Projekt verbessert Direct Air Capture CO2-Abscheidung mit energiesparenden Adsorbern

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Fraunhofer-Institut für Grenz- flächen- und Bioverfahrens- technik IGB

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Materialwissenschaft trifft Klimaschutz: In einem laufenden Projekt wollen Fraunhofer Forscher neue Membranmodule für die Industrie entwickeln, mit denen sich effizient CO₂ aus der Luft abscheiden lässt. Die Direct-Air-Capture-Technologie könnte einen wichtigen Beitrag zum Erreichen der Klimaziele liefern. Aktuell ist sie aber zu energieintensiv.

Gute Nachricht für den Klimaschutz: Der „Klimakiller“ CO₂ lässt sich bereits heute aus der Luft entfernen und zurückgewinnen. Allerdings gibt es einen Haken. Denn die entsprechenden Verfahren, die bereits im Einsatz sind, benötigen viel Energie und sind somit ineffizient und wenig rentabel. Deswegen arbeitet nun ein interdisziplinäres Forschungsteam bestehend aus dem Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, dem Institut für Polymerchemie der Universität des Saarlandes und dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) an einer Lösung, die sowohl umweltfreundlich als auch wirtschaftlich ist. Der Schlüssel hierzu liegt in neuen Adsorbern.

Die Abscheidung von CO₂ kann auf chemischer oder physikalisch-adsorptiver Basis erfolgen. Üblich sind Verfahren wie die Rauchgaswäsche bei Punktquellen oder die direkte Luftabscheidung, auch Direct Air Capture genannt, kurz DAC. Chemische Verfahren weisen jedoch große Herausforderungen auf, insbesondere den hohen Energiebedarf bei der Regeneration. Hier setzen die Partner des Projekts „Safe-CO₂“ an.

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Die Membran macht den Unterschied

Das Projektteam um Dr. Thomas Schiestel, Gruppenleiter Membranen am Fraunhofer IGB, richtet seine Aufmerksamkeit darauf, neue thermoresponsive Membranadsorber zu entwickeln, die eine hohe CO₂-Kapazität aufweisen, langfristig stabil sind und bei denen eine Regeneration bei niedrigen Temperaturen erfolgt. Dabei setzt das Institut auf seine über 40-jährige Erfahrung in der Membranentwicklung. „Unser Ziel ist, Membranadsorber auf Polymerbasis als strukturiertes Adsorberbett zu entwickeln“, erklärt Tobias Götz, der verantwortliche Wissenschaftler am IGB.

Der Einsatz von Membranen sorge für einen minimierten Druckabfall bei der Luft-Durchströmung und somit bei der CO₂-Adsorption, führt der Wissenschaftler aus. „Darüber hinaus reduzieren wir den Energiebedarf, indem wir das volle Potenzial von thermoresponsiven CO₂-Adsorbern durch die Einbettung in eine offenporöse Membran nutzen. Davon profitieren wir gleich doppelt: wir reduzieren den Energieaufwand und leisten einen Beitrag zum Kampf gegen den Klimawandel, indem wir zurückgewonnenes CO₂ wieder nutzbar machen.“

Neue CO2-Adsorber entwickeln

Der Arbeitsschwerpunkt von Götz und seinem Team am IGB liegt auf der Entwicklung der porösen Strukturen und dem Moduldesign. Die darin verwendeten Adsorber stammen vom Institut für Polymerchemie der Universität des Saarlandes. „Für die Membranmodule werden wir die thermoresponsiven CO₂-Adsorber in Form von Mikrogel- und Kern-Schale-Partikeln herstellen“, erläutert Prof. Dr.-Ing. Markus Gallei. Sein Spezialgebiet liegt bei den so genannten „intelligenten Polymeren“, also Materialien, die auf externe Reize aus ihrer Umwelt reagieren können – etwa auf Veränderungen im Lösungsmittel, der Temperatur, dem Lichteinfall oder des pH-Werts sowie auf mechanische, elektrische oder magnetische Stimuli. „Unsere im Rahmen von Safe-CO₂ eingesetzten Materialien reagieren auf Temperaturveränderungen. Durch den dabei erzeugten thermischen Phasenübergang können die Bindungseigenschaften von CO₂ beeinflusst werden. So lassen sie sich in den Membranmodulen des IGB als Schalter zwischen Adsorption und Desorption einsetzen, um die CO₂-Abscheidung effizient zu steuern.“

Ein weiterer Arbeitsschritt im Projekt ist die Charakterisierung der verwendeten Membranadsorber. Hierfür steuert das ZSW in Stuttgart seine Expertise bei. Der Fokus des Instituts liegt auf der Forschung und Entwicklung im Bereich der erneuerbaren Energien und der Unterstützung der Markteinführung neuer technologischer Entwicklungen. Das ZSW forscht zudem seit mehr als 30 Jahren an Technologien zur direkten CO₂-Abscheidung aus der Atmosphäre. Neben der Entwicklung einer eigenen flüssigkeitsbasierten DAC-Technologie betreibt es mit dem „DACLab“ ein Testlabor, in dem unterschiedliche DAC-Ansätze technologieoffen und unter verschiedensten klimatischen Bedingungen weltweit untersucht und bewertet werden.

Ähnlich wie die Fraunhofer-Gesellschaft sieht sich das Zentrum dabei als Brückenbauer zwischen Grundlagenforschung und industrieller Praxis. „Unser Beitrag zu Safe-CO₂ besteht darin, dass wir die eingesetzten Materialien ausgiebig testen und bewerten, wie umweltfreundlich und wirtschaftlich sie im Vergleich zu bestehenden Lösungen sind“, sagt Dr. Marc-Simon Löffler, Fachgebietsleiter für Regenerative Energieträger und Verfahren am ZSW.

Langfristiger Beitrag zum Klimaschutz

Das nun gestartete Projekt Safe-CO₂ hat eine Laufzeit bis 2029. Bis dahin wollen die Beteiligten nachweisen, dass die direkte CO₂-Entnahme aus der Luft nicht nur technisch machbar ist, sondern dass dies auch mit geringem Energieeintrag möglich und die entwickelte Lösung über eine längere Dauer nutzbar ist. IGB-Experte Götz fasst es zusammen: „Langfristig wollen wir mit unserer Technologie dabei helfen, unvermeidbare Emissionen auszugleichen. Dabei wollen wir auf nachhaltige Wertschöpfungsketten setzen, die klimaneutrale Prozesse fördern und den Übergang zu einer umweltverträglicheren Wirtschaft unterstützen.“

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