Neuartige Nanomaterialien bringen CCS-Effizienz auf die nächste Stufe

Um die im Übereinkommen von Paris festgelegten Ziele erreichen zu können, benötigen die Staaten dieser Welt hocheffiziente Kohlenstoffbindungsverfahren der nächsten Generation. Durch das Projekt INTERACT soll diese Herausforderung mit innovativen Materialien und Technologien gemeistert werden.

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Energie

Das zentrale Ziel von INTERACT (INnovaTive Enzymes and polyionic-liquids based membRAnes as CO2 Capture Technology) bestand darin, die Energie- und Kosteneffizienz bereits bestehender Bindungsverfahren zu übertreffen. Zu diesem Zweck verließ sich das Team auf Enzyme, um Biokatalysatoren bereitzustellen, die Reaktionen besonders stark beschleunigen. Zudem entwickelten sie "polyionische Flüssigkeiten" (PILs), die hocheffiziente Nanomaterialien darstellen. Die PILs wurden zur Entwicklung hochselektiver Membranen für die Gastrennung eingesetzt, die wiederum in innovative Technologien integriert wurden. "Derzeitige Post-Combustion-Verfahren, wie etwa die chemische Wäsche, stehen vor großen wirtschaftlichen Hindernissen, da sie sehr energieaufwändig sind", erklärt Prof. Dr. Andrzej Gorak, Projektkoordinator an der TU Dortmund. "INTERACT bietet eine technologische Basis, diese Prozesse zu verbessern: Wir haben den Gaswaschungsprozess dank enzymiotischen Katalysator-Lösungssystemen und innovativer Kontaktorausstattung, wie Membrankontaktoren, deutlich verbessert. Vor allem haben wir versucht, die Synergien auszunutzen, die zwischen der hohen Neigung unserer Materialien zur CO2-Aufnahme und den intensivierten Technologien bestehen, während die Leistung basierend auf einer detaillierten technisch-wirtschaftlichen Analyse und einer Lebenszyklusanalyse erforscht wurde." INTERACT erforderte umfangreiche Experimente und detaillierte Leistungsmodelle für jede Technologie. Dies geschah nicht nur im Labormaßstab, sondern ebenfalls im Pilotmaßstab. Um passende Enzymlösungssysteme zu finden, führte das Team beispielsweise zuerst Aktivitätstests mit Enzymassays durch, während Systeme, die eine Langzeitstabilität bieten, hinsichtlich Massentransportverbesserungen in geeigneten Laborversuchen in einer Nasswandkolonne genauer untersucht wurden. Danach wurden die erfolgversprechendsten Enzymlösungssysteme in einer Absorptionskolonne im technischen Maßstab an verschiedenen Standorten und mit verschiedenen Durchmessern und Packungshöhen getestet. "Die Einführung wirksamer Enzyme ermöglicht, Lösungen mit einer geringeren Absorptionswärme und einer höheren CO2-Kapazität zu nutzen, was letztendlich zu einem deutlich niedrigeren Energiebedarf des chemischen Absorptionsprozesses führt", so Prof. Dr. Gorak. Die Kombination von Carboanhydrase und einer wässrigen MDEA-Lösung mit dem neuen Enzym zeigt eine Verbesserung im CO2-Transport um bis zu den Faktor neun, und solch ein System könnte für hochmoderne Waschverfahren dieser Art angewandt werden. Prof. Dr. Gorak zuversichtlich, dass künftig noch weitere Verbesserungen möglich sein werden. Ungenutztes Potenzial Mit den auf PILs basierenden Gasmembranen des Projekts könnte die Energieeffizienz des CO2-Aufnahmeprozesses zwar gesteigert werden, Prof. Dr. Gorak ist allerdings der Meinung, dass die Wirtschaftlichkeit weiterhin verbesserungswürdig ist: "Das entwickelte Konzept eines Hybrid-Membrankontaktors, der PILs und Enzyme kombiniert anwendet, ist äußerst interessant und ermöglicht, die Synergien zwischen diesen Materialien auszunutzen. Dieses Konzept muss jedoch noch eingehender erforscht werden, bevor eine endgültige Beurteilung abgegeben werden kann." Die selektivsten, porösesten und dichtesten PILs erwiesen sich als die konkurrenzfähigsten Lösungen für die Nutzung in einem Adsorptionsprozess sowie für die hoch selektiven und aktiven Schichten in Verfahren mit Dünnschicht-Kompositgasmembranen. "Interessanterweise hat sich eines der entwickelten PIL-Materialien, das von einem unserer Projektpartner kommerzialisiert wurde, als die bisher interessanteste Komponente für Gel/Polymer-basierte Elektrolyte im Bereich der elektrochemischen Energiespeichersysteme herausgestellt. Es könnte dazu beitragen, Energiespeichersysteme und die Anwendung erneuerbarer Energien zu verbessern", so Prof. Dr. Gorak. Prof. Dr. Gorak und sein Team stellten sicher, dass für jede der neu entwickelten Technologien passende Prozesskonzepte bereitgestellt wurden, um mögliche Vorteile ausnutzen und gleichzeitig potenzielle Nachteile berücksichtigen zu können. Diese Konzepte wurden alle in einem industriellen CO2-Emissionsszenario ausgewertet. Detaillierte technisch-wirtschaftliche und ökologische Untersuchungen haben ergeben, dass die Technologien von INTERACT nicht nur das Potenzial haben, den Umwelteinfluss auf Kohlekraftwerke und weitere CO2 ausstoßende Prozesse deutlich zu senken, sondern ebenfalls den hochmodernen Prozess der Aminwäsche zu übertreffen. Für die Zukunft hält Prof. Dr. Gorak Anwendungen für möglich, die über die effiziente Aufnahme von CO2 aus Kraftwerkabgasen hinausgehen. Diese beinhalten die Behandlung von Abgas aus der Zementindustrie sowie Biogas: "Unsere Technologien dazu zu nutzen, sogenanntes erneuerbares Erdgas (Renewable natural gas; RNG) zu produzieren, würde einen Fortschritt hin zu nachhaltigeren Transportkraftstoffen bedeuten. Dieser Bereich bietet viele Möglichkeiten, da relativ große Biogas-Infrastrukturen bereits bestehen. Des Weiteren ist RNG ein 'Drop-In-Kraftstoff', d. h. er kann als direkter Ersatz für Diesel dienen, der oft für Schiffe und leistungsstarke Fahrzeuge benötigt wird. In diesem Bereich sind wenig CO2-arme Alternativen verfügbar." Eines ist jedoch sicher: Die in diesem Projekt entwickelten Materialien werden in den kommenden Jahren noch einigen Gesprächsstoff bieten.

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Neuartige Nanomaterialien bringen CCS-Effizienz auf die nächste Stufe

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