ClosedCarbonLoop (CCL)

Das X-Energy-Teilprojekt ClosedCarbonLoop (CCL) hat die Optimierung des CO₂-Kreislaufs bei Nutzung atmosphärischen Kohlenstoffdioxids für Power-to-Gas (PtG)-Technologien erforscht. Dafür wurde eine am Technologiezentrum Energie-Campus des CC4E bereits bestehende Anlage aus Elektrolyse, biologischer Methanisierung und Rückverstromung (mittels Kraft-Wärme-Kopplung) um eine CO₂-Adsorptionsanlage, eine sogenannte Direct Air Capture (DAC) Anlage, des Projektpartners Climeworks ergänzt.

Die Anlage nutzt ein Verfahren zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft, das im Anschluss in einer nachgeschalteten Methanisierung für die Herstellung von Methan (CH₄) genutzt wird. PtG- und Power-to-Liquid (PtL)-Konzepte werden zukünftig notwendig sein, um große Überschüsse aus erneuerbaren Energien über eine längere Phase zwischenzuspeichern. Die DAC-Technologie ist im Betrieb außerdem zeitlich flexibel, was grundlegend für die Stabilisierung des Stromnetzes ist.

Seit Juni 2021 läuft die DAC-Anlage auf dem Dach des Technologiezentrums des CC4E der HAW Hamburg im Regelbetrieb. Währenddessen gelang eine umfangreiche Charakterisierung der Massenströme und die detaillierte Massenbilanzierung im Rahmen des Power-to-Gas-Prozesses. Ergänzungen des Konzepts der DAC-Versuchsanlage waren der Einbau einer aufwendigen Entfeuchtung zur Minimierung der Bildung von korrosiver Kohlensäure, um genaue Durchflussmessungen zu gewährleisten, und dem Einbau von zusätzlichen Sensoren zum Monitoring der Versuchszyklen. Die Steuerung der Anlage erfolgte automatisiert durch MQTT-Signale.

Ergebnisse

Es wurden drei Computermodelle entwickelt, eines zur Vorhersage zukünftiger Erzeugungsdaten mit akzeptabler Genauigkeit, eines für präzise Prognosen für den zukünftigen Stromverbrauch sowie ein zusätzliches Optimierungsmodell. Mit dieser Optimierung wird eine positive Residuallast verhindert, sodass der Betrieb der DAC-Anlage systemdienlich erfolgt. Die optimierte Betriebsweise hat ergeben, dass die Anlage über 80 % systemdienlich gefahren werden kann.

Zur Performance-Analyse der CO₂-Adsorptin wurden der Einfluss der Witterungseinflüsse sowie der CO₂-Konzentration der Luft auf den CO₂-Gewinn der DAC-Anlage untersucht. Hierfür wurden die Daten der kontinuierlichen Erfassung der Sensoren für Temperatur, CO₂-Konzentration und Luftfeuchte ausgewertet.

Die Untersuchungen zur Potenzialanalyse der DAC-Technik zur CO₂-Adsorption ergaben, dass bei den angenommen technologischen DAC-Entwicklungsgeschwindigkeiten die Gestehungskosten der CO₂-Abscheidungen durch eine DAC durch die kombinierte Nutzung von fossilfreiem Strom, industrieller Abwärme und hohen CO₂-Zertifikatspreisverläufen ab 2033 bei einem Kostenpunkt von ca. 320 €/t CO₂, auf nationaler Ebene, bzw. 2036 bei einem Kostenpunkt von ca. 380 €/t CO₂, für das fiktive Zementunternehmen, erste jährliche Gewinne generieren können. Die Implementierung von flexibel betriebenen DAC-Anlagen in das Hamburger Fernwärmesystem für das Jahr 2045 zeigten, dass DAC-Anlagen ein Baustein beim Erreichen des NET-Zero Ziels sein können.

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Weitere Hintergrund-Informationen zum X-Energy-Teilprojekt ClosedCarbonLoop (CCL) finden auf dem CC4E-Youtubekanal: So funktioniert die Direct-Air-Capture-Anlage am Technologiezentrum Bergedorf