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Chemieingenieure verwenden beschichtete Kohlenstofffasern und verzichten in ihrem einfacheren Design auf eine dampfbasierte Heizung, die auch mit Windenergie betrieben werden kann.

Was als einfache Besorgung begann, einen Scheck in einer Bankfiliale einzuzahlen, entwickelte sich zu einem „Aha“-Erlebnis, das man vor allem in Büchern und Filmen findet.

Forscher des Georgia Tech arbeiteten an einer Idee zur Vereinfachung herkömmlicher DAC-Systeme (Direct Air Capture). Ihr Ansatz nutzte den Umgebungswind, um Luft über eine neue Art beschichteter Kohlefaser zu ziehen und so CO2 aufzunehmen. Dadurch würden die in vielen Systemen verwendeten lauten Lüfter entfallen. Und die Kohlenstofffaserstränge könnten schnell erhitzt werden, um das eingefangene Kohlendioxid mit minimalem Wärmeverlust freizusetzen und so die Effizienz zu steigern.

Sie hatten jedoch Schwierigkeiten damit, diese neuen, mit Sorptionsmittel beschichteten Kohlenstofffasern optimal einzusetzen.

„Ich musste einen Scheck bei der Bank einzahlen und bin durch die Durchfahrtsstraße gegangen. Sie hatten die alten Rohrpostschläuche, die zum Transport von Dokumenten dienten“, sagte Ryan Lively, Thomas C. DeLoach-Professor an der School of Chemical and Biomolecular Engineering (ChBE) der Georgia Tech. „Es kommt nicht oft vor, dass man in seiner Karriere einen Aha-Moment erlebt, aber ich habe die Röhren gesehen und mir wurde klar, dass wir die Fasern in so etwas wie einen Bankkassettenbehälter stecken könnten.

„Genau das haben wir getan, und es hat funktioniert.“

Nachdem die von der Rohrpost inspirierten Module installiert waren, begann das Team mit dem Testen seines Systems. Sie fanden heraus, dass sie Kohlendioxid mit ausreichender Reinheit für die unterirdische Sequestrierung produzieren und viele der erheblichen Vorlaufkosten für den Bau typischer DAC-Systeme einsparen konnten. Ihren Entwurf und Ansatz beschrieben sie am 12. Juni in der Zeitschrift Joule.

Die mit Sorptionsmittel beschichteten Kohlefasern im Kanister im Bankrohr-Stil.

„Diese Arbeit konzipierte nicht nur eine neue Generation von DAC-Systemen, sondern zeigte in gewissem Umfang auch die praktische Funktionsweise unserer Erfindung“, sagte Won Hee Lee, der Erstautor des Artikels und ehemaliger Postdoktorand in Livelys Labor. „Mit unserem Modul im Labormaßstab haben wir bereits erfolgreich Umgebungs-CO2 erfasst. Jetzt ist es wichtig, das Modul zu vergrößern. Da alle Komponenten unseres Systems im Handel erhältlich sind und die Herstellung relativ einfach ist, sollte es bei der Herstellung des Moduls in großem Maßstab nur wenige technische Hürden geben.“

Zumindest theoretisch hat das Team diese Skalierung durchgeführt und seine experimentellen Daten verwendet, um die Wirtschaftlichkeit eines praktischen Systems zu projizieren. Sie fanden heraus, dass das System CO2 für 150 bis 200 US-Dollar pro Tonne abscheiden könnte – deutlich weniger als kommerzielle Systeme im Bau, die schätzungsweise 300 bis 600 US-Dollar pro Tonne für die CO2-Abscheidung benötigen.

Zu den Co-Autoren der Studie gehören Forscher von ChBE, die Georgia Tech als führend in der Direct-Air-Capture-Technologie positioniert haben. Die Professoren Christopher Jones und Matthew Realff arbeiten mit Lively am gesamten Spektrum der DAC, von der molekularen bis zur Systemebene.

Diese Arbeit präsentiert zwei wichtige Fortschritte.

DAC-Systeme nutzen Wärme, um CO2 aus gesättigten Filtermaterialien freizusetzen. Das CO2 wird gesammelt und kann dann in den Untergrund gepumpt oder möglicherweise zur Herstellung von Treibstoff oder Chemikalien verwendet werden. Typischerweise verwenden Systeme eine externe Heizquelle. Dampf ist eine beliebte Wahl, weil er schnell und kraftvoll ist, aber auch schädlich ist und einen zusätzlichen Kondensationsschritt erfordert. Diese Systeme erfordern außerdem eine Isolierung, um zu verhindern, dass die gesamte Wärme entweicht, sodass sie sperrig und teuer sind.

Lively und das Team schufen einzigartige Kohlefaserstränge, die mit einem kohlenstoffliebenden Sorptionsmittel beschichtet waren. Der Kohlefaserkern erwärmt sich von innen nach außen, was zu einer schnellen und gleichmäßigen Wärmeverteilung führt.

Ryan Lively, Won Hee Lee (am Laptop), Christopher Jones und Matthew Realff entwickelten das faserbasierte DAC-System.

Ein Wärmebildgerät zeigt die Wärmeverteilung in den Kohlenstofffasern.

„Die Fasern sind sehr, sehr gleichmäßig. Wenn man das alles an ein elektrisches System anschließt, verteilt man die Energie bemerkenswert homogen, was für ein Widerstandsheizsystem ungewöhnlich ist“, sagte Lively. „Wir sind nicht die Ersten, die über eine Widerstandsheizung nachdenken, um ein Gerät zur Kohlenstoffabscheidung zu regenerieren. Aber typischerweise war die Erwärmung entweder langsam oder nicht gleichmäßig. Es gibt Orte, an denen man die Luft erwärmt und nicht das, was man erwärmen möchte.“

Das System der Forscher kommt insgesamt mit weniger Komponenten aus. Das Design setzt eine Reihe von Bankröhren-inspirierten Modulen mit Karbonfasersträngen in einem Kreis ein, um CO2 einzufangen, egal aus welcher Richtung der Wind weht. Das System verwendet eine einzelne Vakuumpumpe, die während der Regenerationsphase von Modul zu Modul rotiert. Und es sind keine Dampferzeuger, Pumpen und Kondensatoren erforderlich, um das CO2 freizusetzen und die Stränge „wieder aufzuladen“. Beide Änderungen bedeuten, dass das System insgesamt einfacher und von vornherein kostengünstiger zu erstellen und bereitzustellen ist.

„Die Kapitalkosten dieses Systems sind aufgrund des Fehlens von Hilfssystemen wie der Dampferzeugung deutlich niedriger als bei vielen aktuellen DAC-Systemen“, sagte Realff. „Die Energiekosten stellen immer noch eine Herausforderung dar, und wir müssen die CO2-Menge erhöhen, die wir im Gerät absorbieren können, damit die fühlbare Erwärmung der Fasern keinen zu großen Teil der Gesamtwärme verbraucht.“

Aber Realff sagte, die schnelle Erwärmung und die schnellen Zyklen des Systems seien vielversprechend für einen produktiveren Ansatz zur direkten Lufterfassung: „Die Tatsache, dass wir innerhalb von Monaten einen funktionierenden Prototyp herstellen und ihn im Labormaßstab demonstrieren konnten, ist ein bemerkenswertes Merkmal der Technologie.“ .“

Idealerweise könnte das DAC-System des Teams in einem Windpark installiert werden, der erneuerbare Energie aus Windkraftanlagen nutzt. Aber selbst wenn man Strom aus dem aktuellen Netz nutzt, ergab die Analyse von Reallf, dass das Design des Teams immer noch genug CO2 aus der Atmosphäre entfernen würde, um kohlenstoffnegativ zu sein.

Ein weiterer Vorteil des Ansatzes des Teams ist der Kohlefaserstrang. Das Material verfügt über die richtigen mechanischen und elektrischen Eigenschaften, ist leicht verfügbar, wird in großen Mengen nachhaltig hergestellt und ist nicht übermäßig teuer.

Jetzt möchte das Team die Qualität des Kohlendioxids steigern, das sie produzieren können. Sie haben eine Reinheit von 80 % erreicht – gut genug für die unterirdische Lagerung, aber sie möchten gerne die Reinheit von 99 % erreichen, die für produktive Wiederverwendungen wie die Herstellung von Chemikalien oder Kraftstoffen erforderlich ist. Sie arbeiten mit dem Georgia Tech Research Institute zusammen, um ihr System mit diesem Ziel zu verfeinern und zu automatisieren, und arbeiten an der Installation eines Testsystems auf einem Campusgebäude.

„Ich arbeite seit über einem Jahrzehnt an DAC und fast alle Designs, die ich gesehen habe, basieren hauptsächlich auf Wärmeenergie zur Desorption“, sagte Jones, der auch John F. Brock III School Chair von ChBE ist. „Eine Technologie, die sowohl schnelles lokales Heizen als auch die Nutzung von erneuerbarem Strom ermöglicht, erweitert die Gestaltungsmöglichkeiten des DAC-Technologieentwicklers.“

Auf dem Cover der Ausgabe der Zeitschrift Joule vom 21. Juni ist eine künstlerische Darstellung zu sehen, die eine Installation des DAC-Systems in einem Windpark zeigt. (Illustration: Nicolle Fuller, SayoStudio)

Das neue Direct Air Capture Center wird die Führungsrolle von Georgia Tech in einem aufstrebenden Bereich stärken.

Das Direct Air Capture Center bringt Forscher aus dem gesamten Institut zusammen, um gemeinsam an Technologien für negative Emissionen und Direct Air Capture zu forschen.

Das Zentrum erhält eine dritte Finanzierungsrunde für die Untersuchung von Materialien, die in sauberen Energietechnologien verwendet werden.

Diese Forschung wurde von der Advanced Research Projects Agency – Energy des US-Energieministeriums mit der Fördernummer DE-AR0001414 unterstützt. Alle in diesem Material geäußerten Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen sind die der Autoren und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten einer Förderagentur wider.

Zitat:Lee et al., Mit Sorbens beschichtete Kohlenstofffasern zur direkten Lufterfassung mittels elektrisch angetriebener Temperaturwechseladsorption, Joule (2023), https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.05.016.