Etablierung und umfängliche Untersuchung eines Direct Air Capture CO2-Adsorbtionsverfahrens als ClosedCarbonLoop in einem Power to Gas Prozess (ClosedCarbonLoop)

Im Projekt ClosedCarbonLoop (Etablierung und umfängliche Untersuchung eines Direct Air Capture CO2-Adsorbtionsverfahrens als ClosedCarbonLoop in einem Power to Gas Prozess) wird ein CO2-Adsorptionsverfahren des Partners Climeworks in einen Power-to-Gas-Prozess (PtG) der HAW Hamburg integriert und so der Kohlenstoffkreislauf bei der Methanverbrennung geschlossen. Die Anlage dient der Gewinnung von Kohlendioxid aus der Umgebungsluft.  Prof. Dr-Ing. Hans Schäfers ist Leiter des Projektes. 

Herausforderung 

Bei der Nutzung regenerativer Energiequellen müssen zum einen kurzfristige Schwankungen der Stromerzeugung ausgeglichen und zum anderen Überschüsse so gespeichert werden, dass die Energie in windstillen und sonnenarmen Zeiten wieder in Strom umgewandelt werden kann. Möglich machen das so genannte Power-to-X-Techniken, bei denen Strom (Power) in eine andere, speicherbare, Energieform (X) überführt wird. Bei Power-to-Liquid (PtL) erfolgt die Umwandlung in einen flüssigen Kraftstoff, bei Power-to-Gas (PtG) in ein brennbares Gas wie Wasserstoff oder Methan. Bei der Verbrennung von Methan entsteht allerdings Kohlendioxid (CO2), das als wichtigstes Treibhausgas die Klimaerwärmung verstärkt. Dennoch kann Methan in ein regeneratives Energiekonzept integriert werden, wenn das CO2 zuvor der Luft entnommen und dem PtG-Prozess zugeführt wird. So wird nur das zuvor adsorbierte CO2 auch wieder freigesetzt; es entsteht ein geschlossener Kohlenstoffkreislauf. Die Herausforderung liegt darin, diesen Prozess möglichst energieeffizient und möglichst vollständig angetrieben durch erneuerbare Energien zu betreiben.

Ziele und Vorgehen 

Ziel des Projekts ClosedCarbonLoop ist die Integration einer Anlage zur direkten Gewinnung von CO2 aus der Umgebungsluft in eine PtG-Anlage der HAW Hamburg. Die Integration dieser DAC-CO2-Adsorptionsanlage (DAC: Direct Air Capture) schließt das Entwickeln, Testen und Bewerten einer systemoptimierten Betriebsweise ein. Dazu wird zunächst eine DAC-CO2-Adsorptionsanlage am Technologiezentrum der HAW aufgebaut und ins Gebäudeleitsystem integriert. Nach der Inbetriebnahme wird eine Regelung für einen stromsystemdienlichen Betrieb entwickelt und im Anlagenverbund aus Elektrolyse, Methanisierung, Speicherung und Heizkraftwerk rekursiv analysiert und verbessert. Anschließend wird die Gesamtleistung der Anlage in einem Langzeittest ermittelt. Untersucht werden technische Parameter, aber auch das Kosten-Nutzen-Verhältnis. Abschließend wird eine Verbindung des Teilprojekts ClosedCarbonLoop zu weiteren Projekten der Impulspartnerschaft X-Energy geschaffen. Ziel von X-Energy ist die Entwicklung zukunftsfähiger Energiesysteme.

Innovationen und Perspektiven 

Mit dem Projekt ClosedCarbonLoop wird erstmals ein Anlagenverbund geschaffen, in dem neben dem Stromkreislauf auch der Kohlenstoffkreislauf geschlossen wird. Aufgrund des systemoptimierten Betriebs wird es nach Einschätzung der Projektpartner zu sehr dynamischer Fahrweise der Adsorptionsanlage kommen. Daraus lassen sich wertvolle Kenntnisse über die zukünftigen Anforderungen an den Betrieb von Anlagen ableiten, die für die Abscheidung und anschließende Speicherung oder Nutzung von CO2 eingesetzt werden (CCS: carbon capture and storage; CCU: carbon capture and utilization). Im Gegensatz zu bisher üblichen Anlagen, die auf vorhandene CO2-Quellen setzen müssen, ergibt sich durch die Abscheidung aus der Umgebungsluft eine bessere Flexibilität der PtG-Technik, bezogen auf die Standortauswahl. Für den Industriepartner Climeworks bietet sich durch das Projekt die Möglichkeit, neue Marktsegmente zu erschließen, denn die dynamische Regelung von DAC-Anlagen ist eine entscheidende Anforderung für den Einsatz im PtX-Bereich.