Materialwissenschaft trifft Klimaschutz: Dank neuartiger Membranadsorber soll CO2 effizient und kostengünstig aus Luft und Abgasen zurückgewonnen werden. Im nun gestarteten Projekt SAFE-CO2 bündeln nun mehrere Forschungsinstitute – koordiniert vom Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB – ihre Expertise, um entsprechende Membranmodule für die Industrie zu entwickeln.
Gute Nachricht für den Klimaschutz: Der Klimakiller CO2 lässt sich bereits heute aus der Luft entfernen und zurückgewinnen. Der Haken daran: Die entsprechenden Verfahren, die bereits im Einsatz sind, benötigen viel Energie, sind somit ineffizient und wenig rentabel. Daher arbeitet laut Fraunhofer IGB 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 innovativen Lösung, die umweltfreundlich als auch wirtschaftlich ist. Der Schlüssel hierzu liegt in neuartigen Adsorbern.
Herausforderung: Bisherige Verfahren und ihre Schwächen
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 (kurz DAC). Chemische Verfahren weisen jedoch große Herausforderungen auf, insbesondere den hohen Energiebedarf bei der Regeneration. Hier setzen die Projektpartner an.
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, verantwortlicher Wissenschaftler am IGB. Der Einsatz von Membranen sorgt ihm zufolge für einen minimierten Druckabfall bei der Luft-Durchströmung und somit bei der CO2-Adsorption. Darüber hinaus reduzieren die Forschenden den Energiebedarf, indem sie das volle Potenzial von thermoresponsiven CO2-
Adsorbern durch die Einbettung in eine offenporöse Membran nutzen. Davon profitieren wir doppelt; wir reduzieren den Energieaufwand und leisten einen Beitrag im Kampf gegen den Klimawandel, indem wir zurückgewonnenes CO2 wieder nutzbar machen
Membranadsorber auf Polymerbasis (© Fraunhofer IGB)
Intelligente Module mit thermoresponsiven Polymersystemen als CO2-Adsorber
Der Arbeitsschwerpunkt von Götz und seinen Kolleginnen und Kollegen liegt in 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 sogenannten 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 ließen sie sich in den IGB-Membranmodulen als Schalter zwischen Adsorption und Desorption einsetzen, um die CO2-Abscheidung effizient zu steuern.
Weiterer Arbeitsschritt im Rahmen von SAFE-CO2 ist die Charakterisierung der verwendeten Membranadsorber. Hierfür steuert das ZSW, Stuttgart, seine Expertise bei. Das ZSW forscht seit über 30 Jahren an Technologien zur direkten CO2-Abscheidung aus der Atmosphäre. Neben der Entwicklung einer eigenen flüssigkeitsbasierten DAC-Technologie betreibt das ZSW 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, so Dr. Marc-Simon Löffler, Fachgebietsleiter für Regenerative Energieträger und Verfahren am ZSW.
Ausblick: Langfristiger Beitrag zum Klimaschutz
Das 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. Laut Götz wollen die Forschenden langfristig mit ihrer 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.
- www.igb.fraunhofer.de
Text zum Titelbild: Am Fraunhofer IGB werden Membranadsorber mithilfe eines Nassspinnprozesses hergestellt (© Fraunhofer IGB)
