SI/502162

Schlussbericht

In dieser Machbarkeitsstudie wurde eine neue Technologie zur Erzeugung erneuerbarer Brennstoffe für ein Zementwerk entwickelt. Sie basiert auf einem plasmagestützten Upcycling von CO2 und kann direkt auf einen CO2-reichen Abgasstrom eines Zementwerks angewendet werden, um ein CO-reiches Brennstoffgemisch zu erzeugen. Die Reoxidation versorgt die Anlage mit der notwendigen thermischen Energie für den Kalzinierungsprozess und somit kann ein geschlossener Brennstoffkreislauf aus dem Abgas erzeugt werden. Im Rahmen des Projekts wurde ein völlig neuer Plasmaaufbau auf der Grundlage einer dielektrischen Barriereentladung (DBD) aufgebaut und betrieben. Die Entwicklungen umfassen die Konstruktion neuer Hardware wie mehrere Plasmareaktoren (Rohr- und Plattenreaktor) und eine LabVIEW-basierte Betriebssoftware. Darüber hinaus wurde eine erfolgreiche Industriekooperation mit Materiallieferanten und Plasmaanlagenherstellern aufgebaut, um die industrielle Implementierung zu gewährleisten. Das Ergebnis ist eine optimierte, voll funktionsfähige, hocheffiziente Plasmaeinheit, die auf einem skalierbaren Industriedesign für die spätere Industrialisierung basiert. Im experimentellen Teil werden die höchsten CO2-Umwandlungen (~20%) bei hoher Leistung oder geringen Durchflüssen erreicht und können durch Verdünnung des CO2 (~25%) weiter gesteigert werden, was typischen Industrieabgaskonzentrationen entspricht. Die energieeffizienteste CO2 Umwandlung erreicht man bei einer CO2 Umwandlung von 10% mit einem Energieeintrag von nur 17 W. Dies wird durch die modernisierte und verbesserte industrielle Konfiguration erreicht. Zusätzlich wurde die Bildung unerwünschter Nebenprodukte per Massenspektrometer untersucht, wobei nur NOx in so vernachlässigbar geringen Mengen festgestellt werden konnte, dass diese keine umweltrechtliche Relevanz aufweisen. Der Einfluss von dielektrischen Materialien und Metallkatalysatoren auf die CO2-Umwandlung wurde ebenfalls untersucht. Der Wechsel von einer Quarzbarriere zu einer Al2O3-Barriere führte beispielsweise zu einer Steigerung der CO2-Umwandlung um mehr als 500%. Die größten Herausforderungen sind das Materialdesign und die anschließende Einführung der katalytischen Pulver in die Reaktionszone. Im Allgemeinen verbessert aber die Anwesenheit von Dielektrika und katalytischaktiven Metallen in der Plasmazone schon die CO2-Umwandlung Die Anwendbarkeit des Konzepts auf die Parameter eines Zementwerks wird positiv bewertet. Bei einem angenommenen Prozesswirkungsgrad von 62% (elektrische Leistung zu Reaktionsenthalpie) und einem derzeitigen Strompreis von 7 Rp/kWh (01/2022) beträgt der Beitrag der Stromkosten zum Preis der nutzbaren thermischen Energie ca. 114 CHF pro MWh Brennstoff. Aus unseren Ergebnissen lässt sich abschätzen, dass die am Anlagenstandort zurückgewonnene Elektrizität ausreicht, um 1.4% der benötigten Brennstoffmenge mit Hilfe des Plasmas bereitzustellen. Dies würde einer CO2-Einsparung von 554 kg/h entsprechen. Eine vollständige Elektrifizierung der evaluierten Anlage zu 100% ist technisch machbar und könnte CO2-Einsparungen von 40 t/h oder 350000 t/a erbringen.