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EnergieCampus

Was der neue CO2-Staubsauger im Technologiezentrum kann

Es klingt zu schön, um wahr zu sein: Eine Maschine filtert Kohlendioxid aus der Luft, das anschließend als Grundstoff dient, um synthetisches Methan herzustellen. Aus dem Biogas lassen sich emissionsfrei Strom und Wärme erzeugen. Der Anteil von CO2 in der Atmosphäre bleibt gleich, weil nur so viel Kohlendioxid wieder frei wird, wie zuvor entnommen wurde. Der Kohlenstoff-Kreislauf ist geschlossen. Eine derartige Anlage wird seit kurzem im Rahmen des Projektes ClosedCarbonLoop am Technologiezentrum Energiecampus der HAW Hamburg erprobt.

Direct Air Capture, DAC Anlage auf dem Dach des EnergieCampus

Die neue „Direct Air Capture“-Anlage am EnergieCampus saugt Kohlendioxid aus der Luft und bindet es.

Dafür arbeiten die Forscher mit dem Schweizer Unternehmen Climeworks zusammen, das auf die direkte Aufnahme von Kohlendioxid aus der Luft spezialisiert ist. Gegründet wurde es 2009 von zwei Maschinenbau-Ingenieuren in Zürich, die ein Verfahren namens Direct Air Capture (DAC) entwickelt haben. Auf dem Dach des Competence Center für Erneuerbare Energien und EnergieEffizienz (CC4E) steht nun ein Schiffscontainer mit so einer DAC-Anlage, direkt neben den Solarmodulen, die das Kohlendioxid-Fanggerät mit Strom versorgen.

Große Ventilatoren saugen die Luft an, Filter binden das CO2 
Und so funktioniert die neue Anlage: Die Umgebungsluft wird mit Hilfe großer Ventilatoren angesaugt und in einen kastenähnlichen Sammelbehälter geleitet. Dieser sogenannte Kollektor ist mit einem Membranfilter ausgestattet, der mit einem organischen Ammoniak-Derivat – einer chemischen Verbindung – beschichtet ist. Ein solcher Membranfilter kann das CO2 an seiner Oberfläche anlagern („adsorbieren). Im Verlauf dieses chemischen Prozesses („Chemisorption“) wird das Material gesättigt, bis es kein weiteres Kohlendioxid mehr aufnehmen kann. Dann wird der Sammelbehälter geschlossen und auf eine Temperatur von rund 100 Grad Celsius aufgeheizt. Dadurch wird das Kohlendioxid von der Oberfläche des Filtermaterials wieder ablöst („Desorptionsphase“) und kann anschließend abgepumpt und bis zur Weiterverwertung in einem Tank gespeichert werden.

Solche „CO2-Staubsauger“ sind also Realität. Aber würden sie – weltweit eingesetzt – in Zukunft alle Anstrengungen zum Klimaschutz überflüssig machen? Oder als Vorwand dienen, gar nicht aus den fossilen Energien aussteigen zu müssen? „Die Technik allein ist keine Lösung, um den steigenden Emissionen von Treibhausgasen entgegenzuwirken“, erklärt Professor Dr.-Ing. Hans Schäfers, der das Projekt leitet und stellvertretender Leiter des CC4E ist. „Wir können nicht einfach so weitermachen wie bisher. Damit Deutschland bis 2045 klimaneutral wird, brauchen wir dringend eine vollständige Energiewende. Mit unserem Projekt schließen wir den Kohlenstoffkreislauf bei der Methannutzung. Das ist schon mal ein erster wichtiger Schritt in Richtung Klimaneutralität.“

So funktioniert die Direct-Air-Capture-Anlage am Technologiezentrum Bergedorf. Ein Erklärvideo:

Das Treibhaus-Gas als wertvoller Rohstoff
Das auf diese Weise gewonnene Kohlendioxid zeichnet sich durch hohe Reinheit aus und ist gegenwärtig in verschiedenen Bereichen als Rohstoff begehrt. Zum Beispiel als Dünger beim Betrieb von Gewächshäusern in der Landwirtschaft oder in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, etwa um Kohlensäure für Limonaden herzustellen. Das aus der Luft abgeschiedene Gas kann allerdings auch energetisch genutzt werden – und genau das machen die Wissenschaftler*innen um Professor Schäfers. Er und seine Mitarbeiter untersuchen, wie sich atmosphärisches Kohlendioxid in Kombination mit anderen Anlagen optimal zur Energieerzeugung nutzen lässt, ohne dass weitere Kohlendioxid-Emissionen entstehen.

Der Energie-Campus der HAW Hamburg verfügt über verschiedene Anlagen, um regenerativ Strom und Wärme zu erzeugen und zu speichern: Solarmodule (Photovoltaik) auf dem Dach, im Erdgeschoss ein Elektrolyseur zur Herstellung von Wasserstoff, eine Methanisierungsanlage, diverse Warmwasser- und Batteriespeicher sowie ein Blockheizkraftwerk. Nur etwa einen Kilometer entfernt liegt der dazugehörige Forschungs-Windpark Curslack, der ebenfalls Grünstrom liefert. Das per DAC-Anlage aus der Luft gefilterte Kohlendioxid gelangt vom Speichertank auf dem Dach des Technologiezentrums in das Erdgeschoss und wird dort mit Wasserstoff in einen Bioreaktor geleitet. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um einen wohltemperierten Stahlbehälter, in dem spezielle Mikroorganismen hausen, sogenannte Archaeen. 

Mikroorganismen als Helfer
Diese – erdgeschichtlich uralte – Gruppe von einzelligen Organismen ist dafür bekannt, dass sie unter extremen Umweltbedingungen lebt. Seien es hohe Temperaturen wie in Thermalquellen oder der hohe Salzgehalt des Toten Meeres oder ein stark saures Milieu: Wo jedes andere Lebewesen sterben würde, da laufen Archaeen zur Hochform auf. Einige dieser Spezialisten können nur ohne Sauerstoff leben („anaerob“). Für ihren Stoffwechsel nutzen diese einzelligen Organismen Kohlendioxid und Wasserstoff, wobei Methan entsteht. Diese Art der Methanbildung ist also ein natürlicher Prozess, der beispielsweise in Mooren stattfindet oder im Verdauungstrakt von Wiederkäuern oder Menschen. Der Mensch nutzt diesen Prozess aber auch technisch bei der Abwasser-Behandlung und in Biogas-Anlagen. Oder eben im Bioreaktor des Technologiezentrums der HAW Hamburg: Dort wird das zuvor aus der Luft abgetrennte Kohlendioxid mit Wasserstoff aus dem Elektrolyseur zu Methan reduziert, wobei als Nebenprodukt noch Wasser entsteht.

Die Technik allein ist keine Lösung, um den steigenden Emissionen von Treibhausgasen entgegenzuwirken. Wir können nicht einfach so weitermachen wie bisher.

Professor Dr.-Ing. Hans Schäfers, Projektleiter und stellvertretender Leiter des CC4E

Power-to-Gas: Überschüssigen Öko-Strom in regeneratives Methan umwandeln
Dieses Methan dient bei Bedarf als Brennstoff für das Blockheizkraftwerk am EnergieCampus, um Strom und Wärme zu erzeugen, wenn gerade kein Wind weht und die Sonne nicht scheint. Es handelt sich um erneuerbares Methan, weil der Kohlenstoff-Kreislauf geschlossen ist. Durch die Technologie erhält man ein regeneratives Erdgas, ohne fossile Lagerstätten auszubeuten und damit neuen Kohlenstoff in den Kohlenstoffkreislauf zu bringen und so den Treibhauseffekt zu verstärken, der für den Anstieg der globalen Mitteltemperatur („Erderwärmung“) verantwortlich ist. 

So wichtig dieser Schritt zu „Netto-Null“-CO2-Emissionen ist, so konsequent muss zusätzlich die dauerhafte Abscheidung von Kohlendioxid aus der Atmosphäre erfolgen. Denn auch wenn Deutschland es schafft, Energie bis 2045 klimaneutral zu erzeugen, bleiben noch große Mengen an unvermeidlichen Rest-Emissionen. Dazu gehören Methan und Lachgas aus der Landwirtschaft und von Mülldeponien oder Kohlendioxid aus der Betonherstellung. „Allein in Deutschland entspricht dies etwa 60 Millionen Tonnen CO2 pro Jahr“, erklärt Professor Schäfers. „Um das Speichern von CO2 kommt man also nicht herum.“ Wie das mit Hilfe der DAC-Technologie gehen kann, wird in einem weiteren Forschungsprojekt am Technologiezentrum nun untersucht. 

Text: Monika Rößiger

Weitere Informationen
www.cc4e.de

Informationen zum CC4E und EnergieCampus
 
Das Competence Center für Erneuerbare Energien und EnergieEffizienz (CC4E) ist eine fakultätsübergreifende wissenschaftliche Einrichtung der HAW Hamburg, die sich interdisziplinär den gegenwärtigen und zukünftigen Herausforderungen der Energiewende annimmt. Damit leistet das CC4E einen nachhaltigen Beitrag zum Klima- und Umweltschutz. Das CC4E intensiviert den Dialog mit der Gesellschaft über die Energieversorgung von morgen und möchte durch die Inhalte und Ergebnisse der Forschungsprojekte für die Energiewende begeistern. Die Kernkompetenzen liegen in den Bereichen Windenergie, Speicher, Systemintegration, Sektorenkopplung, Umwelt und Akzeptanz sowie im hierfür relevanten Innovationsmanagement.

Kontakt

HAW Hamburg
Competence Center für Erneuerbare Energien und EnergieEffizienz (CC4E)
Prof. Dr. Hans Schäfers
Professor für intelligente Energiesysteme und Energieeffizienz
hans.schaefers (@) haw-hamburg.de
 

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