09.12.2022

Kohlenstoff aus Luft

Verfahren vereint negative Emissionen mit der Produktion von Grafit oder Graphen.

Das Treibhausgas CO2 aus der Atmosphäre entnehmen und durch kombinierte Prozesse in einen stabilen Kohlenstoff umwandeln – das leistet seit diesem Monat ein neuer Anlagen­verbund am Karlsruher Institut für Technologie im Versuchs­maßstab. Das im Forschungs­projekt NECOC gemeinsam mit Industrie­partnern entwickelte Verfahren vereint negative Emissionen mit der Produktion eines Hightech-Rohstoffs. Nun soll es energetisch optimiert und skaliert werden. Das Bundes­ministerium für Wirtschaft und Klimaschutz fördert das Projekt mit 1,5 Millionen Euro.

Abb.: Diese Anlage produziert den Hightech-Rohstoff Kohlenstoff aus dem...
Abb.: Diese Anlage produziert den Hightech-Rohstoff Kohlenstoff aus dem Kohlendioxid der Umgebungsluft. (Bild: M. Breig)

Für eine Klimaneutralität müssen Kohlenstoff­kreisläufe in der Industrie möglichst rasch geschlossen werden. Um gleichzeitig auch das 1,5-Grad-Ziel zu erreichen, muss nach Empfehlungen des Weltklima­rates zusätzlich bereits ausgestoßenes CO2 aus der Atmosphäre entfernt und dauerhaft gespeichert werden. „Damit industrielle Produktion trotzdem möglich bleibt, müssen wir technologisch ganz neu Wege gehen“, sagt Benjamin Dietrich vom Institut für Thermische Verfahrens­technik. „Das gilt auch für die Bereit­stellung von Kohlenstoff in der Industrie. Benötigt wird dieser bei der Produktion von Batterien, in der Farbindustrie, im Agrarsektor oder auch bei der Herstellung von Baustoffen. Bislang stammt er meist aus fossilen Quellen.“

Im Forschungs­projekt NECOC – NEgative CarbOn dioxide to Carbon – entwickeln die Verbund­partner ein Verfahren, mit dem sich CO2 aus der Atmosphäre in Kohlenstoff verarbeiten lässt. „Wenn dieser dann langfristig gebunden bleibt, kombinieren wir negative Emissionen mit einem Baustein der postfossilen Rohstoff­versorgung im Sinne einer zukünftigen Carbon-Management-Strategie. Das ist ein doppelter Beitrag für eine nachhaltigere Zukunft“, so Dietrich. In einer ersten Projektphase hat das Forschungsteam eine Versuchsanlage im Container­maßstab aufgebaut, die nun in Betrieb gegangen ist. Im kontinuierlichen Betrieb entfernt diese erste Ausbaustufe jeden Tag knapp zwei Kilogramm CO2 aus der Umgebungsluft und produziert daraus 500 Gramm festen Kohlenstoff.

Das NECOC-Verfahren kombiniert drei Prozessschritte: Mithilfe eines Adsorbers wird im ersten Schritt das CO2 aus der Umgebungs­luft abgetrennt (Direct Air Capture). Im zweiten Schritt wird es in einem mikro­strukturierten Reaktor mit erneuerbar hergestelltem Wasserstoff aus einem angeschlossenen Elektrolyseur zur Reaktion gebracht. Die Bestandteile Kohlenstoff und Sauerstoff gehen dabei neue Bindungen ein, aus dem CO2 wird nun Methan und Wasser. Das Wasser fließt zurück in den Elektrolyseur, das Methan mit seinem Kohlenstoff­bestandteil fließt weiter in einen Reaktor mit flüssigem Zinn.

Im dritten Verfahrensschritt kommt es dort in aufsteigenden Blasen zur Pyrolysereaktion, die Methanmoleküle werden aufgespalten. Dabei entsteht Wasserstoff, der wieder zur Auftrennung von CO2 im Prozess verwendet wird. Übrig bleibt Kohlenstoff, der als mikro­granulares Pulver auf dem Zinn schwimmt und mechanisch konti­nuierlich abgetrennt wird. Durch Änderung von Prozess­parametern wie dem Temperaturniveau können dabei unterschiedliche Kohlenstoff­modifikationen wie Graphit, Carbon Black oder sogar Graphen hergestellt werden.

Mit dem Start der Versuchs­anlage hat das Projekt einen wichtigen Meilenstein und das Ende der ersten Förderphase erreicht. In einer zweiten Projekt­phase soll es nun für eine erweiterte Ausbaustufe skaliert und optimiert werden. „Wir wollen das Verfahren noch energieeffizienter machen, indem wir die Rückgewinnung von Prozess­wärme verbessern“, sagt Projektleiter Leonid Stoppel vom Karlsruher Flüssig­metalllabor Kalla. „Außerdem betrachten wir die Integration von Hochtemperatur-Wärmespeichern und die direkte Einbindung solarer Wärme.“ Weiterhin sollen die Einbindung von CO2-Punktquellen, neuartige Ansätze zur Entnahme des CO2 aus der Luft sowie der Einfluss von Spuren- und Begleit­komponenten aus dem Prozessverbund auf die Kohlenstoff­qualität untersucht werden.
 

KIT / JOL

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