SI/502432

Schlussbericht

In den vergangenen Jahrzehnten sind steigende CO2-Emissionen aufgrund der nachteiligen Auswirkungen zunehmender atmosphärischer Treibhausgaskonzentrationen auf die Umwelt zu einer zentralen gesellschaftlichen Herausforderung geworden. Dies hat die Entwicklung großskaliger Technologien zur CO2-Abscheidung vorangetrieben. Die bislang technologisch am weitesten entwickelten Abscheidesysteme sind flüssige, aminhaltige Wäscher. Trotz ihrer nachgewiesenen Leistungsfähigkeit ist die CO2-Abscheidung mit flüssigen Alkanolaminen jedoch mit einem sehr hohen Energiebedarf verbunden und erfordert typischerweise ≥ 4 MJ pro Kilogramm abgeschiedenem CO2 für die Regeneration.1,2 Diese hohe energetische Belastung hat den großtechnischen Einsatz eingeschränkt und das wachsende Interesse an alternativen Abscheidekonzepten gefördert. Vor diesem Hintergrund haben sich feste Adsorbentien als vielversprechende Kandidaten etabliert, da sie geringere Wärmekapazitäten aufweisen und das Potenzial besitzen, den Regenerationsenergiebedarf deutlich zu reduzieren. Ziel dieses Projekts war es, die CO2-Abscheidung mittels Adsorption an festen Adsorbentien im Kilogrammmaßstab zu demonstrieren und die optimale Kombination aus Adsorbens und Prozesskonfiguration zu identifizieren, um den Energiebedarf und die Abscheidekosten zu minimieren, ohne dabei die Trennleistung zu beeinträchtigen. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass durch eine geeignete Materialauswahl und Prozessoptimierung der Energieverbrauch auf unter 1 MJ kg-1 CO2 gesenkt werden kann, während gleichzeitig CO2-Produktivitäten von über 200 kg CO2 m-3 h-1 aufrechterhalten werden. Dadurch könnten sowohl die fixen als auch die variablen Kosten von CO2- Abscheideanlagen signifikant reduziert werden. Zur Umsetzung dieses Ziels wurde im Verlauf des Projekts ein integrierter Ansatz entwickelt und angewendet, der die dynamische Prozessmodellierung, die Validierung im Pilotmaßstab, die techno-ökonomische Analyse sowie die Lebenszyklusanalyse miteinander kombiniert. Eine Vielzahl fester Adsorbentien, darunter Zeolithe, Siliken und metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs), sowohl mit als auch ohne Amin-Funktionalisierung, wurde entwickelt, skaliert und evaluiert. Parallel dazu wurde eine dedizierte Pilotanlage konzipiert und in Betrieb genommen, die unter Gaszusammensetzungen und Temperaturen arbeitet, die für industrielle Abgasströme repräsentativ sind. Dies ermöglichte eine systematische Bewertung zentraler Leistungskennzahlen wie CO2-Reinheit, Rückgewinnungsgrad, Produktivität und Energieverbrauch. Dynamische Prozessmodelle wurden entwickelt und anhand experimenteller Durchbruchsdaten validiert, wodurch eine zuverlässige Extrapolation auf industrielle Szenarien möglich wurde. Unter den untersuchten Prozesskonfigurationen erwies sich die Temperatur-Vakuum-Wechseladsorption (Temperature–Vacuum Swing Adsorption) durchgängig als die vorteilhafteste Variante und erreichte CO2-Reinheiten von über 95 % sowie Rückgewinnungsgrade von etwa oder über 90 % bei industriell relevanten Maßstäben. Für Zeolith 13X ergaben Simulationen im industriellen Maßstab bei trockenen Rauchgasbedingungen und vollständiger Abwärmenutzung Abscheidungskosten von etwa 50 CHF pro Tonne CO2. Unter Berücksichtigung von feuchtem Rauchgas und Vor-Trocknungsanforderungen stiegen die Abscheidungskosten moderat auf etwa 60 CHF pro Tonne CO2, während eine geringere Verfügbarkeit von Abwärme die Kosten weiter auf etwa 70–75 CHF pro Tonne CO2 erhöhte, was auf eine Wettbewerbsfähigkeit mit modernsten lösungsmittelbasierten Abscheidungstechnologien hindeutet. Parallel dazu wurden aminfunktionalisierte Verbundadsorbentien auf Basis von KIT-6-Silika und der metallorganischen Gerüstverbindung MIL-101(Cr) erfolgreich entwickelt und skaliert. Deren Integration in optimierte Adsorptionszyklen zeigte, dass hohe CO2-Reinheiten und Rückgewinnungsgrade bei Energieverbräuchen erreicht werden können, die den relevanten Zielvorgaben des DOE entsprechen. Die Lebenszyklusanalyse ergab, dass die adsorptionsbasierte CO2-Abscheidung zwar günstige ökologische Eigenschaften im Betrieb aufweist, die Herstellung der Adsorbentien – insbesondere lösungsmittelintensive Prozessschritte bei MOF-basierten Systemen – jedoch den dominierenden Beitrag zur gesamten Umweltbilanz leistet. Durch die Implementierung von Lösungsmittelrückgewinnung und alternativen Trocknungsstrategien konnte der CO2-Fußabdruck jedoch um bis zu etwa 80 % reduziert werden, was klare Ansatzpunkte für eine ökologisch wettbewerbsfähige Materialproduktion aufzeigt. Der Einfluss der Feuchte im Abgas wurde explizit untersucht. Dabei zeigte sich, dass eine vorgeschaltete Trocknung zwar eine moderate, aber beherrschbare Kostensteigerung verursacht, die grundsätzliche wirtschaftliche und technische Tragfähigkeit der adsorptionsbasierten CO2-Abscheidung jedoch nicht beeinträchtigt. Insgesamt belegen die Ergebnisse, dass die adsorptionsbasierte CO2-Abscheidung – insbesondere die Temperatur-Vakuum-Wechseladsorption – einen Reifegrad in technischer, energetischer, ökologischer und ökonomischer Hinsicht erreicht hat, der den Übergang zu integrierten Demonstrationsanlagen und einem großskaligen Einsatz rechtfertigt. Die unmittelbaren Prioritäten für den weiteren Fortschritt sind die Produktion fortschrittlicher Adsorptionsmittel im Tonnenmaßstab in Zusammenarbeit mit industriellen Herstellern sowie eine integrierte Demonstration in einer Schweizer Kehrichtverbrennungsanlage, wo die günstige Zusammensetzung der Rauchgase und die verfügbare Abwärme die wettbewerbsfähigsten Bedingungen bieten. Vor allem aber bleibt der Nachweis der langfristigen Beständigkeit der Sorptionsmittel unter realistischen Rauchgasbedingungen – einschließlich Feuchtigkeit, SO? und NO? – die wichtigste noch zu bewältigende technische Herausforderung vor einem großtechnischen Einsatz. Über die Kehrichtverbrennung hinaus ermöglicht der modulare Aufbau der Technologie eine Anpassung an andere Sektoren, in denen Emissionsminderungen besonders schwierig sind, darunter die Zement-, Stahl- und Chemieindustrie, und trägt so direkt zum Ziel der Schweiz bei, bis 2050 jährlich 12 Millionen Tonnen CO2 abzuscheiden. Die detaillierten Schritte, Meilensteine und Industriepartnerschaften, dieerforderlich sind, um die Technologie von ihrem derzeitigen Entwicklungsstand zur Marktreife zu bringen, sind in der Technologie-Roadmap (Abschnitt 6.3) dargelegt.