Ein Forschungskonsortium unter Koordination des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB entwickelt im Projekt SAFE-CO2 neuartige Membranadsorber, mit denen sich CO2 energiesparend und wirtschaftlich aus Luft und Abgasen zurückgewinnen lassen soll. Beteiligt sind neben dem Fraunhofer IGB das Institut für Polymerchemie der Universität des Saarlandes und das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung ZSW.
Anlass ist der hohe Energiebedarf heutiger Abscheidetechniken, der ihren wirtschaftlichen Einsatz bislang begrenzt. Die drei Partner teilen sich die Aufgaben von der Materialentwicklung über das Moduldesign bis zur Bewertung von Umweltwirkung und Wirtschaftlichkeit.
Membranadsorber halten Druckabfall und Regenerationswärme niedrig
Den Kern des Vorhabens bilden thermoresponsive Membranadsorber, die eine hohe CO2-Kapazität mit langfristiger Stabilität verbinden und sich schon bei niedrigen Temperaturen regenerieren lassen. Die Rückgewinnung beruht bislang entweder auf chemischer Bindung oder auf physikalischer Adsorption, angewandt etwa in der Rauchgaswäsche an Punktquellen oder in der direkten Luftabscheidung. Vor allem die chemischen Verfahren binden CO2 zuverlässig, brauchen für die Regeneration aber viel Wärme und damit viel Energie, weshalb die neuen Adsorber gerade an diesem Punkt ansetzen.
Das Team um Dr. Thomas Schiestel, Gruppenleiter Membranen am Fraunhofer IGB, verfolgt dabei einen doppelten Hebel. „Unser Ziel ist Membranadsorber auf Polymerbasis als strukturiertes Adsorberbett zu entwickeln“, erklärt der am IGB verantwortliche Wissenschaftler Tobias Götz. „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.“
Vom schaltbaren Partikel zum strukturierten Adsorberbett
Die eigentlichen Adsorber steuert das Institut für Polymerchemie der Universität des Saarlandes bei, wo Prof. Dr.-Ing. Markus Gallei auf sogenannte „intelligente Polymere“ spezialisiert ist. Gemeint sind Materialien, die auf äußere Reize reagieren, etwa auf Veränderungen im Lösungsmittel, der Temperatur, des Lichteinfalls oder des pH-Werts sowie auf mechanische, elektrische oder magnetische Stimuli. „Für die Membranmodule werden wir die thermoresponsiven CO2-Adsorber in Form von Mikrogel- und Kern-Schale-Partikeln herstellen“, erläutert Gallei.
Ausschlaggebend ist ihre Reaktion auf Wärme. „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“, so Gallei. Am Fraunhofer IGB, das über 40 Jahre Erfahrung in der Membranentwicklung einbringt, entstehen daraus die porösen Strukturen und das Moduldesign, wobei die Membranadsorber über einen Naßspinnprozess gefertigt werden.
Wirtschaftlichkeit und Förderung entscheiden über die Praxistauglichkeit
Ob sich die neuen Membranadsorber in der Praxis behaupten, hängt von ihrer Umweltbilanz und ihrer Wirtschaftlichkeit ab. Die Bewertung dieser Fragen übernimmt das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung ZSW in Stuttgart, das seit über drei Jahrzehnten zur direkten CO2-Abscheidung aus der Atmosphäre forscht und dafür neben einer eigenen flüssigkeitsbasierten Anlage das Testlabor DACLab betreibt, in dem sich unterschiedliche Ansätze technologieoffen und unter wechselnden klimatischen Bedingungen prüfen lassen. „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.
Getragen wird SAFE-CO2 vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt BMFTR über das Programm CDRterra, das die dauerhafte Entnahme von Kohlendioxid aus der Atmosphäre (Carbon Dioxide Removal) unterstützt und zur angestrebten Treibhausgasneutralität bis 2045 beitragen soll. Rund 1.260.000 Euro fließen bis zum Projektende 2029 in das Vorhaben, an dessen Ende der Nachweis stehen soll, dass sich CO2 mit geringem Energieeintrag dauerhaft aus der Luft holen lässt. „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“, fasst Götz zusammen.
