CO2 aus Luft gewinnen Präzisionssensoren für CO2-Recycling

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CO₂ aus der Luft zu entfernen ist schwierig. Dies in einem effizienten Kosten-Nutzen-Verhältnis zu schaffen ist Pionierarbeit. Carbyon ist dies mit zwei Testmaschinen gelungen und macht damit Herstellung von erneuerbarem Kraftstoff wirtschaftlich interessant. Gemessen und erforscht wird dieses Verfahren mit drei verschiedenen Präzisionssensoren von Keller Druckmesstechnik.

Es ist schwierig CO₂ auf eine Weise aus der Luft zu gewinnen, die praktikabel und erschwinglich ist. Aber das hielt die Pioniere von Carbyon in Eindhoven nicht ab. Seit 1,5 Jahren haben sie eine Maschine in Betrieb, die genau das kann. Diese Erfindung basiert auf dem Dünnschichtmaterialien-Prinzip für Solarzellen von Hans de Neve – Halbleiterphysiker, Gründer und CEO von Carbyon. Sein Interesse am Thema CO₂-Abscheidung und den Möglichkeiten der nur ein Atom dünnen Schicht auf den Solarzellen führte zu dem Verfahren, das Carbyon jetzt mit grossem Erfolg testet. Zwei Mitarbeitende von Carbyon zeigen auf, wie es funktioniert CO₂ aus der Luft zu gewinnen, welche Aussichten sich dadurch bieten und wie die Sensoren von Keller einen wichtigen Beitrag dazu leisten.

Junges Forschungsteam aus den Niederlanden

Beatrix Bos ist Projektmanagerin und Impact Creator, Luuk van Voorst ist Maschinenbauingenieur und beschäftigt sich mit der Physik hinter der Maschine. «Ich beschäftige mich damit, was passiert, wenn wir Parameter wie Grösse, Temperatur oder Geschwindigkeit erhöhen. Ich analysiere die Auswirkungen auf den (Energie-)Verbrauch, schätze die Ergebnisse ab und modelliere sie», sagt Luuk über seine Position. Beatrix ist als Projektmanagerin für die Umsetzung, Prüfung und Validierung sowie für Marketing und Kommunikation zuständig. «Wir verwenden eine grosse Anzahl verschiedenster Software, um Daten in Informationen zu verwandeln. Daher ist die Datenvalidierung ein wichtiges Thema für eine gute Modellierung.»

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Vielversprechende Testanlage

Nach mehreren Jahren Arbeit mit kleineren Prüfvorrichtungen wurde vor 1,5 Jahren mit der Arbeit an den Maschinen begonnen, in denen das Verfahren seine Wirkung entfalten kann. Im Labor werden Proben verschiedener Materialzusammensetzungen in kleinem Massstab gemessen. Das Geheimnis des Verfahrens von Carbyon liegt in der chemischen Komponente, dem Sorptionsmittel. Dieses nimmt CO₂ auf und gibt es kontrolliert wieder ab. Das bedeutet, dass man das CO₂ wiederverwenden kann, zum Beispiel zur Herstellung von grünem Paraffin.

Bei dieser Anlage handelt es sich noch um eine Testanlage, in der Carbyon die Bedingungen ermitteln kann, unter denen das Sorptionsmittel am besten funktioniert. Sie haben die Maschine modular aufgebaut, so dass sie mit verschiedenen Temperaturen, Drücken, Mengen und Sorptionsmitteln arbeiten kann.

Die ganze Erfindung basiert auf der zu Beginn genannten Forschung an Materialien für Solarzellen bei TNO (niederländische Organisation für Angewandte Naturwissenschaftliche Forschung). Die entwickelte Kombination von Carbyon, die selbstentworfene Anlage sowie das genau richtige Verhältnis des Sorptionsmittels, erbringen eine Leistung, die aktuell noch von niemand anderem erzielt werden kann. Beatrix Bos Projektmanagerin Carbyon: «Die Aufnahme von CO₂ im Sorptionsmittel bedeutet, dass man das CO₂ wiederverwenden kann, zum Beispiel zur Herstellung von grünem Paraffin.»

Das wertvolle Sorptionsmittel

Das Sorptionsmittel ist ein überraschend simples Material, das weithin verfügbar ist und es auch bleiben wird. Es wird häufig verwendet, um ausgelaufene Chemikalien, Schmiermittel, Farben, Heizöl oder Lösungsmittel zu binden und ihre toxische Wirkung damit zu neutralisieren. Denn im Lateinischen bedeutet das Wort «sorbere» so viel wie «aufnehmen». Sorptionsmittel sind also verschiedene flüssige oder feste Stoffe, die der Aufnahme anderer Stoffe dienen.

Die Schwierigkeit liegt in dem porösen Trägermaterial, auf dem sich das Aufbringen einer hauchdünnen Schicht als komplizierter erwies als bei einem flachen Solarpanel. Dieses poröse Material ist notwendig, weil man eine grosse Oberfläche haben möchte, um möglichst viel CO₂ aufzunehmen. Aktivkohle ist ein geeigneter Träger, denn ein Gramm Aktivkohle hat eine Oberfläche von 3000 Quadratmetern. Die reaktive Schicht, bestehend aus Aminen oder Kaliumcarbonat, wird mit verschiedenen Verfahren auf den Kohlenstoff aufgebracht.

Die Atomlagenabscheidung ist das Wichtigste davon. Bei diesem Verfahren setzt man das Trägermaterial einem Gas aus und die Atome dieses Gases setzen sich auf dem Träger ab. Die Schicht wird dadurch nicht dicker als ein Atom. Andere Techniken werden bereits entwickelt und sogar eingesetzt. Aber diese haben eine dickere Sorptionsschicht, in die das CO₂ eindringen muss. Das braucht mehr Zeit und Energie, damit der Prozess funktioniert.

Carbyon testet zurzeit zahlreiche Möglichkeiten, das Sorptionsmittel zu erhitzen. Das Start-up suchte für die einzelnen Teile des Prozesses die Zusammenarbeit mit verschiedenen Universitäten und Hochschulen in den Niederlanden sowie im Ausland.

«Die ersten zwei bis drei Jahre haben wir hauptsächlich mit der Forschung verbracht, jetzt testen wir die Anwendung und entwickeln die Maschine. Man kann uns als ein Deep-Tech-Unternehmen bezeichnen, denn es muss viel Zeit investiert werden, bevor man die Technologie zur Marktreife bringt. In der Zwischenzeit entstehen alle Arten von neuen Geschäftsmodellen, die den Prozess noch einmal beschleunigen können», sagt Beatrix mit entsprechendem Stolz.

Vom Gramm- zum Kilomassstab

Die Erfassung ging vom Testaufbau im Gramm-Massstab zum Kilo-Massstab in der realen Maschine über. Die nächste Maschine wird nochmal hundertmal grösser sein, wofür die Hochleistungssensoren von Keller benötigt werden.

Der Testaufbau im Gramm-Massstab arbeitete mit Flaschenluft. Das war notwendig, um stabile Testbedingungen zu gewährleisten. Jetzt, wo mit einer realen Maschine und Aussenluft gearbeitet wird, hat das Projektteam zum ersten Mal alle Technologien in einer Maschine vereint und alles kann gemessen werden. Dazu werden eine Menge Sensoren benötigt, schliesslich handelt es sich immer noch um eine Forschungseinrichtung. «Da man beim Forschen nicht weiss, was man bei den Tests finden wird, will man so genau wie möglich testen», erklärt Luuk van Voorst den Hintergrund.

Präzise Sensoren für maximale Genauigkeit

Carbyon verwendet verschiedene Sensoren der Serie 33X von Keller. Zwei Absolutdrucksensoren, die bis zu 1 bar messen sowie je einen Relativ- und Differenzdrucksensor. Sie messen damit den Druckabfall über das Sorptionsmittel sowie über den Staubfilter und schaffen so einen Sorptionsmittel-Kreislauf. Weiter gibt es einen Sensor vor der Vakuumpumpe und einen Absolutdrucksensor im Reaktor.

Luuk van Voorst half bei der Ausarbeitung der Spezifikationen und hat sich bewusst für Hochpräszsions-Drucktransmitter entschieden, um Messfehler so klein wie möglich zu halten. Denn Messfehler summieren sich, deshalb muss jede Messung so genau wie möglich sein.

Aber nicht nur die Genauigkeit ist besonders wichtig, auch die Lebensdauer ist von grosser Bedeutung. Schliesslich sind die Messbedingungen schwierig. Es gibt hohe CO₂-Konzentrationen, grosse Temperaturschwankungen und intensive Feuchtigkeit. Martijn Smit, Verkaufsdirektor Keller Niederlande erklärt dazu: «Durch die Selektion der Druckaufnehmer sowie einer digitalen Kompensationselektronik wird die Serie 33X mit der höchsten Präzision von bis zu 0,05 %FS über den gesamten Temperaturbereich spezifiziert. Kalibrierlabors, die akkreditiert sind, attestieren nach den DKD-Richtlinien bei Drucktransmittern von Keller eine Genauigkeit von bis zu ± 0,01 %FS bei Raumtemperatur.»

Programmierbare Schnittstelle

«Es ist sehr schön, dass die Drucktransmitter der Serie 33X einen RS485 Modbus-Ausgang direkt am Sensor haben. Das ist für uns ideal, da man auf diese Weise nicht an Genauigkeit verliert und flexibel bleibt. Wir hatten ursprünglich drei Sensoren von Keller eingebaut und konnten mit dem RS485-Modul, ohne zusätzliche Anpassungen, einen vierten hinzufügen. Das ist ein grosses Plus, denn wir wollen bei der Einrichtung flexibel sein.» resümiert Luuk zu den Fortschritten mit Keller.

Grosser Beitrag zur Klimazielerreichung

Die CO2-Speicherung ist sehr wichtig, denn nur mit Netto-Null-Emissionen werden wir die Klimaziele nicht erreichen. Von einer Million Teilchen in der Luft sind gerade mal 420 CO₂. Um diese der Luft zu entnehmen, werden sie durch Filter geleitet, an denen die CO2-Partikel haften bleiben.

Wenn die Filter voll sind, werden sie erhitzt, wodurch das CO₂ wieder freigesetzt und eingefangen wird, um es recyceln oder entsorgen zu können. Mit der Entsorgung allein erreicht man keine Umkehr des Klimawandels, aber mit einem gezielten Recycling zur Herstellung von synthetischem Paraffin, ergibt sich eine ernsthafte Perpektive für einen neuen Kraftstoffkreislauf, der sich wirtschaftlich selbst trägt.

Endziel: Erneuerbarer Kraftstoff

Carbyon ist seit 2023 in der Testphase und entwickelt ihre Maschinen stetig weiter, bis sie ihr Endziel erreicht haben. Zwei Testmaschinen sind betriebsbereit und eine dritte wird gerade gebaut. 2024 ist das Hauptziel die Informationen aus dem Output der Maschinen zu untersuchen. Was genau ist in dem abgeschiedenen CO₂ enthalten und was kann damit gemacht werden? Die Beantwortung dieser zentralen Fragen eröffnet eine Welt voller neuer Möglichkeiten.

Bei den bisher entwickelten Verfahren erfordert die Erhitzung der CO₂-Filter so viel Energie, dass das Recyclen noch keine Option ist, sondern finanziell nur die Entsorgung in Frage kommt. Mit der neuen Methode von Carbyon ist der Energieverbrauch um ein Vielfaches geringer und die Ausbeute bis zu zehn Mal höher. Letztendlich strebt Carbyon einen Preis von 50 Dollar pro Tonne CO₂ an. Bei diesem Kostendach wird das gefilterte CO₂ für die Herstellung erneuerbarer Kraftstoffe finanziell interessant. Sollte dieses Level erreicht werden, sind der Fantasie für eine klimafreundliche Zukunft fast keine Grenzen mehr gesetzt.

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