Koh­len­stoff aus Luft

Der neue NECOC-Anla­gen­ver­bund am KIT pro­du­ziert den High­tech-Roh­stoff Koh­len­stoff aus dem kli­ma­schäd­li­chen CO2 der Umge­bungs­luft. Deutsch­land macht sich auf dem Weg in die Kli­ma­neu­tra­li­tät – und muss dafür Koh­len­stoff­kreis­läu­fe in der Indus­trie mög­lichst rasch schlie­ßen. Um gleich­zei­tig auch das 1,5‑Grad-Ziel zu errei­chen, muss nach Emp­feh­lun­gen des Welt­kli­ma­ra­tes (Inter­go­vern­men­tal Panel on Cli­ma­te Change,IPCC) 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 Dr. Ben­ja­min Diet­rich vom Insti­tut für Ther­mi­sche Ver­fah­rens­tech­nik (TVT) des KIT. „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 (steht für: NEga­ti­ve Car­bOn dioxi­de to Car­bon), das Diet­rich koor­di­niert, ent­wi­ckeln die Ver­bund­part­ner KIT, INERATEC und Clime­works 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 0,5 Kilo­gramm fes­ten Kohlenstoff.

In drei Schrit­ten vom Treib­haus­gas zum Wertstoff

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.

Opti­mie­ren und Ska­lie­ren für den indus­tri­el­len Einsatz

Mit dem Start der Ver­suchs­an­la­ge hat das Pro­jekt NECOC einen wich­ti­gen Mei­len­stein und das Ende der ers­ten För­der­pha­se erreicht. In einer zwei­ten Pro­jekt­pha­se soll das NECOC-Ver­fah­ren 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 Dr. 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.