DE102022121306A1

DE102022121306A1 - Anlage und Verfahren zum Abtrennen von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft

Info

Publication number: DE102022121306A1
Application number: DE102022121306.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Heimermann; Frank Beger; Oliver Gröger
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2022-08-23
Filing date: 2022-08-23
Publication date: 2024-02-29
Also published as: WO2024041937A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage (10) zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft. Die Anlage (10) umfasst eine Adsorptionseinheit (12) mit mindestens einem Fahnenadsorber (14), welcher mindestens eine Fahne (18) zur temporären Bindung von Kohlenstoffdioxid aufweist und eine Desorptionseinheit (30) mit einer Desorptionskammer (32) zur Aufnahme der mindestens einen Fahne (18). Dabei weist die Desorptionseinheit (30) mindestens ein Heizelement (42) auf, welches dazu eingerichtet ist, die Desorptionskammer (32) auf eine Desorptionstemperatur zum Herauslösen des in der Fahne (18) gebundenen Kohlenstoffdioxids aufzuheizen.Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft mit einer solchen Anlage (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage sowie ein Verfahren zum Abtrennen von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Die Notwendigkeit, den durch Emissionen von Treibhausgasen beschleunigten globalen Klimawandel zu verlangsamen, ist sehr dringlich. Vor allem der Anstieg der atmosphärischen Kohlenstoffdioxidwerte muss nachhaltig verringert werden. Zur Reduzierung des Kohlenstoffdioxidgehalts in der Umgebungsluft und zur Erreichung der Klimaneutralität müssen nicht nur die Kohlenstoffdioxidemissionen verringert werden, sondern auch nicht vermeidbare Kohlenstoffdioxidemissionen entsprechend kompensiert werden. Ein bekanntes Verfahren zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft ist das sogenannte „Direct-Air-Capture-Verfahren“, bei dem Umgebungsluft durch eine Adsorptionskammer geleitet wird und das in der Umgebungsluft enthaltene Kohlenstoffdioxid zumindest teilweise aus der Umgebungsluft abgetrennt wird. Solche Verfahren sind geeignet, um den Kohlenstoffdioxidgehalt der Atmosphäre zu reduzieren und somit dem Klimawandel entgegenzuwirken. Dabei ist die Entwicklung von leistungsstarken und effizienten Prozessen zum Abtrennen des Kohlenstoffdioxids aus der Atmosphäre essentiell. Eine Möglichkeit ist die Nutzung der Chemisorption zur Abscheidung von Kohlenstoffdioxid. Dabei wird das Kohlenstoffdioxid chemisch gebunden und nachfolgend durch Erhitzung und unter Absenkung des Druckniveaus aus dem Sorptionsmaterial gelöst, um das freigesetzte Kohlenstoffdioxid zu konzentrieren und einem Zwischenspeicher oder einem nachfolgenden Prozessschritt, welcher Kohlenstoffdioxid als Ausgangsmaterial benötigt, zuzuführen.
Nachteilig an einer solchen Anlage ist jedoch, dass die Anlage aufgrund der hohen Anforderungen an die Bauteile, insbesondere an die Festigkeit und Dichtheit der Sorptionskammer im Hinblick auf ein Vakuum zur Desorption des gebundenen Kohlenstoffdioxids entsprechend komplex und teuer ist.
Aus der GB 254 2334 A sind ein Verfahren und eine Anlage zum Auffangen und Freisetzen von Kohlendioxid aus der Umgebungsluft bekannt. Die Anlage umfasst ein Gebläse zur Erzeugung eines Luftstroms und eine Aufhängevorrichtung zum Aufhängen von einer oder mehreren Platten aus einem offen gewebten Material, welches zum Einfangen von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft geeignet ist. Dabei wird ein Luftstrom durch das Gebläse in Richtung der Aufhängevorrichtung gefördert und nach einer bestimmten Zeitspanne die Platten aus dem Luftstrom entfernt. Anschließend können die Platten im Wesentlichen horizontal in einem Abstand über einem Bereich des Bodens aufgehängt werden, in dem Pflanzen wachsen, um die Rate des Pflanzenwachstums zu erhöhen. Ein Stützmittel oder eine Struktur kann verwendet werden, um die Platten des Materials in einer vertikalen Ausrichtung hinter den Schaufeln des Gebläses aufzuhängen. Vorteilhafterweise wird Kohlenstoffdioxid aus der Luft abgeschieden und die Ernte aus der Zucht der Pflanzen kann häufiger eingefahren werden.
Aus der WO 2013/075981 A2 ist eine Anordnung zur Extraktion von Kohlenstoffdioxid aus der Raumluft in einem Gebäude bekannt. Dabei wird das Kohlenstoffdioxid mittels eines Temperatur-Vakuum-Swing- oder eines Temperatur-Konzentrations-Swing-Prozesses aus der Umgebungsluft abgeschieden und das Kohlenstoffdioxid direkt aus der in dem Raum, in dem sie installiert sind, konzentrierten Luft extrahiert. Die Einheiten sind an kleine Rohre angeschlossen, die den Strom des in den einzelnen Einheiten gesammelten konzentrierten Kohlenstoffdioxids aus dem Gebäudeinneren abführen.
Die US 2012/0076711 A1 beschreibt eine Struktur, die ein Sorptionsmittel mit Amingruppen enthält, das zu einem reversiblen Adsorptions- und Desorptionszyklus zum Einfangen von Kohlenstoffdioxid aus einem Gasgemisch fähig ist, wobei die Struktur aus Faserfäden zusammengesetzt ist. Dabei ist das Fasermaterial Kohlenstoff und/oder Polyacrylnitril.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid bereitzustellen, welche mit vergleichsweise einfachen und kostengünstigen Komponenten ausgeführt werden kann und die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
Die Aufgabe wird durch eine Anlage zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft gelöst. Die Anlage umfasst eine Adsorptionseinheit mit mindestens einem Fahnenadsorber, welcher mindestens eine Fahne zur temporären Bindung von Kohlenstoffdioxid aufweist und eine Desorptionseinheit mit einer Desorptionskammer zur Aufnahme der mindestens einen Fahne. Dabei weist die Desorptionseinheit mindestens ein Heizelement auf, welches dazu eingerichtet ist, die Desorptionskammer auf eine Desorptionstemperatur zum Herauslösen des in der Fahne gebundenen Kohlenstoffdioxids aufzuheizen. Unter einer Fahne ist in diesem Zusammenhang ein Gewebe, eine Folie oder eine flexible Matte zu verstehen, welche sich auf einfache Art und Weise zerstörungsfrei aufrollen lässt. Dabei kann die Steifigkeit der Fahne so hoch sein, dass sich im ausgerollten Zustand eine ebene Fläche ergibt und diese Form auch unter dem Einwirken der Schwerkraft im Wesentlichen beibehält. Bevorzugt ist die Fahne jedoch als ein Gewebe oder eine Folie ausgebildet, welche unter dem Einwirken der Schwerkraft entsprechend herabhängt. In das Gewebe oder in die Folie können Versteifungselemente eingearbeitet sein, um die Steifigkeit des Gewebes oder der Folie zu erhöhen.
Durch eine erfindungsgemäße Anlage kann eine besonders einfache und kostengünstige Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft realisiert werden. Insbesondere kann die Adsorptionseinheit ohne eine Adsorptionskammer ausgeführt werden, wodurch die Kosten für eine in der aus dem Stand der Technik bekannten Anlage material- und kostenintensiven Baugruppe minimiert werden können. Ferner kann auf ein Gebläse zur Förderung eines Luftstroms in eine solche Adsorptionskammer verzichtet werden. Dabei wird in der erfindungsgemäßen Anlage die natürliche Luftströmung genutzt, um das Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft in der Fahne des Fahnenadsorbers zu adsorbieren und in einem darauffolgenden Verfahrensschritt in der Desorptionskammer freizusetzen. Zudem kann auf eine zyklische Temperaturerhöhung und Temperaturabsenkung verzichtet werden, wodurch die Energieeffizienz deutlich höher als bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten zusätzlichen Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklung der im unabhängigen Anspruch aufgeführten Anlage zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft möglich.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Fahnenadsorber eine Trägerstruktur umfasst, an welcher die Fahne befestigbar ist. Um ein einfaches Anbringen und Einholen der Fahne des Fahnenadsorbers zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn der Fahnenadsorber eine Trägerstruktur umfasst, an welcher die Fahne befestigt werden kann. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Trägerstruktur entsprechende Befestigungsmittel, beispielsweise Haltelaschen, Ösen, eine Klemmleiste oder ähnliches aufweist, um ein einfaches und schnelles Befestigen der Fahne an der Trägerstruktur zu ermöglichen.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Trägerstruktur als ein Fahnenmast, insbesondere als ein zylindrischer Fahnenmast, ausgebildet ist oder zumindest einen Fahnenmast, insbesondere einen zylindrischen Fahnenmast umfasst. Durch einen Fahnenmast kann auf einfache und vergleichsweise kostengünstige Art und Weise eine Fahne zur Adsorption von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft aufgehängt werden. Ein Fahnenmast, insbesondere ein zylindrischer Fahnenmast ermöglicht es zudem, die Fahne auf einfache Art und Weise spiralförmig um den Fahnenmast aufzurollen, um eine kompakte Einheit für den Transport des Fahnenadsorbers zu ermöglichen. Insbesondere ermöglicht eine um einen Abschnitt des Fahnenmastes gewickelte Fahne ein einfaches Einführen des Fahnenadsorbers in die Desorptionskammer.
Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn der Fahnenmast mehrteilig ausgeführt ist und einen reversiblen lösbaren Abschnitt aufweist, welcher in seiner Höhe im Wesentlichen der Höhe der Fahne entspricht. Dadurch kann eine besonders leichte und einfach zu transportierende Einheit aus dem Abschnitt des Fahnenmastes und der Fahne gebildet werden, welche besonders einfach zur Desorptionskammer transportiert und in diese eingeführt werden kann.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fahne im Wesentlichen horizontal ausgerichtet ist. Durch eine horizontale Ausrichtung der Fahne während der Adsorptionsphase ist eine besonders effiziente Aufnahme von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft möglich. Dies kann durch eine entsprechende Versteifung des Materials der Fahne erreicht werden. Alternativ oder zusätzlich können Versteifungselemente in die Fahnen eingearbeitet werden. In besonders windreichen Regionen kann es allerdings genügen, die Fahne aus einem leichten Gewebe oder einer entsprechend leichten Folie auszuführen, welche sich durch den Luftstrom im Wesentlichen horizontal ausrichtet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Anlage ist vorgesehen, dass die Anlage eine Sensoreinheit umfasst, mit welcher prozessrelevante Daten zur Adsorption von Kohlenstoffdioxid in der Adsorptionseinheit ermittelbar sind. Dadurch kann die Adsorption von Kohlenstoffdioxid durch den Fahnenadsorber der Adsorptionseinheit optimiert werden. Insbesondere kann die Zeit zwischen dem Ausrollen der Fahne und dem Wiedereinholen der Fahne im Hinblick auf die maximale Adsorptionsfähigkeit des Fahnenadsorbers optimiert werden.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die prozessrelevanten Daten zur Adsorption eine Lufttemperatur, einen Kohlenstoffdioxidgehalt, eine Luftfeuchte, eine Strömungsrichtung und/oder eine Strömungsgeschwindigkeit der Umgebungsluft im Bereich der Adsorptionseinheit umfassen. Die Adsorptionsfähigkeit des Fahnenadsorbers ist unter anderem abhängig von den vorstehend genannten Umweltparametern. Die Aufzählung ist nicht abschließend und kann weitere Umweltparameter, beispielsweise die Sonneneinstrahlung beziehungsweise Verschattung des Fahnenadsorbers umfassen, welche relevant für die Abschätzung des Zeitraums vom Ausrollen der Fahne bis zum Erreichen eines gewünschten Sättungsgrades des Fahnenadsorbers sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Anlage ist vorgesehen, dass die Fahne ein Gewebe oder eine Trägerfolie umfasst, welche mit einer Funktionsbeschichtung zur Adsorption von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft beschichtet ist. Dadurch kann auf einfache und kostengünstige Art und Weise eine Fahne bereitgestellt werden, welche eine hohe Adsorptionsfähigkeit für Kohlenstoffdioxid aufweist. Zur Optimierung der Fahne kann zwischen dem Gewebe und der Funktionsbeschichtung eine Beschichtung, insbesondere ein Washcoat, aufgebracht sein, welcher das Anhaften der Funktionsbeschichtung auf dem Gewebe oder der Trägerfolie verbessert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Anlage ist die Desorptionskammer als ein Autoklav ausgeführt oder umfasst zumindest einen Autoklav. Unter einem Autoklav ist in diesem Zusammenhang eine Desorptionskammer zu verstehen, welche sich nicht nur durch das Heizelement aufheizen lässt, sondern zusätzlich eine weitere Manipulation der Luft in der Desorptionskammer, insbesondere eine Anfeuchtung der Luft und/oder eine Druckmanipulation, ermöglicht. Dadurch kann der Partialdruck in der Desorptionskammer abgesenkt werden, wodurch das Desorbieren von Kohlenstoffdioxid aus der Fahne des Fahnenabsorbers begünstigt wird.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Desorptionskammer mit einem Befeuchtungselement zur Erhöhung der Luftfeuchte in der Desorptionskammer oder zur Erzeugung eines Dampfes in der Desorptionskammer in Wirkverbindung steht. Durch eine Erhöhung der Luftfeuchte, insbesondere eine Beaufschlagung der Desorptionskammer mit Wasserdampf, kann der Partialdruck zur Abgabe von Kohlenstoffdioxid aus der Fahne verringert werden. Ferner wirkt der Wasserdampf als Inertgas, welcher eine Schädigung des Sorptionsmaterials, insbesondere eine irreversible Reaktion des Sorptionsmaterials durch eine chemische Reaktion mit Sauerstoff, verhindert. Dadurch kann die Wiederverwendbarkeit beziehungsweise die Anzahl der Adsorptions- und Desorptionszyklen einer Fahne erhöht werden, wodurch die Wirtschaftlichkeit der Anlage weiter verbessert wird.
Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Desorptionskammer mit einer Druckmanipulationseinheit in Wirkverbindung steht, mit welcher ein Druck in der Desorptionskammer manipuliert werden kann. Durch eine Druckmanipulation, insbesondere eine Absenkung des Drucks in der Desorptionskammer, kann der Partialdruck zur Abgabe von Kohlenstoffdioxid aus der Fahne verringert werden. Ferner reduziert eine Druckabsenkung die Gefahr einer irreversiblen Schädigung des Sorptionsmaterials durch eine chemische Reaktion mit Sauerstoff. Dadurch kann die Wiederverwendbarkeit beziehungsweise die Anzahl der Adsorptions- und Desorptionszyklen einer Fahne erhöht werden, wodurch die Wirtschaftlichkeit der Anlage weiter verbessert wird.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Druckmanipulationseinheit eine Unterdruckpumpe oder eine Vakuumpumpe zur Absenkung des Drucks in der Desorptionskammer umfasst. Durch eine Unterdruckpumpe oder eine Vakuumpumpe kann auf einfache Art und Weise der Druck in der Desorptionskammer abgesenkt werden. Dadurch wird ein Desorbieren des in der Fahne des Fahnenabsorbers gebundenen Kohlenstoffdioxids begünstigt. Dadurch kann das Sorptionsmaterial der Fahne regeneriert und für eine neue Adsorptionsphase vorbereitet werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Anlage ist vorgesehen, dass die Desorptionseinheit mindestens eine zylindrische Desorptionskammer zur Aufnahme einer aufgerollten Fahne oder einer spiralförmig um eine Trägerstruktur, insbesondere einen Fahnenmast, gewickelte Fahne, aufweist. Durch eine zylindrische Desorptionskammer ist eine besonders platzsparende Aufnahme einer aufgerollten Fahne möglich. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die zylindrische Desorptionskammer dazu eingerichtet ist, einen Fahnenmast mit einer um den Fahnenmast gewickelten Fahne aufzunehmen. Durch die zylindrische Form kann das Volumen der Desorptionskammer klein gehalten werden, sodass weniger Volumen aufgeheizt und gegebenenfalls angefeuchtet beziehungsweise evakuiert werden muss. Dadurch kann die Energieeffizienz der Anlage erhöht werden.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die zylindrische Desorptionskammer an einer Stirnseite eine Einführöffnung aufweist, welche durch einen Verschluss, insbesondere durch einen gasdichten Verschluss, verschließbar ist. Dadurch kann das Einführen der Fahne in die zylindrische Desorptionskammer erleichtert werden. Insbesondere kann an der Einführöffnung eine Fase oder ein Trichter ausgebildet sein, um das Einführen der Fahnen und gegebenenfalls einer Trägerstruktur für die Fahne, zu erleichtern. Durch den Deckel ist ein einfacher Verschluss der Öffnung möglich, sodass die Wärme in der Desorptionskammer verbleibt und nur eine geringe Wärmemenge beim Einführen oder Herausnehmen des Fahnenadsorbers aus der zylindrischen Desorptionskammer verloren geht.
Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft mit einer solchen Anlage, welches zumindest folgende Schritte umfasst:

- Adsorbieren von Kohlenstoffdioxid in mindestens einem Fahnenadsorber der Adsorptionseinheit,
- Erwärmen des Fahnenadsorbers in einer Desorptionskammer der Desorptionseinheit auf eine Desorptionstemperatur, und
- Desorbieren von Kohlenstoffdioxid aus dem mindestens einen Fahnenadsorber in der Desorptionskammer der Desorptionseinheit.

Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren lässt sich auf besonders einfache und kostengünstige Art und Weise Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft abtrennen und einem Speicher oder einem Produktionsprozess, welcher Kohlenstoffdioxid als Ausgangsstoff benötigt, zuführen.
Die Fahne des Fahnenadsorbers wird ausgerollt und entsprechend der Windrichtung durch die Art der Aufhängung oder durch eine gezielte Drehung einer Trägerstruktur des Fahnenadsorbers ausgerichtet. Nach einer definierten Zeit oder einer messtechnisch erfassten Größe, welche mit der Kohlenstoffdioxidaufnahme der Fahne des Fahnenadsorbers in Korrelation steht, wird die Fahne des Fahnenadsorbers aufgewickelt und für einen nachfolgenden Desorptionsprozess einer Desorptionseinheit zugeführt.
In einer vorteilhaften Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Desorptionskammer zur Desorption des in dem Fahnenadsorber eingespeicherten Kohlenstoffdioxids mit Dampf beaufschlagt wird. Durch eine Erhöhung der Luftfeuchte, insbesondere eine Beaufschlagung der Desorptionskammer mit Wasserdampf, kann der Partialdruck zur Abgabe von Kohlenstoffdioxid aus der Fahne verringert werden. Ferner wirkt der Wasserdampf als Inertgas, welches eine Schädigung des Sorptionsmaterials, insbesondere eine irreversible Reaktion des Sorptionsmaterials durch eine chemische Reaktion mit Sauerstoff, verhindert. Dadurch kann die Wiederverwendbarkeit beziehungsweise die Anzahl der Adsorptions- und Desorptionszyklen einer Fahne erhöht werden, wodurch die Wirtschaftlichkeit der Anlage weiter verbessert wird.
Alternativ oder zusätzlich ist in einer weiteren Verbesserung des Verfahrens vorgesehen, dass ein Druck in der Desorptionskammer gegenüber dem Umgebungsdruck abgesenkt wird. Dadurch kann der Partialdruck zur Abgabe von Kohlenstoffdioxid aus der Fahne verringert werden. Ferner reduziert eine Druckabsenkung die Gefahr einer irreversiblen Schädigung des Sorptionsmaterials durch eine chemische Reaktion mit Sauerstoff. Somit wird eine besonders effiziente Desorption von Kohlenstoffdioxid erreicht. Ferner kann die Wiederverwendbarkeit beziehungsweise die Anzahl der Adsorptions- und Desorptionszyklen einer Fahne erhöht werden, wodurch die Wirtschaftlichkeit der Anlage weiter verbessert wird.
Die verschiedenen, in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anlage zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft,
2 einen Fahnenadsorber für eine solche Anlage,
3 eine Desorptionskammer zur Abgabe des im Fahnenabsorber gespeicherten Kohlenstoffdioxids, und
4 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abtrennen von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft.

1 zeigt eine Anlage 10 zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft. Die Anlage 10 umfasst eine Adsorptionseinheit 12 mit mindestens einem Fahnenadsorber 14, vorzugsweise mit einer Vielzahl von Fahnenadsorbern 14, wobei jeder Fahnenadsorber 14 mindestens eine Fahne 18 zur temporären Bindung von Kohlenstoffdioxid umfasst. Die Anlage 10 umfasst ferner eine Desorptionseinheit 30 mit mindestens einer Desorptionskammer 32 zur Aufnahme der mindestens einen Fahne 18, wobei die Desorptionseinheit 30 mindestens ein Heizelement 42 aufweist, welches dazu eingerichtet ist, die Desorptionskammer 32 auf eine Desorptionstemperatur, insbesondere auf eine Desorptionstemperatur von mindestens 90°C, zum Herauslösen des in der Fahne 18 gebundenen Kohlenstoffdioxids aufzuheizen. Die Anlage 10 umfasst ferner eine Sensoreinheit 56, mit welcher prozessrelevante Umweltparameter zur Adsorption von Kohlenstoffdioxid in der Adsorptionseinheit 12, insbesondere eine Lufttemperatur, einen Kohlenstoffdioxidgehalt, eine Luftfeuchte, eine Strömungsrichtung und/oder eine Strömungsgeschwindigkeit der Umgebungsluft im Bereich der Adsorptionseinheit 12 ermittelt werden.
Zur Steuerung der Anlage 10 ist eine Steuereinheit 80 vorgesehen, welche eine Speichereinheit 82 und eine Recheneinheit 84 aufweist, wobei in der Speichereinheit 82 ein maschinenlesbarer Programmcode 86 abgelegt ist, welcher ein Verfahren zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft steuert, wenn der Programmcode 86 durch die Recheneinheit 84 ausgeführt wird.
Die in 1 dargestellte Adsorptionseinheit 12 umfasst eine Vielzahl von Fahnenadsorbern 14, welche jeweils eine Trägerstruktur 16 in Form eines vorzugsweise zylindrischen Fahnenmastes 58, aufweisen. Ein solcher Fahnenadsorber 14 ist in 2 dargestellt. Der Fahnenmast 58 weist einen ersten Abschnitt 68 und einen zweiten Abschnitt 70 auf, welche über ein Kopplungselement 72 reversibel lösbar miteinander verbunden sind. Der erste Abschnitt 68 dient zur Befestigung des Fahnenmastes 58 am Boden, einem Sockel oder eine Halteeinrichtung. Der zweite Abschnitt 70 ist zur Aufnahme der Fahne 18 ausgebildet, und weist im Wesentlichen die gleiche Länge wie die vertikale Ausdehnung der Fahne 18 im Verbindungsbereich zwischen Fahne 18 und Fahnenmast 58 auf. Unter einer im Wesentlichen gleichen Länge ist in diesem Zusammenhang eine Abweichung von maximal 20%, vorzugsweise von maximal 10%, der Gesamtlänge des zweiten Abschnitts 70 des Fahnenmastes 10 zu verstehen. Bevorzugt sind der zweite Abschnitt 70 des Fahnenmastes 58 und die vertikale Ausdehnung der Fahne gleich lang.
Die Fahne 18 umfasst ein Gewebe 20, insbesondere einen Stoff, oder eine Trägerfolie 24, welche mit einer Funktionsbeschichtung 28 beschichtet ist. Die Funktionsbeschichtung 28 weist ein Sorptionsmaterial 22 auf, welches Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft bindet. Auf das Gewebe 20 oder auf die Trägerfolie 24 kann eine Beschichtung 26, insbesondere ein Washcoat, aufgetragen sein, um die Bindung der Funktionsbeschichtung 28 an das Gewebe 20 oder die Trägerfolie 24 zu verbessern. Ferner kann die Beschichtung 26 dazu dienen, die zur Adsorption des Kohlenstoffdioxids wirksame Oberfläche zu vergrößern und somit die Speicherkapazität der Fahne 18 des Fahnenadsorbers 14 zu erhöhen.
In 3 ist eine Desorptionseinheit 30 für eine solche Anlage 10 dargestellt. Die Desorptionseinheit 30 weist mindestens eine Desorptionskammer 32 auf. Die Desorptionskammer 32 ist vorzugsweise als zylindrische Kammer 64 nach Art eines Autoklav 34 ausgebildet. Die Desorptionskammer 32 weist eine Einführöffnung 38 auf, in welche ein Fahne 18, insbesondere eine spiralförmig um einen Abschnitt 70 des Fahnenmastes 58 gewickelte Fahne 18, eingeführt werden kann. Dazu ist die Einführöffnung 38 an einer Stirnseite 66 der Desorptionskammer 32 ausgebildet. Die Einführöffnung 38 ist durch ein Verschluss 40, insbesondere durch einen gasdichten Verschluss, verschließbar, um einen unkontrollierten Austritt von einem Prozessgas aus der Desorptionskammer 32 zu verhindern. An der Desorptionskammer 32 sind ein Befeuchtungselement 44 zur Regulierung der Feuchte in der Desorptionskammer 32, insbesondere ein Dampferzeuger und eine Druckmanipulationseinheit zur Absenkung des Drucks in der Desorptionskammer 32, insbesondere eine Unterdruckpumpe 60 oder eine Vakuumpumpe 62, angeordnet. Die Desorptionskammer 32 kann einen Sammelraum 48 oder eine Auslassöffnung zum Abtransport des in der Desorptionskammer 32 freigesetzten Kohlenstoffdioxids aufweisen. Ferner sind an der Desorptionskammer 32 ein Temperatursensor 50 zur Erfassung einer Temperatur in der Desorptionskammer 32, ein Feuchtigkeitssensor 52 zur Erfassung einer Luftfeuchtigkeit in der Desorptionskammer 32 und ein Drucksensor 54 zur Erfassung eines Drucks in der Desorptionskammer 32 angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann in der Desorptionskammer 32 ein Sensor zur Erfassung der Kohlenstoffdioxid-Konzentration in der Desorptionskammer 32 angeordnet sein, um den Desorptionsprozess zu steuern.
In 4 ist ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abtrennen von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt <100> werden eine ohne mehrere Fahnen 18 des Fahnenadsorbers 14 der Adsorptionseinheit 12 aufgehängt und ausgerollt, um Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft zu adsorbieren. In einem Verfahrensschritt <110> wird die Fahne 18 eingerollt und die Fahne 18 spiralförmig um ein Trägerelement 16, insbesondere einen Abschnitt 70 eines Fahnenmastes 58 gewickelt. Dabei kann der Zeitpunkt des Einrollens der Fahne 18 zeitgesteuert und/oder in Abhängigkeit von Umweltparametern in der Adsorptionseinheit 12 erfolgen. In einem Verfahrensschritt <120> wird die Fahne 18 oder der Fahnenadsorber 14 in eine Desorptionskammer 32 einer Desorptionseinheit 30 eingebracht. In einem Verfahrensschritt <130> wird die Fahne 18 oder der Fahnenadsorber 14 mit der Fahne 18 in der Desorptionskammer 32 auf eine Desorptionstemperatur, vorzugsweise auf eine Temperatur von mindestens 90°C, besonders bevorzugt auf eine Temperatur von 95 - 110°C aufgeheizt. In einem Verfahrensschritt <140> desorbiert das in dem Sorptionsmaterial 22 der Fahne 18 gebundene Kohlenstoffdioxid in der Desorptionskammer 32. Dazu kann zusätzlich zu dem Aufheizen der Desorptionskammer 32 in einem Verfahrensschritt <150> Wasserdampf in die Desorptionskammer 32 eingeblasen werden und/oder der Luftdruck in der Desorptionskammer 32 gegenüber der Umgebungsdruck abgesenkt werden, um den Desorptionsvorgang des gebundenen Kohlenstoffdioxids zu unterstützen. Ist das Kohlenstoffdioxid aus dem Sorptionsmaterial 22 der Fahne gelöst, so wird die Fahne 18 beziehungsweise der Fahnenadsorber 14 wieder aus der Desorptionskammer 32 entnommen und der Prozess kann von neuem durch ein erneutes Aufhängen und Ausrollen der Fahnen beginnen.
Alternativ kann die Desportionskammer 32 auch unmittelbar nach dem Einbringen einer Fahne 18 oder eines Fahnenadsorbers 14 mit einer Fahne 18 evakuiert werden, um einen Großteil des Sauerstoffs aus der Desorptionskammer 32 zu entfernen. In einem darauffolgenden Verfahrensschritt wird dann die Temperatur auf eine Temperatur oberhalb der Verdampfungstemperatur von Wasser angehoben, welche bei abgesenktem Druck in der Desorptionskammer bei < 60°C, vorzugsweise bei etwa 50°C liegt. Dadurch kann vermieden werden, dass es zu einer Degradation des Sorptionsmaterials 22 kommt. Anschließend wird die Desorptionskammer 32 mit Wasserdampf gespült, um den noch verbliebenen Restsauerstoff aus der Desorptionskammer 32 auszutreiben. In einem darauffolgenden Verfahrensschritt erfolgt eine weitere Temperaturerhöhung in der Desorptionskammer 32 auf eine ideale Desorptionstemperatur von 95°C bis 110°C, um das in der Fahne 18 gebundene Kohlenstoffdioxid freizusetzen. Während des laufenden Desorptionsvorgangs kann die Desorptionskammer 32 mit zusätzlichem Wasserdampf gespült werden, um den Partialdruck des Kohlenstoffdioxids abzusenken und somit eine weitere Desorption von Kohlenstoffdioxid zu ermöglichen.
Bezugszeichenliste

10: Anlage
12: Adsorptionseinheit
14: Fahnenadsorber
16: Trägerstruktur
18: Fahne
20: Gewebe
22: Sorptionsmaterial
24: Trägerfolie
26: Beschichtung
28: Funktionsbeschichtung
30: Desorptionseinheit
32: Desorptionskammer
34: Autoklav
36: spiralförmige Wicklung
38: Einführöffnung
40: Verschluss
42: Heizelement
44: Befeuchtungselement
46: Druckmanipulationseinheit
48: Sammelraum
50: Temperatursensor
52: Feuchtigkeitssensor
54: Drucksensor
56: Sensoreinheit
58: Fahnenmast
60: Unterdruckpumpe
62: Vakuumpumpe
64: zylindrische Kammer
66: Stirnseite
68: erster Abschnitt des Fahnenmastes
70: zweiter Abschnitt des Fahnenmastes
72: Kopplungselement
80: Steuereinheit
82: Speichereinheit
84: Recheneinheit
86: maschinenlesbarer Programmcode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

GB 2542334 A [0004]
WO 2013075981 A2 [0005]
US 20120076711 A1 [0006]

Claims

Anlage (10) zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft, umfassend: - eine Adsorptionseinheit (12) mit mindestens einem Fahnenadsorber (14), welcher mindestens eine Fahne (18) zur temporären Bindung von Kohlenstoffdioxid umfasst, und - eine Desorptionseinheit (30) mit einer Desorptionskammer (32) zur Aufnahme der mindestens einen Fahne (18), wobei die Desorptionseinheit (30) mindestens ein Heizelement (42) aufweist, welches dazu eingerichtet ist, die Desorptionskammer (32) auf eine Desorptionstemperatur zum Herauslösen des in der Fahne (18) gebundenen Kohlenstoffdioxids aufzuheizen.
Anlage (10) zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahnenadsorber (14) eine Trägerstruktur (16) umfasst, an welcher die Fahne (18) befestigbar ist.
Anlage (10) zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (16) als ein Fahnenmast (58) ausgebildet ist oder zumindest einen Fahnenmast (58) umfasst.
Anlage (10) zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahne (18) im Wesentlichen horizontal ausgerichtet ist.
Anlage (10) zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (10) eine Sensoreinheit (56) umfasst, mit welcher prozessrelevante Daten zur Adsorption von Kohlenstoffdioxid in der Adsorptionseinheit (12) ermittelbar sind.
Anlage (10) zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft nach Anspruch 5, wobei die prozessrelevanten Daten zur Adsorption eine Lufttemperatur, einen Kohlenstoffdioxidgehalt, eine Luftfeuchte, eine Strömungsrichtung und/oder eine Strömungsgeschwindigkeit der Umgebungsluft im Bereich der Adsorptionseinheit (12) umfassen.
Anlage (10) zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahne (18) ein Gewebe (20) oder eine Trägerfolie (24) umfasst, welche mit einer Funktionsbeschichtung (28) zur Adsorption von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft beschichtet ist.
Anlage (10) zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Desorptionskammer (32) als ein Autoklav (34) ausgeführt ist.
Anlage (10) zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Desorptionskammer (32) mit einem Befeuchtungselement (44) zur Erhöhung der Luftfeuchtigkeit in der Desorptionskammer (32) oder zur Erzeugung eines Dampfes in der Desorptionskammer (32) in Wirkverbindung steht.
Anlage (10) zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Desorptionskammer (32) mit einer Druckmanipulationseinheit (46) in Wirkverbindung steht, mit welcher ein Druck in der Desorptionskammer (32) manipuliert werden kann.
Anlage (10) zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmanipulationseinheit (46) eine Unterdruckpumpe (60) oder eine Vakuumpumpe (62) zur Absenkung des Drucks in der Desorptionskammer (32) umfasst.
Anlage (10) zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Desorptionseinheit (30) mindestens eine zylindrische Desorptionskammer (64) zur Aufnahme einer aufgerollten Fahne (18) oder einer spiralförmig um eine Trägerstruktur (16) gewickelten Fahne (18) aufweist.
Anlage (10) zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische Desorptionskammer (64) an einer Stirnseite (66) eine Einführöffnung (38) aufweist, welche durch einen Verschluss (40) verschließbar ist.
Verfahren zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft mit einer Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 13, umfassend folgende Schritte: - Adsorbieren von Kohlenstoffdioxid in mindestens einem Fahnenadsorber (14) der Adsorptionseinheit (12), - Erwärmen des Fahnenadsorbers (14) in einer Desorptionskammer (32) auf eine Desorptionstemperatur, und - Desorbieren von Kohlenstoffdioxid aus dem mindestens einen Fahnenadsorber (14) in der Desorptionskammer (32).
Verfahren zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft nach Anspruch 14, wobei die Desorptionskammer (32) zur Desorption des in dem Fahnenadsorber (14) eingespeicherten Kohlenstoffdioxids mit Dampf beaufschlagt wird und/oder ein Druck in der Desorptionskammer (32) gegenüber dem Umgebungsdruck abgesenkt wird.