Das ZSW forscht seit rund 30 Jahren im Bereich der CO2-Abscheidung aus Luft und zählt weltweit zu den führenden Forschungseinrichtungen im Bereich Direct-Air-Capture (DAC). Hierbei werden sowohl flüssigkeitsbasierte als auch auf feststoffbasierte DAC-Prozesse entwickelt und untersucht.
Im Bereich der flüssigkeitsbasierten Prozesse wurden Verfahren auf Basis von Natronlauge (NaOH) und Polyethylenimin (PEI) bis hin zu Prototypen mit Abscheidekapazitäten von bis zu 10 kgCO2/h realisiert. Insbesondere das am ZSW entwickelte PEI-basierte Wäscherverfahren zeigt vielversprechende Ergebnisse hinsichtlich der Zuverlässigkeit sowie des Kosteneffizienz- und Skalierungspotenzials. Ergänzend wurden auch kontinuierliche feststoffbasierte DAC-Konzepte auf Basis zellulosefixierter Amine entwickelt und als Prototyp umgesetzt.
Im Detail verfügt das DACLab aktuell über rund 10 Teststände und Versuchsanlagen von der Sorbenscharaktierisierung im Labormaßstab bis zur Prozessvalidierung im kg/h-Maßstab. Die Prüfstände wurden selbst konzipiert, konstruiert und umgesetzt und sind daher flexibel an unterschiedliche Fragestellungen und Kundenanforderungen adaptierbar.
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"Direct Air Capture made
in Baden-Württemberg"
Ein besonderer Schwerpunkt des DACLab liegt auf der Untersuchung verschiedener DAC-Technologien unter realitätsnahen und global variierenden Klimabedingungen. Während der Ausbau erneuerbarer Energien einerseits viele neue Standorte für großtechnische DAC-Anlagen eröffnet, sind damit andererseits oftmals erhebliche Anforderungen an die DAC-Technologien verbunden, die technologieabhängig unterschiedlich sensibel auf Temperatur- und Feuchteschwankungen reagieren. Diese Faktoren entscheiden maßgeblich über die Effizienz, den Energiebedarf und somit letztlich auch über die Wirtschaftlichkeit. Mithilfe einer hochflexiblen Luftvorkonditionierung kann im DACLab nahezu jede globale Klimasituation nachgebildet werden – vom trockenen Wüstenklima bis zur tropischen Feuchte. Die gewonnenen Daten ermöglichen eine präzisere Prozessauslegung, liefern Hinweise auf standortspezifische Grenzen und schaffen eine belastbare Basis für Technologievergleiche und Benchmarks.
Neben der Entwicklung eigener DAC-Technologien sowie den Test- und Beratungsangeboten fördert das ZSW auch den Aufbau von Netzwerken und die regionale Wertschöpfung. Im Projekt DAC-BW wurde beispielsweise ein landesweites DAC-Netzwerk mit rund 40 Unternehmen und Institutionen aufgebaut, um die Entwicklung von DAC-Technologien in Baden-Württemberg zu stärken.
Mit DACLab verfügt das ZSW über eine technologieoffene und unabhängige Testplattform für die Entwicklung, Optimierung und Bewertung von Direct-Air-Capture-Technologien. Die Infrastruktur ermöglicht die Untersuchung sowohl flüssigkeits- als auch feststoffbasierter Technologieansätze und deckt die gesamte Entwicklungskette von der Material- und Komponentencharakterisierung bis zur Prozessvalidierung im Prototypenmaßstab ab.
Die derzeit rund 10 Prüfstände und Versuchsanlagen wurden am ZSW entwickelt und aufgebaut und können flexibel an unterschiedliche Fragestellungen und Kundenanforderungen angepasst werden. Neben der Charakterisierung von Sorbentien und Einzelkomponenten ermöglicht DACLab die Untersuchung kompletter Prozessketten unter definierten Randbedingungen. Die Testmöglichkeiten reichen vom Labormaßstab bis zur Validierung von DAC-Prozessen mit Abscheidekapazitäten von bis zu 100 t CO2 pro Jahr. Automatisierte Betriebsstrategien und ein 24/7-Dauerbetrieb erlauben darüber hinaus Langzeit- und Alterungsuntersuchungen unter praxisnahen Bedingungen.
Ein besonderer Schwerpunkt des DACLab liegt auf der Untersuchung des Einflusses klimatischer Randbedingungen auf die Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit von DAC-Technologien. Mithilfe einer hochflexiblen Luftkonditionierung können Luftvolumenströme bis 1.000 m3/h sowie Temperaturen zwischen -15 und +40 °C und absolute Feuchten bis 28 g H2O/kg Luft eingestellt werden. Dadurch lassen sich unterschiedliche globale Standortbedingungen reproduzierbar abbilden und Technologien unter realitätsnahen Einsatzbedingungen vergleichen und bewerten.
Ergänzt wird die Testinfrastruktur durch umfangreiche analytische Möglichkeiten sowie eine durchgängige digitale Datenerfassung. Onlinefähige Messsysteme ermöglichen den Echtzeitzugriff auf Prozessdaten, während Material- und Gasanalysen, unter anderem mittels Thermogravimetrie oder Gaschromatographie und eine detaillierte Charakterisierung von Sorbentien und Prozessströmen erlauben.
Mit seinem technologieübergreifenden Ansatz bietet DACLab eine flexible Entwicklungs- und Validierungsplattform für Industrie, Anlagenbauer, Materialhersteller und Forschungseinrichtungen. Dadurch können neue DAC-Technologien schneller, belastbarer und unter realitätsnahen Bedingungen bis zur industriellen Anwendung weiterentwickelt werden.
Die vom ZSW entwickelte und bislang bis in den Maßstab 100 t CO2 pro Jahr Abscheidekapazität skalierte DAC-Technologie basiert auf einer wässrigen Polyethylenimin-(PEI)-Lösung. Der Technologieansatz kombiniert die Vorteile aminbasierter Feststoffverfahren (niedrige) Desorptionstemperaturen) mit den Vorteilen hydroxidbasierter Flüssigverfahren (Möglichkeit eines kontinuierlichen Prozessbetriebs).
Durch die kontinuierliche Prozessführung werden Totzeiten, hohe Materialbelastungen und schwankende CO2-Produktgasqualitäten vermieden. Gleichzeitig ist der regelungstechnische Aufwand vergleichsweise gering. Die robuste Technologie zeichnet sich zudem durch niedrige Wartungskosten und eine gute Skalierbarkeit aus – wichtige Voraussetzungen für den zukünftig benötigten Aufbau von CO2-Abscheidekapazitäten im Gigatonnenmaßstab. Aufgrund der hohen CO2-Reinheit eignet sich das abgeschiedene Kohlenstoffdioxid sowohl für die dauerhafte Speicherung als auch für die stoffliche Nutzung, beispielsweise zur Herstellung synthetischer Kraftstoffe (eFuels).
In dem über mehr als 25.000 h erfolgreich erprobten ZSW-Prozess wird die PEI-Waschlösung im Gegen- bzw. Kreuzstrom zur Luft in einem als Gaswäscher ausgeführten Absorber geführt. Die Luft wird dabei mithilfe eines Gebläses durch die Anlage gefördert, während ein vorgeschalteter Filter den Eintrag von groben Verunreinigungen verhindert. Durch strukturierte Packungen bzw. Schüttungen wird die Phasengrenzfläche zwischen Luft und Waschlösung vergrößert und damit die CO2-Aufnahme verbessert.
Die CO2-Aufnahme erfolgt typischerweise bei Umgebungstemperatur, während für die Desorptiontemperaturen zwischen 80 bis 100 °C erforderlich sind. Zur Steigerung der Energieeffizienz sind Absorber und Desorber über einen Wärmeübertrager gekoppelt. Dadurch wird die aus dem Absorber kommende Flüssigkeit vorgewärmt und der aus dem Desorber zurückströmende Flüssigkeitsstrom gleichzeitig abgekühlt. Dies reduziert sowohl den externen Wärmebedarf des Desorbers als auch den Kühlbedarf im Absorber. Die Abkühlung der Waschlösung vor dem Wiedereintritt in den Absorber ist dabei entscheidend, da höhere Temperaturen die CO2-Aufnahmekapazität verringern und gleichzeitig die Wasserverdunstung erhöhen würden.
