Forschende an der EPFL haben modelliert, wie ein neues, graphenbasiertes Membranmaterial den Energieverbrauch und die Kosten für die CO₂-Abscheidung aus Energie- und Industrieanlagen senken könnte.
Kohlenstoffabscheidung wird für Branchen, die weiterhin auf fossile Brennstoffe angewiesen sind, immer wichtiger – einschliesslich der Zement- und Stahlindustrie. Erdgaskraftwerke, Kohlekraftwerke und Zementfabriken setzen grosse Mengen CO₂ frei, und diese Emissionen zu reduzieren ist ohne spezielle Abscheidungssysteme schwierig. Heute verlassen sich die meisten Anlagen auf lösungsmittelbasierte Systeme, die CO₂ aufnehmen, aber diese Anlagen verbrauchen viel Wärme, benötigen umfangreiche Infrastruktur und können im Betrieb teuer sein.
Eine kleinere, elektrisch betriebene Alternative ist ein sogenanntes «Membran»-System. Dabei funktioniert eine Membran wie ein ultrafeiner Filter, der bestimmte Gase leichter hindurchlässt als andere, wodurch CO₂ vom restlichen Rauchgas getrennt wird. Das Problem ist, dass viele Membranen an Effizienz verlieren, wenn die CO₂-Werte niedrig sind, was bei Erdgasanlagen häufig vorkommt. Dies begrenzt ihren Einsatz.
Pyridinic-Graphen könnte im grossen Massstab funktionieren
Forschende an der EPFL haben jetzt in einer neuen Studie analysiert, wie das neue Membranmaterial Pyridinic-Graphen im grossen Massstab funktionieren könnte. Dabei handelt es ich um ein einschichtiges Graphen-Blatt mit winzigen Poren, die CO₂ gegenüber anderen Gasen bevorzugen. Die Forschenden kombinierten experimentelle Leistungsdaten mit Modellierungswerkzeugen, die reale Betriebsbedingungen wie Energieverbrauch und Gasfluss simulieren. Sie untersuchten ausserdem eine Vielzahl von Kostenszenarien, um zu sehen, wie sich das Material nach dem Einsatz in kommerziellen Anlagen verhalten könnte.
Die Studie wurde von Marina Micari und Kumar Varoon Agrawal geleitet, der den Gaznat-Lehrstuhl für fortgeschrittene Trennungen an der EPFL innehat. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Sustainability veröffentlicht und bauen auf der bisherigen Forschung der Gruppe zur Entwicklung skalierbarer Graphen-Membranen auf.
«Mit dem Ausbau der Technologie ist es wichtig, die Auswirkungen auf die Reduzierung des Energieverbrauchs und die Kosten der CO₂-Abscheidung in diesem vielfältigen Sektor der CO₂-Abscheidung zu verstehen», erklärt Agrawal.
Modellierung zeigt, wo Membran am besten performt
Die Forschungsgruppe testete verschiedene graphen-basierte Membranen – darunter die Pyridinic-Graphen-Membran – unter mehreren Anlage-Setups, um ihre Leistung unter realen Bedingungen zu vergleichen. Für Erdgaskraftwerke erreichte ein dreistufiges System, das mit der Anreicherung des CO₂-Stroms beginnt, vielversprechende Kosten von rund 80 bis 100 US-Dollar pro Tonne, wobei in den besten Fällen Werte von 60 bis 80 US-Dollar erreicht wurden. Das ist bemerkenswert, da Membranen normalerweise mit verdünntem Rauchgas zu kämpfen haben.
In Kohlekraftwerken, wo die CO₂-Werte höher sind, senkt die starke CO₂/N₂-Selektivität der Membran den Energieverbrauch und bringt die Kosten in den Bereich von 25 bis 50 US-Dollar pro Tonne. Zementanlagen haben mehr Sauerstoff im Rauchgas, was die Selektivität erschwert, aber die Membran erreicht dennoch ähnliche Kostenbereiche und bleibt in den getesteten Szenarien stabil. In allen drei Sektoren hält die hohe Durchlässigkeit der Membran die erforderliche Oberfläche gering, was dazu beiträgt, den Fussabdruck eines vollständigen Auffangsystems zu reduzieren.
Die Studie zeigt, dass Pyridinic-Graphen nach Skalierung eine kompakte und potenziell kostengünstige Alternative zur lösungsmittelbasierten Erfassung bieten könnte. Die Autoren weisen auch auf Bereiche hin, in denen sich das Material noch verbessern könnte, insbesondere was seine Fähigkeit betrifft, CO₂ von Sauerstoff im Zement-Rauchgas zu unterscheiden.
Nik Papageorgiou, EPFL
Übersetzung ins Deutsche: ChemieXtra
