CO2 einfangen statt ausstoßen Wie Cellulosefasern helfen, CO2 aus der Luft zu filtern

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Im Bestreben, globale Emissionen durch das Einsparen von Kohlenstoffdioxid (CO2) zu minimieren, können „Direct-Air-Capture-Technologien“ unterstützen. In diesem Zusammenhang partizipiert das DITF Denkendorf an einem Forschungsprojekt, dessen Ziel es ist, CO2 aus der Luft mittels gewebefixierter Amine zu filtern.

Deutlich unter zwei Grad Celsius ist das Ziel, das 2015 auf dem UN-Klimagipfel von Paris beschlossen wurde. Gemeint ist der globale Temperaturanstieg gegenüber dem vorindustriellen Niveau. Die Weltgemeinschaft hat sich darauf verständigt, die Erderwärmung auf 1,5 °C zu begrenzen. Soll dieser Wert gehalten werden, braucht es Anstrengungen auf sämtlichen Ebenen der Wertschöpfung. Hier stehen Industrie wie auch Gesellschaft vor großen Aufgaben. Das Einsparen allein von CO2 reicht nicht aus, dieses muss auch durch entsprechende Kompensationsmaßnahmen aufgefangen werden. Im Rahmen dessen bieten sich Maßnahmen wie Aufforstung, Kohlenstoffbindung im Boden oder auch das aktive Abtrennen von CO2 aus der Luft an. Bei Letzterem wird auch vom Direct-Air-Capture (DAC) gesprochen. Hier existieren verschiedene Technologien beziehungsweise Ansätze, mit deren Hilfe CO2 aktiv aus der Atmosphäre abgeschieden werden. Auch die Forschung hat sich diesem Themengebiet angenommen. Die Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF) entwickeln im Rahmen eines Forschungsprojektes textile Materialien zur CO2-Abtrennung aus der Luft. Diese ermöglichen es, das Kohlenstoffdioxid längerfristig zu fixieren und es dem Klimakreislauf dauerhaft zu entziehen. Optional lässt es sich auch als Rohstoff für das Herstellen von CO2-neutralem Wasserstoffen nutzen.

Das Entziehen von Treibhausgasen aus der Atmosphäre hat hierbei Potenzial, allein die wirtschaftlichen Aspekte verwehren diesem Verfahren bislang noch den großen Durchbruch. Um das CO2 aus der Atmosphäre anzapfen zu können, bedarf es enormer Mengen an Luft, die durch einen Filter gepumpt werden. Denn: Der CO2-Anteil in der Atmosphäre beträgt lediglich 0,04 %. Das Abscheiden des absorbierten Kohlendioxids aus den Filtern benötigt wiederum größere Mengen an Wärmeenergie. Ein unter den aktuellen Bedingungen noch eher kostspieliges Unterfangen, das einem wirtschaftlichen Betrieb im Weg steht. Aufgabe ist es deshalb, die dahinterstehenden Technologien entsprechend weiterzuentwickeln. Die Stichwörter lauten hier Effizienz und Energieverbrauch.

Über das Forschungsvorhaben „Cora“

Das Verbund-Forschungsprojekt „Cora – CO2-Abtrennung aus Luft für Power-to-X-Prozesse zur Sektorkopplung“ wird gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unter Aufsicht des Projektträgers Jülich. Konsortialführer ist das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW), Stuttgart. Ziel ist die Entwicklung eines kosten- und energieeffizienten CO2-Sorbens auf Basis von Cellulosevlies und Aminen als Grundlage für eine wettbewerbsfähige Industrialisierung und Skalierbarkeit der Technologie. Die Möglichkeit zur parallelen CO2- und H2O-Bereitstellung befähigt das neue Verfahren zum Rohstofflieferanten für Power-to-X-Prozesse an abgelegenen Standorten, dass dieses energieautark betrieben werden kann.

Welchen Ansatz das Projekt verfolgt

Im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojektes, an dem neben dem DITF Denkendorf das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg und dem Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg auch der Automobilhersteller Mercedes-Benz partizipiert, wird an einem hocheffizienten Verfahren zum Abtrennen von CO2 aus der Luft gearbeitet. Dazu soll auch ein Demonstrator realisiert werden, der autark betrieben werden kann. Die Ressourcen dafür sollen durch erneuerbare Energie wie Solarenergie und Abwärme aus Wärmepumpen gedeckt werden. Beim Luftfilter wird ein anderer Ansatz als bei bereits etablierten Verfahren verfolgt. Bedingt durch die Bauweise ist ein kontinuierlicher Betrieb der Anlage möglich, was wiederum die Skalierbarkeit in Bezug auf industrielle Maßstäbe verbessert.

Welche Rolle nimmt die DITF ein?

Als Filtermedium für die Demonstratoranlage werden Cellulosefasern eingesetzt. Das Know-how dafür kommt von der DITF. Die Entscheidung zugunsten von cellulosebasierten Fasermaterialien lieferten Ergebnisse eines vorangegangenen Forschungsvorhabens. Dabei wurde ein Screening möglicher Verfahren und Materialien durchgeführt, welche sich für das Filtern von Kohlendioxid aus der Luft eignen. Cellulosefasern besitzen eine offene, luftdurchlässige Struktur, was für einen hohen Luftdurchsatz von Vorteil ist. Ihre spezifische Oberfläche begünstigt zudem das Anbinden möglichst großer CO2-Volumina.

Wo aber kommen nun die bereits erwähnten Amine ins Spiel? Sie sorgen für die temporäre Bindung des Kohlenstoffdioxids an den Fasern. Dafür werden die Cellulosefasern unter Leitung von Dr. Frank Hermanutz im Kompetenzzentrum Biopolymerwerkstoffe der DITF in speziell dafür optimierten Spinnverfahren chemisch modifiziert, dass die Amine an deren Oberfläche koppeln. Ziel ist es, die Cellulose derart zu optimieren, dass die Adsorptionsfähigkeit für CO2 bestmöglich ausgereizt ist.

Ziel ist ein kosteneffizientes CO2-Sorben auf Basis von Cellulosevlies und Aminen.

Wie wird das CO2 gefiltert?

Neue Wege geht man auch beim Filteraufbau: Es wird nicht wie sonst üblich, ein statischer Filter verwendet, der nach vollständiger Beladung der Aminogruppen mit CO2 ausgeheizt werden muss. Der Filtriervorgang wird in einen kontinuierlich arbeitenden Prozess eingebunden, der einen dauerhaften und energiesparenden Betrieb zulässt. Sofern das System an bestehende Luftströme wie Gebäudeklimatisierungen oder Abluft angeschlossen wird, entfällt die Notwendigkeit, energieintensive Ventilatoren einzusetzen. In der Filteranlage sind die Cellulosefasern in Form von Vliesen zu Endlosbändern verarbeitet. Die Bänder laufen in einem kontinuierlichen Prozess auf Rollenbahnen durch den Anluftstrom und binden dort das CO2. Anschließend werden in einem räumlich abgetrennten Desorptionsbereich die Bänder in drei Temperaturzonen aufgeheizt. Dort trennt sich von den Aminogruppen Wasser und CO2. Das Wasser wird separat entnommen. Ein hoher synergetischer Effekt insbesondere, da die Anlage energieautark betrieben werden kann, kosten- und energieeffizient arbeitet und somit auch in infrastrukturschwachen und wasserarmen Regionen installiert werden kann. Die Ausführung des Filters als Bandapparat erleichtert es, das Verfahren in sehr große Leistungsklassen hoch zu skalieren. Die Bandlänge muss hierzu lediglich entsprechend größer ausgeführt werden.

Quelle: DITF

Nachgefragt bei Dr. Frank Hermanutz, Leiter Kompetenzzentrum Biopolymerwerkstoffe der DITF

Herr Hermanutz, im Verbund-Projekt „Cora“ arbeiten Sie daran, CO2 aus der Luft zu extrahieren. Mithilfe von Aminen wird das CO2 an Cellulosefasern gebunden. Wie kommt man auf solch eine Idee? Dr. Frank Hermanutz: Amin-basierte Gaswäscher werden heutzutage für die CO2-Abtrennung genutzt, sind durch einen hohen Energiebedarf besser für die Abgasreinigung geeignet, für das es ursprünglich entwickelt wurde. Nimmt man die Amine und fixiert sie auf einen Festkörper, kann die Regenerationsenergie reduziert werden. Dadurch ergeben sich neue Anwendungsgebiete, das sogenannte Direct Air Capture (DAC). Als Träger werden metallische, keramische oder polymer-basierte Materialien verwendet. Cellulose als Trägermaterial ist vergleichsweise günstig und hat zudem einen nachhaltigen Charakter. Cellulosefasern wiederum lassen sich z. B. zu Vliesen verarbeiten, die wiederum ein hohes Oberflächen- zu Volumen-Verhältnis aufweisen, das wiederum vorteilhaft für DAC-Verfahren ist.

Wie muss die Oberfläche der Cellulosefaser vorbereitet werden, damit die Amine haftfest und dauerhaft anbinden? Hermanutz: Die Oberfläche der Cellulosefasern weisen OH-Gruppen auf, an welche die Amine chemisch gebunden werden, eine „Aktivierung“ der Oberfläche ist nicht nötig.

Muss das Spinnverfahren der Fasern hierfür angepasst werden? Hermanutz: Das Spinnverfahren muss nicht angepasst werden, da die Modifikation der Cellulosefasern in einem separaten Schritt erfolgt.

Durch die Amine wird das CO2 gebunden. Wie wird es wieder freigesetzt und weiterverwendet? Hermanutz: CO2 kann mithilfe von Wärme desorbiert und somit in konzentrierter Form für nachgelagerte Prozesse wie der eFuel-Synthese bereitgestellt werden.

Die Filteranlage ist für einen energieautarken Betrieb vorgesehen. Wie hoch ist hier der tatsächliche Energiebedarf? Und wie wird dieser gedeckt? Hermanutz: Wie hoch der Energiebedarf ist, konnte noch nicht endgültig geklärt werden, wir arbeiten aber mit unseren Projektpartnern daran, parallel zur Materialentwicklung diese wichtigen Kennwerte bereitzustellen, angestrebt sind 0,5 elektrische Kilowattstunden pro Kilogramm CO2. Geplant ist, dass der Energiebedarf durch Prozessabwärmen gedeckt werden soll.

In der Forschung werden mehrere Ansätze zum Binden von CO2 verfolgt. Welche Vorteile bietet Ihr Konzept? Hermanutz: Ziel ist die Entwicklung eines kostengünstigen CO2-Sorbens auf Basis von Cellulosevlies und Aminen als Grundlage für eine wettbewerbsfähige Industrialisierung und Skalierbarkeit der Technologie.

Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unter Aufsicht des Projektträgers Jülich gefördert. Wie ist die Projektlauftzeit und mit welcher Summe wird es gefördert? Hermanutz: Angesetzt ist das Projekt mit einer Laufzeit von vier Jahren vom 01.04.2021 bis 31.03.2025. Die Gesamtmittel belaufen sich auf 555.000 Euro.

Welche Potenziale sehen Sie persönlich in der „Direct-Air-Capture-Technologie“? Hermanutz: Die DAC-Technologie hat durchaus ihre Daseinsberechtigung, wobei der Energiebedarf aus erneuerbaren Quellen gedeckt werden muss.