Treibhausgas CO2: Kohlenstoff aus Luft gewinnen

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°-Ziel zu erreichen, muss nach Empfehlungen des Weltklimarates zusätzlich bereits ausgestoßenes CO₂ aus der Atmosphäre entfernt und dauerhaft gespeichert werden.

Doppelter Beitrag für Nachhaltigkeit

„Damit industrielle Produktion trotzdem möglich bleibt, müssen wir technologisch ganz neue 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 (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 2 kg CO₂ aus der Umgebungsluft und produziert daraus 0,5 kg festen Kohlenstoff.

Vom Treibhausgas zum Wertstoff

Das Necoc-Verfahren kombiniert drei Prozessschritte: Ein Adsorber trennt im ersten Schritt das CO₂ aus der Umgebungsluft ab (Direct Air Capture). Im zweiten Schritt reagiert es in einem mikrostrukturierten Reaktor mit erneuerbar hergestelltem Wasserstoff aus einem angeschlossenen Elektrolyseur. Die Bestandteile Kohlenstoff und Sauerstoff gehen dabei neue Bindungen ein, und 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, es erfolgt die Aufspaltung der Methanmoleküle. Dabei entsteht Wasserstoff, der wieder zur Auftrennung von CO₂ im Prozess Einsatz findet. Übrig bleibt Kohlenstoff, der als mikrogranulares Pulver auf dem Zinn schwimmt und mechanisch kontinuierlich abgetrennt wird. Durch Änderung von Prozessparametern wie dem Temperaturniveau lassen sich dabei unterschiedliche Kohlenstoffmodifikationen wie Graphit, Carbon Black oder sogar Graphen herstellen.

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 ist vorgesehen, das Necoc-Verfahren für eine erweiterte Ausbaustufe zu skalieren optimieren.

„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 Hochtemperaturwärmespeichern 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.

Über Necoc

Im Forschungsprojekt Necoc entsteht ein klimafreundliches Verfahren mit negativen Emissionen zur Herstellung von Kohlenstoff aus atmosphärischem CO₂ als Baustein einer Carbon-Management-Strategie. Necoc startete Ende 2019 mit dem Aufbau der Komponenten für die drei zugrundeliegenden Prozessschritte: Direct Air Capture, Methanisierung und Pyrolyse. Nach deren erfolgreicher Erprobung im Einzelbetrieb erfolgte 2022 die Realisierung des Anlagenverbundes und Anfang Dezember die Inbetriebnahme.

Am KIT beteiligen sich das Karlsruher Flüssigmetalllabor (Kalla) als Einrichtung des Instituts für Thermische Energietechnik und Sicherheit (ITES) sowie das Institut für Thermische Verfahrenstechnik (TVT). Projektpartner sind Ineratec, eine Ausgründung des KIT, und Climeworks Deutschland.

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