-
Die Erfindung betrifft eine Kohlenstoffdioxid-Umgebungsluft-Direktsammlervorrichtung mit einem Gehäuse mit einer Umgebungsluftzufuhr und einer Umgebungsluftabfuhr, einem Kohlenstoffdioxid-Adsorbermaterial, einem Adsorbens innerhalb des Gehäuses. Ferner betrifft die Erfindung ein Kohlenstoffdioxid-Umgebungsluft-Direktsammelverfahren.
-
Das bekannte und hier relevante Verfahren ist das D A C - Verfahren, nämlich Direct Air Capture. Es ist ein Verfahren zur Gewinnung von Kohlenstoffdioxid (CO2) direkt aus der Umgebungsluft. Hierzu strömt die Umgebungsluft durch einen Filter, der einen Teil des Kohlenstoffdioxids der Umgebungsluft entnimmt und im Weiteren reines CO2 aus der Umgebungsluft sammelt und zur weiteren Verwendung bereitgehalten wird. Hierbei ist insbesondere die weitere stoffliche Nutzung als Rohstoff z. B. für die Chemieindustrie sowie die Herstellung CO2-neutraler Brennstoffe besonders interessant, wobei sogenannte E-Fuels in den Vordergrund treten. Hierdurch können negative Emissionen erzielt werden, wodurch der Atmosphäre tatsächlich Kohlendioxid stofflich entzogen wird und zur weiteren Verwendung als bspw. Kraftstoff, z.B. E-Fuel zur weiteren Verwendung klimaneutral zur Verfügung gestellt wird.
-
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Anordnungen bekannt, um Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft herauszuholen. Hierbei sei insbesondere auf die Firma climeworks AG hingewiesen, die bereits zahlreiche Produkte und Ideen auf den Markt gebracht hat.
-
Aus der Druckschrift
JP H05137941 A ist eine kompakte Anordnung einer Gastrennanlage mit einem Adsorbens bekannt, wobei um den erforderlichen Platz, das Gewicht und die Kosten zu verringern zwei Behälter für ein Adsorbens parallel angeordnet sind und Einströmelemente für behandelndes Gas und Heizgas und Ausströmelemente für behandeltes Gas und Heizgas symmetrisch zur Grenzlinie der Behälter angeordnet. Das zu behandelnde Gas und das behandelte Gas werden durch Umschalten von Ventilen bzw. Klappen einem der Behälter zugeführt und aus diesem abgelassen.
-
Weiter ist aus der Druckschrift
US 2020 / 0 223 293 A1 als nachveröffentlichter Stand der Technik eine Luftreinigungsvorrichtung zu entnehmen, die umfasst eine Adsorptionseinheit, einen Reinigungskanal und einen Regenerationskanal. Die Adsorptionseinheit adsorbiert Kohlendioxid und Wasserdampf aus der Luft. Ein entsprechender Kanal führt Luft in die Adsorptionseinheit ein und führt Luft, aus der das Kohlendioxid und der Wasserdampf von der Adsorptionseinheit adsorbiert und entfernt werden, zurück. Der entsprechende Kanal führt Luft zur Regeneration in die Adsorptionseinheit ein und gibt verbrauchte Luft zur Regeneration ab, die durch Regenerieren der Adsorptionseinheit an eine Außenseite eines Fahrzeugs erhalten wird.
-
Die Probleme im Stand der Technik sind jedoch die bisher im Markt befindlichen Anordnung bzw. Vorrichtungen, die im Wesentlichen nicht kontinuierlich arbeiten können, sondern deren Adsorbens in bestimmten Zeitintervallen entsprechend regeneriert werden müssen.
-
Es wurde insbesondere erkannt, dass bei im Stand der Technik befindlichen Vorrichtungen und Anordnungen zur Kohlenstoffdioxidgewinnung aus der Umgebungsluft keinen kontinuierlichen beziehungsweise zumindest keinen quasi-kontinuierlichen Betrieb erlauben, sondern lediglich im Batch-Betrieb, also temporär bzw. zeitlich versetztes Adsorbieren und Desorbieren, betrieben werden können.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Gewinnung und zum Sammeln von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft anzugeben, die kontinuierlich bzw. wenigstens quasi-kontinuierlich arbeiten können, also zeitgleich eine Kohlenstoffdioxid-Adsorption und eine Kohlenstoffdioxid-Desorption durchführen können.
-
Weiter ist es eine Aufgabe, bei den entsprechenden Vorrichtungen und Verfahren die Druckverluste, die beim Durchströmen des Adsorbers mit Luft bzw. allgemein mit einem Fluid, innerhalb der Vorrichtung auf ein Minimum zu reduzieren.
-
Weiterhin soll es Aufgabe sein, die Desorption möglichst mit einem geringen Energieverbrauch durchzuführen.
-
Das hierzu in Frage kommende Verfahren ist das im Stand der Technik bekannte thermal swing adsorption - Verfahren, beziehungsweise thermal and pressure swing adsorption - Verfahren, bei denen eine Temperaturrampe oder eine Temperaturrampe und eine Drucksenke zur Desorption des Kohlenstoffdioxid aus dem Adsorbens gefahren wird.
-
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Kohlenstoffdioxid-Umgebungsluft-Direktsammlervorrichtung gemäß Hauptanspruch sowie einer Kohlenstoffdioxid-Umgebungsluft-Direktsammelverfahren gemäß nebengeordnetem Anspruch.
-
Die Kohlenstoffdioxid-Umgebungsluft-Direktsammlervorrichtung mit:
- - einem Gehäuse mit einer Umgebungsluftzufuhr und einer Umgebungsluftabfuhr,
- - einem Kohlenstoffdioxid-Adsorbermaterial, einem Adsorbens innerhalb des Gehäuses, ist dadurch gekennzeichnet, dass
- - ein erster Adsorptions-Desorptionsbereich und
- - ein zweiter Adsorptions-Desorptionsbereich vorgesehen sind,
wobei
- - der erste Adsorptions-Desorptionsbereich und der zweite Adsorptions-Desorptionsbereich durch eine Volumentrennwand gegeneinander abgetrennt sind und die Volumentrennwand in deren seitlicher Position verfahrbar ist und die Volumentrennwand im Bereich der Umgebungsluftzufuhr und der Umgebungsluftabfuhr Luftführungsklappen aufweist und
- - jeweils in dem ersten und in dem zweiten Adsorptions-Desorptionsbereich jeweils wenigstens ein ortsfestes Adsorbervolumen mit dem Adsorbens und wenigstens jeweils ein verschiebbares Adsorbervolumen mit dem Adsorbens vorgesehen sind, wobei
- - das wenigstens eine verschiebbare Adsorbervolumen des ersten Adsorptions-Desorptionsbereichs und das wenigstens eine verschiebbare Adsorbervolumen des zweiten Adsorptions-Desorptionsbereichs auf entgegengesetzten Seiten an der gemeinsamen Volumentrennwand angeordnet sind, wobei die Volumentrennwand in deren seitlichen Position zur Volumenaufteilung zwischen dem ersten und dem zweiten Adsorptions-Desorptionsbereichs verschiebbar ist; und
- - Mittel zur thermischen Desorption des Adsorbens vorgesehen sind und
- - eine Vakuum-Absaug-Sammelanordnung für Kohlenstoffdioxid vorgesehen ist und
die jeweiligen Adsorbervolumen im ersten und im zweiten Adsorptions-Desorptionsbereich temporär bzw. zeitlich zur Desorption entlang der ursprünglichen Luftströmung übereinander angeordnet, wobei dies zeitversetzt entweder im ersten bzw. zweiten Adsorptions-Desorptionsbereich realisiert wird.
-
Hierdurch ist es möglich, in einem quasi-kontinuierlichen Betrieb Kohlenstoffdioxid konstant zu sammeln und der weiteren stofflichen Nutzung zur Verfügung zu stellen, es wird zeitgleich eine Kohlenstoffdioxid-Adsorption und eine Kohlenstoffdioxid-Desorption mit einer Anlage durchgeführt, wobei in zwei Reaktorräumen, die miteinander in Verbindung stehen, gleichzeitig eine Adsorption und eine Desorption erfolgt.
-
Während in einem Bereich Kohlenstoffdioxid adsorbiert wird, erfolgt in einem anderen Bereich eine Desorption des Kohlenstoffdioxids, das zuvor in dem Bereich adsorbiert wurde. Durch geschickte Kombination der Räume können diese entsprechend in einem quasi-kontinuierlichen Betrieb betrieben werden.
-
Weiter sind die Druckverhältnisse optimiert, so dass die Effizienz sehr hoch ist. Zur Adsorption werden die Adsorbervolumen in dem entsprechenden Adsorptions-/Desorptionsbereich nebeneinander, jedoch höhenversetzt angeordnet, so dass ein großes Volumen angeströmt werden kann.
-
Es können insbesondere Desorptionsraum-Verschlussklappen vorgesehen sein, wobei diese zur Desorption das Raumvolumen des ersten bzw. diese zur Desorption das Raumvolumen des zweiten Adsorptions-Desorptionsbereichs durch ein wenigstens temporäres Abtrennen verringern. Hierdurch wird der Desorptionsvorgang weiter optimiert, da der Raum während der Desorption noch weiter verkleinert wird.
-
Die jeweiligen Adsorbervolumen im ersten und im zweiten Adsorptions-Desorptionsbereich werden temporär bzw. zeitlich zur Desorption entlang der ursprünglichen Luftströmung übereinander angeordnet, wobei dies zeitversetzt entweder im ersten bzw. zweiten Adsorptions-Desorptionsbereich realisiert wird. Durch das kompakte Volumen und die Übereinanderanordnung der Adsorbervolumen ist es bereits ausreichend nur in jedem zweiten Adsorbervolumen thermische Desorptionsmittel anzuordnen, um die thermische Desorption durchzuführen.
-
Es kann eine Ventilatoranordnung und/oder eine passive Luftleitung mittels einer Windenergieanlage zur Einbringung von Umgebungsluft in den jeweilig anzuströmenden Adsorptions-Desorptionsbereich vorgesehen werden. Die quasi stand-alone Lösung der Vorrichtung wird insbesondere mittels Ventilatoren angeströmt, die besonders bevorzugt mit regenerativ erzeugter überschüssiger Elektroenergie betrieben werden.
-
Im Zuge der synergetischen Nutzung mit weiteren Vorrichtungen bzw. Anordnungen kann insbesondere eine Kombination mit einer Windenergieanlage erfolgen. Bei einer Kombination mit einer Windenergieanlage können die Sammler entweder auf dem Maschinenhaus und/oder am Turm und/oder in der Nähe einer Windenergieanlage angeordnet werden. Hierbei kann bei einer bevorzugten Anordnung auf oder an oder im Maschinehaus der Windenergieanlage eine Kombination mit einer passiven Luftführung kombiniert werden, beispielsweise die Saugwirkung der Rotoren, die einen Luftstrom produzieren, wobei hierzu auf den bekannten Stand der Technik verwiesen wird. Die Anordnung kann insbesondere an und/oder in der Nähe und/oder in einer Windenergieanlage erfolgen.
-
Weiter können die Mittel zur thermischen Desorption insbesondere aus einem oder einer Kombination von Wärmeübertrager, Wärmeübertrager in Rohrform, Rohrleitungen, Heizer, Heizstrahler, Mikrowellenstrahler, Abwärmenutzungsvorrichtungen, Abwärmenutzungsvorrichtung eines Generators einer Windenergieanlage, Wärmepumpenanordnung, Abwärmenutzungsvorrichtung einer Elektrolyseanordnung, Abwärmenutzungsvorrichtung einer Syntheseanordnung für Energieträger / Kraftstoffe ausgewählt werden.
-
Zur Desorption sind in einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante innerhalb der Adsorbervolumen Rohrleitungen vorgesehen, die mit einem Fluid, einer Flüssigkeit, bspw. einem Thermoöl oder Wasser oder dgl. befüllt sind. Hierbei können entsprechende Temperaturen über Energiemittel erzeugt werden.
-
Die Mittel zur thermischen Desorption können insbesondere wenigstens innerhalb der ortsfesten Adsorbervolumen angeordnet sein. In einer Variante können die Mittel zur thermischen Desorption auch innerhalb der ortsfesten und innerhalb der verschiebbaren Adsorbervolumen angeordnet sein. Je nach Größe der Adsorbervolumen kann die eine oder die andere Variante sinnvoll einsetzbar sein.
-
Die Wärme für die thermische Desorption des Adsorbens kann durch einen in den Adsorbens-Träger integrierten Wärmetauscher sowie einen Wärmetauscher in der mittleren Kammer zugeführt werden.
-
Bevorzugt kann das Adsorbervolumen als Gitterstruktur ausgebildet werden, wobei innerhalb der Gitterstruktur das Adsorbens in Kugel- und/oder Stäbchen- und/oder Pulverform vorgehalten ist.
-
Die Adsorbens-Träger, also die Adsorbervolumen können als flache Quader oder ähnliches ausgebildet sein. Diese bestehen insbesondere aus einer Gitterstruktur und beinhalten Adsorbens-Partikel zur Kohlenstoffdioxid-Abtrennung.
-
Die Adsorbervolumen bzw. die Adsorbens-Träger werden insbesondere für die Adsorption ausgefahren, so dass die Luft bzw. allgemein ein Fluid diese durchströmen und das Adsorptiv daran adsorbiert werden kann. Die Adsorbervolumen können eingefahren werden, damit sie in einem Bereich mit geringerem Volumen mittels thermischer Energie und Vakuum desorbiert werden können.
-
Insbesondere bestehen die Adsorbervolumen in einer bevorzugten Ausführungsvariante aus Partikelschüttungen, die in Strömungsrichtung und entgegen dieser mit einem Gewebe sowie einem Geflecht und/oder einem Lochblech und/oder einer Sandwichstruktur aus Gewebe-Geflecht-Gewebe fixiert sind.
-
Die Vorrichtung kann in einer Variante vertikal angeordnet sein, so dass die Umgebungsluftzufuhr auf der Unterseite angeordnet ist und die Umgebungsluftabfuhr auf der Oberseite angeordnet ist. Der tatsächliche Einlass kann jedoch auch über entsprechende Bögen wettergeschützt ausgebildet werden, so dass kein Regen und dgl. In den Auslassbereich von oben eindringen kann. Auch kann der Einlass entsprechend ausgebildet werden, dass dieser durch die natürliche Luftströmung (Wind) angeströmt werden kann. Auch hier ist eine entsprechende wettergeschützte Variante von Vorteil. Weiter kann in einer Variante die Vorrichtung horizontal angeordnet sein.
-
Die Luft bzw. das Fluid im Allgemeinen wird über den Zulauf in das Gehäuse geleitet, umströmt das Adsorbens und strömt in die Poren des Adsorbens. Von dort aus gelangt die Luft durch die hochporösen Strukturen des Adsorbens mittels erzwungener Konvektion und Diffusion in die Poren des Adsorbens. Bei diesem Vorgang besitzt das Adsorptiv Kohlenstoffdioxid einen hohen Austausch mit dem Adsorbens, wodurch es an dessen Oberfläche und in dessen Poren adsorbiert wird. Durch Anpassung der Porosität des Adsorbens können der Druckverlust über das Adsorbens sowie die Interaktionen des Adsorptivs mit dem Adsorbens und die Verweilzeit des Adsorptivs im Adsorbens gesteuert werden. Weiter kann durch den variierbaren Partikeldurchmesser des Adsorbers der Widerstand, der beim Durchströmen entsteht, angepasst werden, was in einer Änderung des Druckverlusts resultiert. In einer Variante ermöglichen sphärische Kugeln durch Änderung ihres Durchmessers eine Anpassung der spezifischen Oberfläche, die direkt mit der Adsorptionsrate gegenüber dem Adsorptiv verknüpft ist.
-
Es können besonders bevorzugt wenigstens zwei oder drei ortsfeste und zwei oder drei verschiebbare Adsorbervolumen in dem ersten und dem zweiten Adsorptions-Desorptionsbereich vorgesehen werden, da diese Ausgestaltungen strömungs-, wärme- und energietechnisch die bisher besten Ergebnisse erzielen konnten.
-
Zudem ist insbesondere eine Kammstruktur besonders bevorzugt, bei der mehrere Adsorbervolumen kammartig ineinandergreifen, um bei der Desorption weniger Volumen einzunehmen, welches erwärmt werden muss. Im Adsorptions-Modus wäre der Doppel-Kamm auseinandergefahren, um einer Kamm-Seite die Adsorption mit größer Fläche druck- und strömungsoptimiert zu ermöglichen.
-
Weiter ist eine Anpassung und Variation des Abstands der Segmente voneinander und zueinander in X- und Y-Richtung möglich, um dadurch den gesamten Differenzdruck über den Adsorber und dadurch den Volumenstrom zu regulieren.
-
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante und im Idealfall ist die Anzahl der ortsfesten Adsorbervolumen, also des feststehenden Teils, und der verschiebbaren Adsorbervolumen, also des beweglichen Teils, gleich, um einen gleichmäßigen Volumenstrom und dadurch eine gleichmäßige Beladung aller Adsorbervolumen zu erreichen. Die Anzahl der Adsorbervolumen bzw. der feststehenden bzw. beweglichen Adsorbervolumen bzw. -segmente muss für die Funktionalität allerdings nicht zwingend gleich sein. Im Idealfall ist die Tiefe der Adsorbervolumen gleich, wobei diese jedoch für jedes Segment hinsichtlich des Strömungswiderstands optimiert und angepasst werden kann.
-
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Aufteilung des Adsorbens auf mehrere Adsorbervolumen erfolgt, da hierdurch die Druckverluste verringert werden. Hierbei hat sich gezeigt, dass bei höheren Volumenströmen mehr Segmente von Vorteil sind, da die Druckverluste geringer ausfallen, es hat sich die Kombination von drei ortsfesten und drei verschiebbaren Adsorbervolumen als besonders effizient herausgestellt.
-
Der Druckverlust der aus dem Durchströmen des Adsorbervolumens resultiert, kann durch die Aufteilung in mehrere Abschnitte, die nacheinander durchströmt werden, im Vergleich zu einer einfachen Schüttung mit gleicher Adsorbens-Masse verringert werden.
-
Durch die variierbare Wandstärke der Adsorbens-Struktur, bspw. Quader oder ähnliches, kann der Widerstand, der beim Durchströmen mit einem Fluid bzw. der Luft entsteht, angepasst werden, was in einer Änderung des Druckverlusts resultiert.
-
Durch Anpassung der Porosität des Adsorbens können der Druckverlust über das Adsorbens sowie die Interaktionen des Adsorptivs mit dem Adsorbens und die Verweilzeit des Adsorptivs im Adsorbens gesteuert werden.
-
Die Packungsdichte kann für den Desorptionsprozess erhöht werden, was die Energieeffizienz für den Desorptionsprozess deutlich steigert.
-
Die Kohlenstoffdioxid-Umgebungsluft-Direktsammlervorrichtung kann an und/oder in der Nähe und/oder in einer Windenergieanlage angeordnet werden und eine Generator-Wärmetauscheranordnung direkt oder mittels Wärmepumpenanordnung zur Nutzung der thermischen Abwärme des Generators zur Desorption vorgesehen sein, so dass Synergien genutzt werden können.
-
Besonders bevorzugt ist bei einer Kombination mit einer Windenergieanlage die Nutzung der thermischen Abwärme in Kombination mit den Rohrleitungen in den Adsorbervolumen und einem Thermoöl. Hierdurch wird synergetisch zum einen der Generator gekühlt und die quasikontinuierliche Desorption mit Überschusswärme betrieben.
-
Die Einbringung der Wärme in die jeweils desorbierende Kammer, also den ersten bzw. den zweiten Adsorptions-/Desorptionsbereich kann insbesondere über ein Umschaltventil gesteuert werden, so dass die Wärme immer in dem richtigen Bereich vorliegt.
-
Die Luft strömt in einer besonderen Ausführungsvariante durch die porösen Strukturen des Adsorbens hindurch, gelangt in einen Leerraum des Reaktors und wird in axialer Richtung aus dem Reaktor durch das Gitter nach oben hin abgeführt.
-
Nach einem definierten Zeitraum wird das Reaktorvolumen des ersten bzw. zweiten Adsorptions-/Desorptionsbereich abgeschottet und ein parallel geschalteter Reaktor gleichen Aufbaus, der zweite bzw. erste Adsorptions-/Desorptionsbereich, betrieben.
-
Der abgeschottete, also über die entsprechenden Klappen abgeschlossene Reaktorbereich wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante zunächst vakuumiert und anschließend wird Wärme in diesen eingebracht. Das Adsorbens desorbiert das adsorbierte Kohlenstoffdioxid und dieses wird mittels des Vakuums abgeführt und gesammelt. Hierbei wird für die Desorption das Volumen verringert, um die Wärmezufuhr zum Adsorbens effektiver umzusetzen. Wärmeübertrager-Flächen oder Heizstäbe können insbesondere bevorzugt in das Adsorbervolumen integriert werden, um die Wärmeeinbringung energetisch optimal zu gestalten.
-
Es sei angemerkt, dass insbesondere die Gleichsetzung der Adsorptions- und Desorptionszeiten besondere Vorteile bringt, nämlich eine optimale Adsorption und eine energetische optimale Desorption. Es ist insbesondere möglich, die Beladung des Adsorbens nicht bis zum Maximum auszunutzen, sondern die besonderen Eigenarten des Adsorbens zu nutzen, nämlich dessen Fähigkeit Kohlenstoffdioxid über die Zeit unter Berücksichtigung der Beladung zu adsorbieren und unter Wärmeeintragung zu desorbieren.
-
Hinsichtlich eines Adsorbens zur Kohlenstoffdioxidsammlung wird auf den Stand der Technik verwiesen. Grundsätzlich erscheint jedes Feststoffmaterial sinnvoll einsetzbar zu sein, das Kohlenstoffdioxid adsorbieren und auch wieder desorbieren kann.
-
Das Kohlenstoffdioxid-Umgebungsluft-Direktsammelverfahren mit einer Kohlenstoffdioxid-Umgebungsluft-Direktsammlervorrichtung weist die kontinuierlich durchlaufenden Schritte 1A und 1B, 2, 3A und 3B, 4 auf, nämlich:
- 1A) Sammeln von Kohlenstoffdioxid mittels eines Adsorbens in einem ersten Adsorptions-Desorptionsbereich mit wenigstens zwei in deren Lage zueinander in Luft-Strömungsrichtung in Höhe und in einer seitlichen Position versetzt angeordneten Adsorbervolumen, wobei hierzu Umgebungsluft durch den ersten Adsorptions-Desorptionsbereich durchgeführt wird;
- 1B) zeitlich paralleles Desorbieren von Kohlenstoffdioxid aus einem mit Kohlenstoffdioxid angereicherten Adsorbens in einem zweiten Adsorptions-Desorptionsbereich mit wenigstens zwei in deren Lage zueinander in Luft-Strömungsrichtung in Höhe und in einer seitlichen Position übereinander ausgerichteten angeordneten Adsorbervolumen, wobei von der Umgebungsluft abgetrennt und mittels Vakuum und mittels Wärmezufuhr in das Adsorbens Kohlenstoffdioxid aus dem zweiten Adsorptions-Desorptionsbereich herausgeführt und gesammelt wird;
- 2) nach erfolgtem Sammeln / Desorbieren von Kohlenstoffdioxid erfolgt - ein örtliches Verschieben des wenigstens einen Adsorbervolumens in dem ersten Adsorptions-Desorptionsbereich, so dass in dem ersten Adsorptions-Desorptionsbereich die Adsorbervolumen übereinander ausgerichtet sind und
- - ein zeitgleiches örtliches Verschieben des wenigstens einen Adsorbervolumens in dem zweiten Adsorptions-Desorptionsbereich, so dass die wenigstens zwei in deren Lage zueinander in Luft-Strömungsrichtung in Höhe und in einer seitlichen Position übereinander ausgerichtet angeordnet sind;
- 3A) Sammeln von Kohlenstoffdioxid mittels des Adsorbens in dem zweiten Adsorptions-Desorptionsbereich mit wenigstens zwei in deren Lage zueinander in Luft-Strömungsrichtung in Höhe und in einer seitlichen Position versetzt angeordneten Adsorbervolumen, wobei hierzu Umgebungsluft durch den zweiten Adsorptions-Desorptionsbereich durchgeführt wird;
- 3B) zeitlich paralleles Desorbieren von Kohlenstoffdioxid aus dem mit Kohlenstoffdioxid angereicherten Adsorbens in dem zweiten Adsorptions-Desorptionsbereich mit wenigstens zwei in deren Lage zueinander in Luft-Strömungsrichtung in Höhe und in einer seitlichen Position übereinander ausgerichteten angeordneten Adsorbervolumen, wobei von der Umgebungsluft abgetrennt und mittels Vakuum und mittels Wärmezufuhr in das Adsorbens Kohlenstoffdioxid aus dem ersten Adsorptions-Desorptionsbereich herausgeführt und gesammelt wird;
- 4) nach erfolgtem Sammeln / Desorbieren von Kohlenstoffdioxid erfolgt erneut - ein örtliches Verschieben des wenigstens einen Adsorbervolumens in dem zweiten Adsorptions-Desorptionsbereich, so dass in dem zweiten Adsorptions-Desorptionsbereich die Adsorbervolumen übereinander ausgerichtet sind und
- - ein zeitgleiches örtliches Verschieben des wenigstens einen Adsorbervolumens in dem ersten Adsorptions-Desorptionsbereich, so dass die wenigstens zwei in deren Lage zueinander in Luft-Strömungsrichtung in Höhe und in einer seitlichen Position übereinander ausgerichtet angeordnet sind,
wobei
- - in dem Schritt 2) eine Volumenverringerung des ersten Adsorptions-Desorptionsbereich und eine Volumenvergrößerung des zweiten Adsorptions-Desorptionsbereich
und
- - in dem Schritt 4) eine Volumenvergrößerung des ersten Adsorptions-Desorptionsbereich und eine Volumenverringerung des zweiten Adsorptions-Desorptionsbereich
erfolgt
und
- eine örtliche Verschiebung eines Adsorbervolumens (161-163) durch eine seitlich verfahrbare Volumentrennwand (14) erfolgt
und
wobei in Schritt 2) und Schritt 4) ein Verschwenken von Luftführungsklappen (141/142) zur Umstellung der Betriebsart der Adsorptions-/Desorptionsbereiche derart erfolgt, dass einzelne Bereiche (131 bzw. 132) von der Luftzufuhr abgesperrt werden.
-
Durch das hier beschriebene Verfahren ist es möglich, in einem kontinuierlichen bzw. quasi-kontinuierlichen Betrieb Kohlenstoffdioxid zu adsorbieren und zu desorbieren und zu sammeln.
-
Insbesondere ist es durch die geschickte Volumenänderung erst sinnvoll möglich, Kohlenstoffdioxid zu desorbieren, da durch das hier beschriebene Verfahren das Volumen zur Desorption deutlich verkleinert wird.
-
Es sei an dieser Stelle noch erwähnt, dass das Adsorbens weder vollständig mit Kohlenstoffdioxid beladen werden muss, um eine Desorption durchzuführen, und es auch nicht vollständig entladen werden muss, um es erneut zur Adsorption zu nutzen. Hierbei ist eine materialspezifische Be- bzw. Entladung zu berücksichtigen, da bei einer längeren Zeitdauer für den Adsorptions- bzw. Desorptionsprozess nicht unbedingt mehr Kohlenstoffdioxid aufgenommen bzw. abgegeben wird, wenn hierbei die Steigerung der Anreichung bzw. der Abgabe betrachtet wird. Es sollte vielmehr eine entsprechende Zeit bzw. Beladung gewählt werden, die ein effizientes Adsorbieren und Desorbieren ermöglicht, jedoch nicht unbedingt die 100 prozentige Beladung des Adsorbens. Beispielsweise kann bereits eine Beladung von 50 Prozent durchaus die größte Effizienz aufweisen, vor Allem unter Beachtung des quasi-kontinuierlichen Betriebs, da permanent adsorbiert und desorbiert wird.
-
Insbesondere kann das Führen von Umgebungsluft in die Adsorptions-Desorptionsbereich mit einer aktiven Ventilatoranordnung und/oder mit einer passiven Luftleitung mittels einer Windenergieanlage erfolgen.
-
Die Mittel zur thermischen Desorption können ausgewählt werden aus einem oder einer Kombination von Wärmeübertrager, Wärmeübertrager in Rohrform, Rohrleitungen, Heizer, Heizstrahler, Mikrowellenstrahler, Abwärmenutzungsvorrichtungen, Abwärmenutzungsvorrichtung eines Generators einer Windenergieanlage, Wärmepumpenanordnung, Abwärmenutzungsvorrichtung einer Elektrolyseanordnung, Abwärmenutzungsvorrichtung einer Syntheseanordnung für Energieträger / Kraftstoffe.
-
Insbesondere erfolgt das Sammelverfahren auf und mit einer erfindungsgemäßen Kohlenstoffdioxid-Umgebungsluft-Direktsammlervorrichtung.
-
Das Verfahren bzw. die Vorrichtung kann sowohl als Stand-Alone-Verfahren oder in Verbindung mit weiteren Verfahren betrieben werden. Insbesondere ist es auch möglich, dieses Verfahren mit einer Windenergieanlage zu betreiben, um Synergien zu nutzen, beispielsweise die Nutzung der Abwärme des Generators oder die elektrische Überschussenergie der Windenergieanlage bei Nichtabnahme oder bewusster Abnahme von elektrischer Energie durch Verzicht auf teuren zuzukaufenden Strom aus dem Netz, also quasi Eigenverbrauch für den Betrieb von Ventilatoren oder elektrisch betriebenen Heizern, oder die Luftführung einer Windenergieanlage.
-
Besonders vorteilhaft ist auch die Kombination der Vorrichtung mit einem Windpark und zukünftig existierenden e-fuel Inseln, auf denen Windenergieanlagen in Kombination mit Elektrolyse, Synthese- und Methanisierungsanlagen betrieben werden, wobei hierzu die diesseits beschriebene und offenbarte Kohlenstoffdioxid-Sammelvorrichtung entsprechend mehrfach eingesetzt werden kann, um so hocheffizient und synergetisch Kohlenstoffdioxid zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung zu stellen.
-
An dieser Stelle sei angemerkt, dass unter der Umgebungsluft auch Raum- oder Prozessluft verstanden werden kann, die eine höhere Kohlenstoffdioxidkonzentration aufweist.
-
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen in der Abbildungsbeschreibung detailliert beschrieben, wobei diese die Erfindung erläutern sollen und nicht beschränkend zu werten sind:
- Es zeigen:
- eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kohlenstoffdioxid-Umgebungsluft-Direktsammlervorrichtung in einer ersten Arbeitsstellung in seitlicher Draufsicht;
- eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kohlenstoffdioxid-Umgebungsluft-Direktsammlervorrichtung in einer zweiten Arbeitsstellung in seitlicher Draufsicht;
- eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kohlenstoffdioxid-Umgebungsluft-Direktsammlervorrichtung in der ersten Arbeitsstellung in einer Querschnittsdarstellung;
- eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kohlenstoffdioxid-Umgebungsluft-Direktsammlervorrichtung in der zweiten Arbeitsstellung in einer Querschnittsdarstellung und
- eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Gehäuses der erfindungsgemäßen Kohlenstoffdioxid-Umgebungsluft-Direktsammlervorrichtung entsprechend der möglichen Ausgestaltung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiels.
-
An dieser Stelle soll darauf hingewiesen werden, dass gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Ferner sollen diese Ausführungen die Erfindung nicht beschränken, sondern vielmehr die Erfindung erläutern. Es können auch andere Ausführungsvarianten des Verfahrens als auch der Vorrichtung realisiert werden.
-
In ist eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kohlenstoffdioxid-Umgebungsluft-Direktsammlervorrichtung 1 in einer ersten Arbeitsstellung in seitlicher Draufsicht dargestellt.
-
Die Kohlenstoffdioxid-Umgebungsluft-Direktsammlervorrichtung 1 weist ein Gehäuse 11 auf, das auf der einen Seite eine Umgebungsluftzufuhr 111 und auf der entgegengesetzten Seite eine Umgebungsluftabfuhr 112 aufweist.
-
Das Gehäuse 11 ist in zwei Bereiche aufgeteilt, einen ersten Adsorptions-/Desorptionsbereich 131 und einen zweiten Adsorptions-/Desorptionsbereich 132. Beide Bereiche sind gleich ausgestaltet. In jedem Adsorptions-/Desorptionsbereich 131, 132 befinden sich ortsfeste Adsorbervolumen 151, 152 und 153 im ersten Adsorptions-/Desorptionsbereich 131 und 154, 155 und 156 im zweiten Adsorptions-/Desorptionsbereich 132. Weiter sind an einer Volumentrennwand 14, die zwischen dem ersten Adsorptions-/Desorptionsbereich 131 und dem zweiten Adsorptions-/Desorptionsbereich 132 beweglich bzw. verschiebbar angeordnet ist, im Bereich des ersten Adsorptions-/Desorptionsbereich 131 verschiebbare Adsorbervolumen 161, 162 und 163 sowie im zweiten Adsorptions-/Desorptionsbereich 132 164, 165 und 166 vorgesehen. Diese verschiebbaren Adsorbervolumen können mittels der Volumentrennwand 14 in deren seitlichen Position innerhalb der jeweiligen Adsorptions-/Desorptionsbereich 131/132 verschoben werden und zwar derart, dass diese kammartig in die bzw. aus den ortsfesten Adsorbervolumen 151, 152, 153 bzw. 154, 155, 156 gefahren werden können.
-
Innerhalb der ortsfesten Adsorbervolumen 151, 152, 153, 154, 155 und 156 ist jeweils ein Adsorbens 12 vorgesehen, das Kohlenstoffdioxid adsorbieren kann und mittels einer thermischen Desorption das adsorbierte Kohlenstoffdioxid wieder abgeben kann.
-
Weiter ist in den ortsfesten Adsorbervolumen 151, 152, 153, 154, 155 und 156 eine Wärmeübertrager-Rohr-Anordnung 17 mit einem darin zirkulierenden Fluid vorgesehen, das während der thermischen Desorption mit einem heißen Fluid in dem zur Desorption freigegebenen Bereich gefahren wird. Hierzu ist wenigstens am Einlass bzw. am Auslass der Rohr-Anordnung 17 im Bereich des Gehäuses 11, bevorzugt an beiden, also am Einlass und am Auslass, eine Ventilanordnung vorgesehen, die für die Verteilung des heißen Fluids über die Rohr-Anordnung 17, beispielsweise eines Thermoöls oder Wasser, sorgt. Entweder wird der erste Adsorptions-/Desorptionsbereich 131 oder der zweite Adsorptions-/Desorptionsbereich 132 mit Wärme zur Desorption versorgt.
-
Weiter ist eine jeweils zu den Adsorptions-/Desorptionsbereichen 131 bzw. 132 zugeordnete Vakuum-Absauganordnung 181 bzw. 182 vorgesehen, die das durch eine thermische Desorption freigesetztes Kohlenstoffdioxid absaugt und im Weiteren sammelt. Die Vakuum-Absauganordnung 181 bzw. 182 wird bei Desorption aktiviert.
-
Zur weiteren Optimierung während des Desorptionsvorganges sind noch Luftführungsklappen 141 und 142 an der Volumentrennwand 14 angeordnet, die die Luft, die durch die Kohlenstoffdioxid-Umgebungsluft-Direktsammlervorrichtung 1' geleitet wird, innerhalb des Gehäuses 11 führt. Je nach Betriebsart der einzelnen Bereiche 131 und 132, erfolgt ein entsprechendes Verschwenken und damit Absperren der Bereiche 131 bzw. 132 von der Luftzufuhr. Sobald die Volumentrennwand 14 zur Umstellung der Betriebsart der Adsorptions-/ Desorptionsbereich 131 und 132 verfahren wird, erfolgt auch ein Verschwenken der Luftführungsklappen 141 und 142.
-
Ergänzend sind zur weiteren Verbesserung vier Desorptionsraum-Verschlussklappen 143, 144, 145, 146 vorgesehen, nämlich zwei 143, 144 im ersten Bereich und zwei 145, 146 im zweiten Bereich. Diese Desorptionsraum-Verschlussklappen 143, 144, 145, 146 dienen dazu das Raumvolumen des entsprechenden Adsorptions-/Desorptionsbereich 131 bzw. 132 während der thermischen Desorption weiter zu reduzieren, so dass das thermische Desorbieren noch effizienter wird.
-
In dieser Arbeitsstellung erfolgt auf der Seite des ersten Adsorptions-/Desorptionsbereich 131 das Adsorbieren von Kohlenstoffdioxid. Es strömt von der Unterseite durch die Umgebungsluftzufuhr 111 Umgebungsluft durch die versetzt und leicht überdeckend angeordneten Adsorbervolumen 151, 152, 153, 161, 162, 163, die mit dem Adsorbens 12 gefüllt sind. Dort wird Kohlenstoffdioxid mittels des Adsorbens 12 adsorbiert. Danach erfolgt der Auslass der in dessen Kohlenstoffdioxid-Gehalt reduzierten Umgebungsluft durch die Umgebungsluftabfuhr 112.
-
Parallel dazu erfolgt im zweiten Adsorptions-/Desorptionsbereich 132 die thermische Desorption des mit Kohlenstoffdioxid beladenen Adsorbens 12. Hierbei ist der zweite Adsorptions-/ Desorptionsbereich 132 durch die Luftführungsklappen 141 und 142 sowie die Desorptionsraum-Verschlussklappen 145 und 146 weiter verkleinert und gegenüber der Umgebung abgeschlossen. Durch Wärmezufuhr über das innerhalb der Wärmeübertrager-Rohr-Anordnung 17 zirkulierende Fluid erfolgt innerhalb, durch die entsprechenden Ventile gesteuert, des zweiten Adsorptions-/Desorptionsbereich 132 die Desorption des Kohlenstoffdioxids. Vor der Wärmeeinbringung erfolgt ein Absaugen der enthaltenen Umgebungsluft aus dem zweiten Adsorptions-/Desorptionsbereich 132, so dass mit Wärmeeinleitung das Kohlenstoffdioxid abgesaugt und gesammelt bzw. weitergeleitet werden kann.
-
Nach erfolgter Adsorption und Desorption erfolgt ein Verschieben / Verfahren der Volumentrennwand 14 hin zum ersten Adsorptions-/Desorptionsbereich 131 und Verschwenken der Luftführungsklappen 141 und 142, so dass der erste Adsorptions-/Desorptionsbereich 131 zur Desorption vorbereitet wird, da dort das mit Kohlenstoffdioxid versetzte Adsorbens 12 nun einer thermischen Desorption unterzogen werden soll. Weiter werden die Desorptions-Verschlussklappen sowohl des ersten 143 und 144 als auch des zweiten Bereichs 145 und 146 jeweils in deren andere Position verschwenkt, so dass der erste Adsorptions-/ Desorptionsbereich 131 in dessen Raumvolumen verkleinert ist und der zweite Adsorptions-/ Desorptionsbereich 132 nunmehr von Umgebungsluft durchströmt werden kann, so dass in diesem Bereich 132 nun die Adsorption von Kohlenstoffdioxid erfolgen kann.
-
zeigt eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kohlenstoffdioxid-Umgebungsluft-Direktsammlervorrichtung 1 in einer zweiten Arbeitsstellung in seitlicher Draufsicht.
-
Es erfolgt im ersten Adsorptions-/Desorptionsbereich 131 nun die notwendige Desorption des Kohlenstoffdioxids durch thermische Desorption mittels der über das innerhalb der Wärmeübertrager-Rohr-Anordnung 17 zirkulierende Fluid übertragenen Wärme, wobei das desorbierte Kohlenstoffdioxid über die Vakuum-Absauganordnung 182 abgesaugt und weiterprozessiert wird.
-
In ist eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kohlenstoffdioxid-Umgebungsluft-Direktsammlervorrichtung 1 in der ersten Arbeitsstellung in einer Querschnittsdarstellung gezeigt.
-
Hier ist zum Verständnis der Arbeitsweise und der Vorrichtung die Wärmezufuhr über die Wärmeübertrager-Rohr-Anordnung 17 mit dem Fluid dargestellt. Ferner ist noch die Position der Volumentrennwand 14 dargestellt, in diesem Fall ist die Volumentrennwand 14 nach rechts derart verfahren, dass der zweite Adsorptions-/Desorptionsbereich 132 verkleinert ist und der erste Adsorptions-/Desorptionsbereich 131 mit Umgebungsluft durchströmt werden kann.
-
Ferner sind die Ventile zur Steuerung des Fluidflusses durch die Wärmeübertrager-Rohr-Anordnung 17 und mit Pfeilen der Fluss des Fluids während der thermischen Desorption dargestellt. Das entstehenden Kohlenstoffdioxid wird über die Vakuum-Absauganordnung 182 abgesaugt und weiterprozessiert.
-
In dieser Arbeitsstellung erfolgt die Wärmezufuhr ausschließlich in den Bereich des zweiten Adsorptions-/Desorptionsbereich 132.
-
zeigt eine schematische Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kohlenstoffdioxid-Umgebungsluft-Direktsammlervorrichtung in der zweiten Arbeitsstellung in einer Querschnittsdarstellung.
-
Hier erfolgt nunmehr die Desorption im linken Teil, also im ersten Adsorptions-/ Desorptionsbereich 131. Die Ventile leiten das Fluid nunmehr durch den linken Teil der Wärmeübertrager-Rohr-Anordnung 17. Die Volumentrennwand 14 ist ebenfalls auf die linke Seite verfahren worden, so dass nunmehr der erste Adsorptions-/Desorptionsbereich 131 im Modus Desorption gefahren wird, wobei das entstehenden Kohlenstoffdioxid über die Vakuum-Absauganordnung 181 abgesaugt und weiterprozessiert wird.
-
In dem zweiten Adsorptions-/Desorptionsbereich 132 erfolgt nunmehr die Adsorption von Kohlenstoffdioxid mittels des Adsorbens 12.
-
In ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Gehäuses 11 der erfindungsgemäßen Kohlenstoffdioxid-Umgebungsluft-Direktsammlervorrichtung 1 entsprechend der möglichen Ausgestaltung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiels gezeigt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kohlenstoffdioxid-Umgebungsluft-Direktsammlervorrichtung
- 11
- Gehäuse
- 111
- Umgebungsluftzufuhr
- 112
- Umgebungsluftabfuhr
- 12
- Adsorbens
- 131
- erster Adsorptions-/Desorptionsbereich
- 132
- zweiter Adsorptions-/Desorptionsbereich
- 14
- Volumentrennwand
- 141
- Luftführungsklappe
- 142
- Luftführungsklappe
- 143
- Desorptionsraum-Verschlussklappe erster Bereich
- 144
- Desorptionsraum-Verschlussklappe erster Bereich
- 145
- Desorptionsraum-Verschlussklappe zweiter Bereich
- 146
- Desorptionsraum-Verschlussklappe zweiter Bereich
- 151
- ortsfestes Adsorbervolumen
- 152
- ortsfestes Adsorbervolumen
- 153
- ortsfestes Adsorbervolumen
- 154
- ortsfestes Adsorbervolumen
- 155
- ortsfestes Adsorbervolumen
- 156
- ortsfestes Adsorbervolumen
- 161
- verschiebbares Adsorbervolumen
- 162
- verschiebbares Adsorbervolumen
- 163
- verschiebbares Adsorbervolumen
- 164
- verschiebbares Adsorbervolumen
- 165
- verschiebbares Adsorbervolumen
- 166
- verschiebbares Adsorbervolumen
- 17
- Wärmeübertrager-Rohr-Anordnung mit Fluid
- 181
- Vakuum-Absauganaordnung
- 182
- Vakuum-Absauganaordnung
