CO₂-Abscheidung bei CONENGA

Uns alle betreffen die Klimaveränderungen. Eine Vielzahl unserer Projekte beschäftigen sich mit „klimaneutraler“ Energiebereitstellung mit dem Bestreben eine Verringerung von CO₂-Emissionen zu erreichen. Denn das 1,5°C-Ziel des Pariser Abkommens kann laut Intergovernmental Panel of Climate Change (IPCC) nicht alleinig durch Maßnahmen zur Verringerung von CO₂-Emissionen erreicht werden, es braucht ebenso „negative“ CO₂-Emissionen zur Erreichung.

Ersterem widmet sich die CONENGA Group schon seit vielen Jahren mit großem Erfolg (Magnes-IT, Dekarbonisierung, Verfahrenstechnische Innovationen,…)Aber auch mit dem zweiten Punkt, der erst in den letzten Jahren immer konkreter wurde, beschäftigen wir uns intensiv im Bereich innovativer CO₂ Abscheidemöglichkeiten, auch als „Carbon Capture“ (CC) bekannt. Gemeint ist damit die technische Abscheidung von Kohlendioxid aus Abgasströmen bevor es in die Atmosphäre gelangt.

Warum Carbon Capture?

Der natürliche Kohlenstoffkreislauf, bei dem ein Ausgleich von CO₂-Quellen und CO₂-Senken (Speichern) stattfindet, wird durch den menschlich verursachten Kohlendioxid-Ausstoß aus dem Gleichgewicht gebracht. Der CO₂-Überschuss entsteht vor allem bei der thermischen Umwandlung (Verbrennung) fossiler, sowie biogener organischer Brennstoffe, aber auch bei biotechnologischen Prozessen, wie bei der Bio-Ethanol Produktion.

Durch dieses Ungleichgewicht steigt der atmosphärische CO₂-Gehalt. Als Treibhausgas bewirkt CO₂ indirekt einen Anstieg der irdischen Temperatur, indem die vom Boden reflektierte Wärmestrahlung der Atmosphäre nicht mehr ausreichend entweichen kann.

Energieanlagen, welche Wärme und elektrische Energie produzieren, werden aber weiterhin benötigt. Aus diesem Grund kommt die CO₂-Abscheidung (CC) ins Spiel: Um so wenig wie möglich weitere Treibhausgasemissionen in der Atmosphäre anzureichern, kann aus den Rauchgasen von Heizwerken Kohlendioxid abgeschieden werden.

Ziel: Durch Carbon Capture soll möglichst wenig CO₂ direkt in die Atmosphäre gelangen

Als CONENGA Group setzen wir uns aktuell vorrangig mit dem Thema Carbon Capture and Utlization / Storage bei biogen befeuerten Anlagen auseinander. Hierzu kommen unterschiedliche Technologien in Frage.

Carbon Capture Technologieüberblick

Für die CO₂-Abscheidung aus Rauchgasen stehen verschiedene Verfahren mit unterschiedlichem Entwicklungsstand zur Verfügung.

• Im Pre-Combustion Verfahren wird das CO₂ vor der eigentlichen Verbrennung abgeschieden, hierzu muss der Brennstoff allerdings erst in Synthetikgas umgewandelt werden.
• Bei der Oxy-Combustion wird der Brennstoff statt Luft mit fast reinem Sauerstoff verbrannt.
• In Post Combustion Verfahren wird der Brennstoff normal verbrannt und das im Abgas enthaltene CO₂ wird anschließend herausgefiltert.

Die Post Combustion Abscheidungs-Technologie ist besonders relevant für bestehende Anlagen, da sie nach dem Verbrennungsprozess ansetzbar und nachrüstbar ist. Entsprechend ist dieses Verfahren auch für die Bedürfnisse unserer Bestandskunden am relevantesten.

Post-Combustion im Detail

Im Fall der CO₂ Abscheidung aus dem Rauchgas kommt dieser Prozess zur Anwendung, da die Technologien an die meisten Verbrennungsanlagen angepasst und nachgerüstet werden kann. Als CONENGA Group prüfen wir für Anlagenbetreiber die grundsätzlichen Voraussetzungen und Parameter für beste Abscheidegrade und bewerten danach welche Technologie für den jeweiligen Standort am besten geeignet ist.

Zur Anwendung kommende Technologien

1. CO₂-Absorption (Aminwäsche)

Die Aminwäsche ist das bekannteste und etablierteste Verfahren für die CO₂-Abscheidung aus dem Rauchgas. Amine reagieren dabei mit dem CO₂ zu wasserlöslichen Bestandteilen und werden so aus dem Rauchgas abgeschieden.

Prozessfließbild einer typischen Anlage für Aminwäsche

Wie in der Abbildung dargestellt ist, besteht die Anlage primär aus zwei Einheiten – dem Absorber, wo CO₂ aus dem sauren Abgas absorbiert wird und dem Stripper, wo das CO₂ bei höheren Drücken und Temperaturen desorbiert und anschließend für die weitere Verwendung verdichtet wird. Vorteilhaft für die Aminwäsche-Technologie ist der bereits ausgereifte Technologiereifegrad und die hohe Abscheiderate, nachteilig ist der ho-he Energiebedarf für diese Technologie zur Erreichung hoher Reinheitsgrade. [1], [2], [3]

2. CO₂-Adsorption (Temperature Swing Absorption)

Eine weitere Technologie, mit der wir uns in der CONENGA Group intensiv beschäftigen ist die Temperature Swing Absorption (TSA-Verfahren). Hier kommt es zur Chemisorption oder Physisorption von Kohlendioxid an Feststoffen. Dazu sind hochselektive Sorbentien erforderlich.

In folgender Abbildung sind als Beispiel für einen Adsorptionsprozess, die Haupt-Stoffströme einer mehrstufigen, aus zwei Einheiten bestehenden TSA-Wirbelschichtanlage. Im Adsorber (links) lagert sich das Kohlendioxid an die Partikel an, welche dann in den Desorber (rechts) eingeblasen werden. Dort wird das CO₂ unter hohen Temperaturen mit Prozessdampf desorbiert und danach weiterverarbeitet. [4]

Blockschema mit den Haupt-Stoffströmen einer mehrstufigen TSA-Wirbelschichtanlage zur CO2 Abscheidung aus dem Rauchgas.

Adsorptionsprozesse können nicht nur als TSA, sondern auch als PSA (Pressure Swing Adsorption) oder als Kombination der beiden Technologien ausgeführt werden. Weiters ist die Ausführung der Technologie nicht nur als Wirbelschicht-, sondern auch als Festbettreaktor möglich. [5], [6]

Status Quo

Der Reifegrad für Adsorptionstechnologien in der Anwendung zur CO₂ Abscheidung hat noch nicht den industriellen Standard erreicht. Die Technologien, vor allem die TSA, sind aber vielversprechend hinsichtlich der Erreichung hoher Reinheitsgrade, sowie des vergleichsweise niedrigen Energieverbrauchs. [4]

Wir verfolgen daher dieses Konzept in Forschungsprojekten intensiv weiter, um unseren Kunden mit erfüllten Standortvoraussetzungen diese praktische Technologie bereitstellen zu können.

Über Die Autorin:

Einen kompakten Einblick in Forschung und Praxis bei der CONENGA Group gewährt uns unsere Kollegin Sabrina Kröhnert: Im Rahmen des vom FFG geförderten Forschungsprojektes Biofizz hat sie sich mit dem Thema CO₂-Abscheidung (Carbon Capture, CC) auseinandergesetzt und auch ihre Masterarbeit diesem Thema gewidmet.

Sabrina Kröhnert
CONENGA Group

Quellen:

[1] J. D. Figueroa, T. Fout, S. Plasynski, H. McIlvried, und R. D. Srivastava, „Advances in CO2 capture technology—The U.S. Department of Energy’s Carbon Sequestration Program“, Int. J. Greenh. Gas Control, Bd. 2, Nr. 1, S. 9–20, Jan. 2008, doi: 10.1016/S1750-5836(07)00094-1.

[2] Y.-D. Hsiao und C.-T. Chang, „Efficient multi-objective optimization and operational analysis of amine scrubbing CO2 capture process with artificial neural network“, Int. J. Greenh. Gas Con-trol, Bd. 138, S. 104242, Okt. 2024, doi: 10.1016/j.ijggc.2024.104242.

[3] E. Pancione, A. Erto, F. Di Natale, A. Lancia, und M. Balsamo, „A comprehensive review of post-combustion CO2 capture technologies for applications in the maritime sector: A focus on adsorbent materials“, J. CO2 Util., Bd. 89, S. 102955, Nov. 2024, doi: 10.1016/j.jcou.2024.102955.

[4] F. Zerobin und T. Pröll, „Concentrated Carbon Dioxide (CO2 ) from Diluted Sources through Continuous Temperature Swing Adsorption (TSA)“, Ind. Eng. Chem. Res., Bd. 59, Nr. 19, S. 9207–9214, Mai 2020, doi: 10.1021/acs.iecr.9b06177.

[5] H. Si u. a., „Analysis on temperature vacuum swing adsorption from wet flue gas carbon cap-ture by using solid amine adsorbent with co-adsorption equilibrium models“, Fuel, Bd. 380, S. 133171, Jan. 2025, doi: 10.1016/j.fuel.2024.133171.

[6] P. A. Webley, A. Qader, A. Ntiamoah, J. Ling, P. Xiao, und Y. Zhai, „A New Multi-bed Vacuum Swing Adsorption Cycle for CO2 Capture from Flue Gas Streams“, Energy Procedia, Bd. 114, S. 2467–2480, Juli 2017, doi: 10.1016/j.egypro.2017.03.1398.