einführung entgegenstehen: Die Adsorptionsmaterialien sind anfällig, der Energiebedarf ist erheblich und die Kosten sind deutlich höher als bei Technologien zur Abscheidung an der Emissionsquelle. Außerdem wäre ein großflächiger Einsatz erforderlich, um eine sinnvolle Abscheidung von Kohlendioxid zu erreichen.

In der Forschung wird auch die Nutzung von Biomasse als Brennstoffquelle untersucht. Biomasse, beispielsweise Bäume, nimmt während ihres Wachstums Kohlendioxid aus der Atmosphäre auf. Wird das bei der Verbrennung von Biomasse freigesetzten CO₂ später abgeschieden, können Nutzer effektiv negative Emissionen erzielen. Für das Wachstum von Biomasse werden jedoch große Landflächen und Wasserressourcen benötigt, und auch bei Beschaffungsverfahren muss sorgfältig auf Nachhaltigkeit geachtet werden.

Für eine breit angelegte Einführung der CO₂-Abscheidung nach der Verbrennung müssen technologische und wirtschaftliche Hürden überwunden werden. Dies gilt nicht nur für die Abscheidung, sondern auch für die Nutzung und Speicherung. Die Aminwäsche ist zwar hoch effizient, erfordert aber einen hohen Energieeinsatz und eine regelmäßige Wartung der verwendeten Lösungsmittel. Im Gegensatz dazu benötigt die Abscheidung mit Membrantechnik weniger Energie, ist aber weniger effizient. Beide Verfahren sind außerdem sehr teuer.

In Anbetracht der angestrebten Netto-Null-Ziele wird eine strategische Diversifizierung für die Industrie unerlässlich sein. Um diese Ziele zu erreichen, müssen Prozessoptimierung, allgemeine Verbesserungen der Energieeffizienz, die Nutzung erneuerbarer Ressourcen und ein klares Bekenntnis zur CO₂-Abscheidung miteinander Hand in Hand gehen. Das Abwägen der ökologischen, technologischen und wirtschaftlichen Kompromisse jeder Strategie ist eine entscheidende Voraussetzung, um die Nachhaltigkeit der Industrie künftig insgesamt zu verbessern.