Kooperationsprojekt soll CO2 energiesparend aus Luft und Abgasen filtern

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 und sind somit ineffizient und wenig rentabel. Deswegen arbeitet nun ein interdisziplinäres Forschungsteam bestehend aus dem Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, dem Lehrstuhl für Polymerchemie der Universität des Saarlandes und dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) an einer innovativen Lösung, die sowohl umweltfreundlich als auch wirtschaftlich ist. Der Schlüssel hierzu liegt in neuartigen Adsorbern. Die Abscheidung von CO₂ kann auf chemischer oder physikalisch-adsorptiver Basis erfolgen. Chemische Verfahren weisen jedoch große Herausforderungen auf, insbesondere den hohen Energiebedarf bei der Regeneration. Hier setzen die SAFE-CO₂-Projektpartner an.

Ein neuer Ansatz für energieeffizientere CO₂-Abscheidung
Das Projektteam um Dr. Thomas Schiestel, Gruppenleiter Membranen am Fraunhofer IGB, richtet seine Aufmerksamkeit darauf, neue thermoresponsive Membranadsorber zu entwickeln, die ihre Eigenschaften abhängig von der Temperatur verändern. Diese weisen eine hohe CO₂-Kapazität auf, sind langfristig stabil und sie regenerieren sich bereits bei niedrigen Temperaturen. Dabei setzt das Institut auf seine über 40-jährige Erfahrung in der Membranentwicklung. „Unser Ziel ist es, Membranadsorber auf Polymerbasis als strukturiertes Adsorberbett zu entwickeln“, erklärt Tobias Götz, der verantwortliche Wissenschaftler am IGB. „Der Einsatz von Membranen sorgt für einen minimierten Druckabfall bei der Luft-Durchströmung und somit bei der CO₂-Adsorption. Darüber hinaus reduzieren wir den Energiebedarf, indem wir das volle Potenzial von thermoresponsiven CO₂-Adsorbern durch die Einbettung in eine offenporöse Membran nutzen. Davon profitieren wir gleich doppelt – wir reduzieren den Energieaufwand und leisten einen Beitrag zum Kampf gegen den Klimawandel, indem wir zurückgewonnenes CO₂ wieder nutzbar machen.“

Intelligente Module mit thermoresponsiven Polymersystemen als CO₂-Adsorber
Der Arbeitsschwerpunkt von Götz und seinen Kolleginnen und Kollegen am IGB liegt auf der Entwicklung der porösen Strukturen und dem Moduldesign. Die darin verwendeten Adsorber stammen aus der Arbeitsgruppe 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 Licht 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 lassen sie sich in den Membranmodulen des IGB als Schalter zwischen Adsorption und Desorption einsetzen, um die CO₂-Abscheidung effizient zu steuern.“

Ein weiterer Arbeitsschritt im Rahmen von SAFE-CO₂ ist die Charakterisierung der verwendeten Membranadsorber. Hierfür steuert das ZSW in Stuttgart seine Expertise bei. Der Fokus des ZSW liegt auf der Forschung und Entwicklung im Bereich der erneuerbaren Energien und der Unterstützung der Markteinführung neuer technologischer Entwicklungen. Das ZSW forscht zudem seit mehr als 30 Jahren an Technologien zur direkten CO₂-Abscheidung aus der Atmosphäre. Neben der Entwicklung einer eigenen flüssigkeitsbasierten Technologie zur direkten Luftabscheidung (Direct Air Capture, DAC) betreibt das ZSW mit dem „DACLab“ ein Testlabor, in dem unterschiedliche DAC-Ansätze untersucht und bewertet werden. „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 nun gestartete 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. IGB-Experte Götz fasst es zusammen: „Langfristig wollen wir mit unserer 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.“

Förderung
Finanziert wird das Projekt SAFE-CO₂ durch das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) im Rahmen des Programms CDRterra. Dieses fokussiert sich auf die Reduktion von CO₂-Emissionen. Das Ziel ist, bis 2045 Treibhausgasneutralität zu erreichen. Dafür fördert CDRterra die Entwicklung von Technologien und Verfahren, die der Atmosphäre dauerhaft Kohlendioxid entziehen (Carbon Dioxide Removal). Das Projekt SAFE-CO₂ erhält eine Gesamt-Förderung von rund 1.260.000 Euro.

Weitere Informationen:
https://cdrterra.de/consortia/safe-co2/ 
https://enfosaar.de  
https://www.gallei-lab.com