Der vierstufige Kernprozess zur CO₂-Rückgewinnung
Das Grundprinzip der CO₂-Rückgewinnung besteht darin, es selektiv aus einem Gasgemischstrom abzutrennen. Dies wird durch einen standardisierten vierstufigen Prozess erreicht:
1. Vorbehandlung: Entfernung von Rauchgasverunreinigungen
Das Rohrauchgas muss zunächst gereinigt werden, um Korrosion, Verstopfungen und Leistungseinbußen in der nachgeschalteten Erfassungsausrüstung zu verhindern.
Staubentfernung: Elektrofilter oder Schlauchfilter werden verwendet, um Partikel (Staub) zu entfernen, die Adsorptionsmittel oder Lösungsmittel verstopfen und die Trenneffizienz verringern können.
Entschwefelung und Denitrifikation: Nasse Rauchgasentschwefelung (z. B. Kalkstein-Gips-Methode) und selektive katalytische Reduktion (SCR) werden zur Entfernung von Schwefeldioxid (SO₂) und Stickoxiden (NOₓ) eingesetzt. Diese Verunreinigungen verursachen Korrosion in der Ausrüstung, reagieren mit den Einfanglösungsmitteln zu unerwünschten Nebenprodukten und verringern die endgültige CO₂-Reinheit.
Entwässerung: Kühler und Adsorptionstrockner entfernen Wasserdampf, um Eisbildung und Rohrleitungsverstopfungen bei Niedertemperatur-Auffangprozessen sowie die Bildung korrosiver Kohlensäure zu verhindern.
2. Erfassung und Trennung: Selektive CO₂-Isolierung
Dies ist der Kern des Wiederherstellungsprozesses und die technologisch intensivste und kostspieligste Phase, die 60–70 % der Gesamtinvestition ausmacht. Das vorbehandelte Gas gelangt in eine Auffangeinheit, in der CO₂ mithilfe physikalischer oder chemischer Methoden selektiv von N₂ und O₂ getrennt wird.
3. Reinigung und Veredelung: Erhöhung der CO₂-Reinheit
Das abgeschiedene „rohe“ CO₂ (typischerweise 85–95 % rein) erfordert oft eine weitere Reinigung, um restliche Verunreinigungen wie N₂, O₂ und H₂S zu entfernen. Der erforderliche Reinheitsgrad bestimmt die verwendete Technologie.
Lebensmittelqualität (≥99,9 % Reinheit): Für Anwendungen wie die Karbonisierung von Getränken oder als Lebensmittelzusatzstoff ist eine Kombination aus Adsorptionstürmen (mit Molekularsieben zur Entfernung von N₂/O₂) und Destillationskolonnen (zur Abtrennung leichter Verunreinigungen) erforderlich.
Industriequalität (95–98 % Reinheit): Für Anwendungen wie die verbesserte Ölrückgewinnung (EOR) oder die chemische Synthese sind die Reinheitsanforderungen weniger streng, was einen vereinfachten und kostengünstigeren Reinigungsprozess ermöglicht.
4. Komprimierung und Lagerung: Umwandlung in einen flüssigen oder überkritischen Zustand
Das gereinigte CO₂-Gas wird zur effizienten Lagerung und zum effizienten Transport unter Druck gesetzt und gekühlt.
Das Gas wird in Kompressoren eingespeist und unter Druck gesetzt (typischerweise auf 2,0–7,38 MPa), während es auf -20 °C bis -30 °C abgekühlt wird.
Dieser Prozess wandelt das CO₂ in einen flüssigen oder überkritischen Zustand um (CO₂-kritischer Punkt: 7,38 MPa und 31,1 °C), der dann in speziellen, isolierten Tanks gelagert wird, bis er genutzt oder sequestriert wird.
Vergleich führender Capture-Technologien
Die Wahl der Abscheidungstechnologie hängt stark von den Rauchgaseigenschaften, Kostenaspekten und betrieblichen Anforderungen ab.
| Technologieroute |
Kernprinzip |
Vorteile |
Nachteile |
Ideale Anwendungen |
| Chemische Absorption |
Verwendet ein alkalisches Lösungsmittel (z. B. MEA, DEA), das chemisch mit CO₂ reagiert, um ein stabiles Carbamat zu bilden. Anschließend wird das Lösungsmittel erhitzt (120–150 °C), um die Bindung aufzubrechen, das CO₂ freizusetzen und das Lösungsmittel zu regenerieren. |
1. Hohe Selektivität: Hervorragende Abscheidungseffizienz (≥90 %) auch bei niedrigen CO₂-Konzentrationen.
2. Ausgereifte Technologie: Weitgehend bewährt in zahlreichen industriellen Anwendungen. |
1. Hohe Regenerationsenergie: Die Lösungsmittelerwärmung macht über 70 % des gesamten Energieverbrauchs aus, was zu hohen Betriebskosten führt.
2. Lösungsmittelabbau: Lösungsmittel werden abgebaut und verflüchtigen sich, müssen nachgefüllt werden und verursachen möglicherweise Sekundärverschmutzung.
3. Korrosiv: Erfordert teure, korrosionsbeständige Materialien für die Ausrüstung. |
Szenarien mit niedriger CO₂-Konzentration (10–15 %) und stabilem Gasfluss, wie z. B. Kohlekraftwerke und Müllverbrennungsanlagen. |
| Physikalische Adsorption |
Verwendet feste Adsorptionsmittel (z. B. Molekularsiebe, Aktivkohle, MOFs), die bei niedrigen Temperaturen/hohen Drücken CO₂ auf ihrer Oberfläche einfangen. Durch Erhöhung der Temperatur oder Senkung des Drucks (TSA/PSA) wird das CO₂ freigesetzt (desorbiert). |
1. Geringe Regenerationsenergie: Der Energieverbrauch ist 30–50 % niedriger als die chemische Absorption.
2. Nicht korrosiv: Adsorbentien sind inert, was zu einer längeren Lebensdauer der Ausrüstung führt.
3. Umweltfreundlich: Kein Lösungsmittelverlust oder damit verbundene Verschmutzung. |
1. Geringerer Wirkungsgrad bei niedrigen Konzentrationen: Am besten geeignet für Rauchgase mit CO₂-Konzentrationen ≥15 %.
2. Begrenzte Kapazität: Adsorbentien haben eine begrenzte Kapazität, was häufige Regenerationszyklen und größere Gerätevolumina erfordert.
3. Anfällig für Verunreinigungen: Wasserdampf und andere Verunreinigungen können das Adsorptionsmaterial deaktivieren. |
Szenarien mit höherer CO₂-Konzentration (15–25 %) und geringem Verunreinigungsgrad, wie z. B. Zementöfen und Koksofengas aus Stahlwerken. |
| Membrantrennung |
Verwendet Polymermembranen (z. B. Polyimid), die selektiv für CO₂ durchlässig sind. CO₂-Moleküle passieren die Membran fünf- bis zehnmal schneller als N₂ und erzeugen auf der einen Seite einen CO₂-reichen Strom und auf der anderen Seite einen CO₂-armen Strom. |
1. Kompakte Stellfläche: Es sind keine großen Türme oder Schiffe erforderlich.
2. Geringer Wartungsaufwand: Keine beweglichen Teile, was zu einer einfachen Bedienung führt.
3. Flexibel und skalierbar: Das modulare Design ermöglicht eine einfache Anpassung an unterschiedliche Gasdurchflussraten durch Hinzufügen oder Entfernen von Membraneinheiten. |
1. Geringe Trenneffizienz: Die einstufige Trennung liefert nur eine Reinheit von 80–85 % und erfordert oft mehrere Stufen in Reihe, was die Kosten erhöht.
2. Empfindlich gegenüber Bedingungen: Membranen sind anfällig für Schäden durch hohe Temperaturen und Verunreinigungen, was eine strenge Vorbehandlung und eine typische Membranlebensdauer von 3–5 Jahren erfordert.
3. Hoher Energieverbrauch bei niedrigen Konzentrationen: Der Energieverbrauch steigt bei verdünnten Gasströmen deutlich an. |
Kleine bis mittelgroße Anlagen mit schwankenden Gasflüssen (z. B. kleine Chemieanlagen, dezentrale Kraftwerke) oder als Vorkonzentrationsschritt in einem Hybridprozess. |
