EP4558264A1 - Verfahren und anlage zur herstellung eines sorptionselements zur abtrennung von kohlenstoffdioxid aus der umgebungsluft - Google Patents

Verfahren und anlage zur herstellung eines sorptionselements zur abtrennung von kohlenstoffdioxid aus der umgebungsluft

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EP4558264A1
EP4558264A1 EP23734952.7A EP23734952A EP4558264A1 EP 4558264 A1 EP4558264 A1 EP 4558264A1 EP 23734952 A EP23734952 A EP 23734952A EP 4558264 A1 EP4558264 A1 EP 4558264A1
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EP
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sorbent
carbon dioxide
sorption element
support structure
producing
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Application number
EP23734952.7A
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Christine SCHÜTZ
Branislav Zlatkov
Mareen BAUER
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Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Publication date
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    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2

Definitions

  • the invention relates to a method and a system for producing a sorption element for separating carbon dioxide (CO2) from the ambient air and to a sorption element produced using such a method according to the preamble of the independent claims.
  • CO2 carbon dioxide
  • One way to compensate for these carbon dioxide emissions is to separate carbon dioxide from the ambient air. Such a process is also known as a direct air capture process and is suitable for reducing the proportion of carbon dioxide in the atmospheric air. Alternatively or additionally, the carbon dioxide emissions can be compensated for by permanently storing carbon dioxide in a reservoir, in particular in a rock layer, and thus not entering the atmosphere.
  • a challenge is the development of efficient adsorption systems in which the sorption elements are technically arranged and/or designed in such a way that, on the one hand, the adsorption and desorption of carbon dioxide occurs optimally and, on the other hand, a comparatively cost-effective system concept can be implemented.
  • the heating and cooling phases in particular influence the process costs, while the design of the sorption element and the process space influence the system costs.
  • Physical sorbent materials, especially zeolites, are particularly suitable as adsorbers for the capture of carbon dioxide due to their robustness.
  • such inorganic sorption materials have comparatively long heating and cooling phases between the adsorption and the subsequent desorption of the carbon dioxide, thus leading to reduced effectiveness and causing a long cycle time and associated increased energy consumption.
  • sorbent material can be prepared, for example, by impregnation with K2CO3, binary eutectic mixture (KNO3 and UNO3), NaNOs, Al2O3, ZrC>2, TiC>2, MnC>2, ZnO, ionic liquid (IL), and aqueous amine (i.e., tetraethylenepentamine (TEPA), poly(allylamine) (PAA), poly(ethyleneimine) (PEI), ethylenediamine (EDA), diethylenetriamine (DETA), pentaethylenehexamine (PEHA), aminopropyl (AP) and similar substances are produced
  • Solutions are known from the prior art in which granules of a sorbent material are filled into a corresponding support structure, in particular a container structure in the adsorption chamber of the system.
  • US 2013/0312603 A1 describes a sorbent material for the cyclic absorption and release of a gas with a self-supporting structure, which is produced by sintering a mixture of a powdery adsorbent and polyethylene particles with a molecular weight of at least 40,000 g/mol.
  • a method for producing a sorbent-containing coating on a support comprises providing a sorbent and at least one adhesion-promoting component, wherein the at least one adhesion-promoting component is used in liquid or dissolved form.
  • a carrier is provided and the composition is applied to the carrier, with a temperature treatment taking place during or after application at a temperature between 100 ° C and 500 ° C and a pressure reduced compared to the ambient pressure.
  • US 8992884 B2 describes a process for producing crystalline aluminosilicate zeolite from a reaction mixture that only contains sufficient water to produce X zeolite.
  • the reaction mixture is self-supporting and can be shaped if desired. The process involves heating the reaction mixture under crystallization conditions and in the absence of an added external liquid phase, so that excess liquid does not need to be removed from the crystallized product before drying the crystals.
  • a holding structure means that less gas can flow through the process space and the absorption of carbon dioxide by the holding structure is reduced.
  • the use of space is reduced due to the holding structure and overlapping support structures.
  • the invention is based on the object of separating carbon dioxide from the ambient air in a comparatively simple and cost-effective manner and overcoming the disadvantages known from the prior art.
  • a method for producing a sorption element for separating carbon dioxide from the ambient air which comprises the following steps: providing a carbon dioxide-binding starting material and a binder, mixing the carbon dioxide-binding starting material with the binder to form a mixture, molding a sorbent structure from the Mixture or coating a support structure with the mixture, Heat treating the sorbent structure or the coated support structure, wherein a sorbent material (18) contained in the sorbent structure or the coated support structure is solidified and/or chemically activated.
  • a carbon dioxide-binding starting material is to be understood as meaning a substance which physically and/or chemically adsorbs carbon dioxide from the ambient air at temperatures of -20°C to 50°C, preferably at temperatures of 0°C - 30°C and ambient pressure, and the bound Carbon dioxide is released again at higher temperatures and/or lower pressure and/or vacuum.
  • a binder is understood to mean an auxiliary substance which enables a permanent, cohesive connection of the sorption element of the starting material to one another or to a support structure. The binder is preferably contained in the starting material for producing the sorption element.
  • the method according to the invention enables simplified handling during assembly and the replacement of an adsorption unit after necessary maintenance or sorbent replacement in a system for separating carbon dioxide from the ambient air.
  • the system can be designed for batch operation, in which carbon dioxide is first adsorbed in a sorbent receiving chamber and the stored carbon dioxide is subsequently desorbed.
  • the system can also be designed as a continuous system in which an adsorption zone is followed by a desorption zone and the sorption element is transported to the respective zone.
  • the sorption element produced by the method according to the invention enables a simple change of one or more sorption element(s).
  • the method enables a homogeneous and increased packing density of the sorbent element within the system volume of such a system by saving material for holding frames, holding structures, sorbent carriers and / or other components, for example nets for holding the sorbent in a process space for separating carbon dioxide from the ambient air.
  • a further advantage is improved contact formation between a carbon dioxide-containing air stream and the sorbent material as well as maximum area utilization during adsorption and desorption. This is achieved in particular by eliminating holding elements that block the flow path.
  • weight and manufacturing costs can be reduced by a self-supporting sorbent structure.
  • a self-supporting sorbent structure enables a variety of possible shapes and geometries, in particular free-form surfaces, recesses, curvatures, projections and other geometric surfaces being possible and the shape is not limited to a planar plate geometry as in the prior art.
  • the sorption element produced in particular enables a shortening of the set-up times for system maintenance and sorbent replacement.
  • the sorbent material is applied to a support structure which has much better thermal and electrical conductivity than the sorbent material and thus enables better and faster heat distribution in a variothermal process, which can reduce the energy requirement for the system.
  • an electrical heater and/or a heat exchanger can be easily integrated into the support structure. This makes it possible to increase the thermal conductivity for an energetically optimized process control during desorption and adsorption, in particular by directly coupling electrical heating power into the support structure of the sorption element.
  • granules fixed by heat treatment reduce the risk of “gaps” due to random distribution of the sorbent material and possibly insufficient filling of the process space, so that the risk of the air flow flowing through the process space without the carbon dioxide being bound by the sorbent material is minimized.
  • All materials with good electrical conductivity and thermal conductivity can be used as materials for the support structure, in particular aluminum, copper, stainless steel, graphite, etc.
  • the sorption element is treated by microblasting the surface, cleaning or a similar process.
  • a treatment process can be used to remove dust adhering to the sorbent structure as well as particles that are not firmly bonded to the sorbent structure during the manufacturing process. Such impurities can lead to a reduced ability of the sorbent material to absorb carbon dioxide.
  • a treatment step at the end of the manufacturing process can increase the ability to absorb and bind carbon dioxide. In particular, closed pores of the sorbent material can also be opened by the treatment process, whereby the absorption capacity of the sorbent material for carbon dioxide can be increased.
  • the starting material is supplied in the form of powder, as granules or as spheres of a carbon dioxide-binding sorbent material.
  • a powder can be ground particularly finely and thus allows particularly simple and homogeneous mixing with the binder in order to create a cohesive connection with the support structure. This allows a particularly homogeneous mixture to be produced with which the support structure is wetted or coated. This enables a particularly high and uniform absorption of carbon dioxide in the adsorption phase.
  • the starting material comprises balls. These balls can be mixed with the binder in a comparatively simple manner in order to form a self-supporting sorbent structure by means of a subsequent heat treatment process, in particular a sintering process.
  • the starting material comprises or is an inorganic sorbent material.
  • inorganic sorbent materials have a higher binding capacity for carbon dioxide and thus higher efficiency in the system.
  • organic sorbent materials can also be used.
  • the starting material comprises or is an organic polymer compound material.
  • additives are provided and mixed with the starting material and the binder to form a mixture.
  • Additives can be used to further facilitate a cohesive connection between the starting material and the support structure or the formation of a self-supporting sorbent structure.
  • additives can be used to improve the cohesive connection between the sorbent agent and the support structure or between the sorbent agent parts, to facilitate activation of the sorbent agent and/or to increase the absorption capacity of carbon dioxide.
  • the support structure comprises an additional surface on at least one side.
  • This additional surface can be used, for example, as a connection for the realization of the heating, in particular for inductive heating of the support structure, in order to achieve a homogeneous temperature distribution over the sorption element and/or rapid heating of the sorption element make possible.
  • the additional surface can be used in the manufacturing process to grip the support structure and thus facilitate the coating of the support structure.
  • the additional surface can have at least one coolant channel for temperature control of the support structure.
  • the additional surface is preferably designed as a heat exchanger, which enables efficient heating or cooling of the support structure by the coolant.
  • the additional surface is free of a coating. This makes it particularly easy to form a handling surface or an electrical contact surface on the carrier element.
  • the additional surface is designed to couple one or more electrical heating means into the support structure.
  • the sorption element comprises a plurality of sorbent elements, the sorbent elements being cohesively connected to the support structure and/or to one another. This allows a close-meshed structure of sorbent elements to be created, which enables particularly efficient adsorption and subsequent desorption of carbon dioxide from the ambient air.
  • Another partial aspect of the invention relates to a sorption element for the adsorption and desorption of carbon dioxide in the system for separating carbon dioxide from the ambient air, which is produced using a method described in the above sections.
  • a sorption element enables simplified handling during assembly and the replacement of an adsorption unit of a system for separating carbon dioxide from the ambient air.
  • the system can be designed for batch operation, in which carbon dioxide is first adsorbed in a sorbent receiving chamber and the stored carbon dioxide is subsequently desorbed.
  • the system can also be designed as a continuous system in which an adsorption zone is followed by a desorption zone and the sorption element is transported to the respective zone.
  • the sorption element produced by the method according to the invention enables a simple change of one or more sorption element(s).
  • better and faster heat distribution is achieved with variothermal process control, which can reduce the energy requirement for the system.
  • an integration of an electrical heater and an increase in thermal conductivity for an energetically optimized process control during desorption and adsorption can be achieved in a simple manner, in particular by directly coupling electrical heating power into the sorption element.
  • granules fixed by heat treatment reduce the risk of “gaps” due to random distribution of the sorbent material and possibly insufficient filling of the process space, so that the risk of the air flow flowing through the process space without the carbon dioxide being bound by the sorbent material is minimized.
  • the sorption element can be implemented in virtually any geometric shape and can be made simpler and more cost-effective by eliminating the need for supporting grids, nets or other holding elements. Furthermore, assembly of the system is made easier because no sorbent agent has to be filled into the cavities of the support structure of the sorption element during the assembly process.
  • the production plant comprises at least: means for providing a carbon dioxide-binding starting material and a binder, a mixing device for mixing the carbon dioxide-binding starting material with the binder to form a mixture, a shaping device for molding a sorbent structure from the mixture or a coating device for coating a support structure with the mixture , and a heat treatment device for heat treating the sorbent structure or the coated support structure, wherein a sorbent contained in the sorbent structure or in a coating of the support structure is solidified and / or chemically activated.
  • Such a production system enables the production of a sorption element according to the invention in a simple manner.
  • the manufacturing process can be largely automated with such a production system, whereby the cycle times and the manufacturing costs for the sorption element can be minimized.
  • Figure 1 shows a system for separating carbon dioxide from the ambient air
  • Figure 2 shows a first flowchart for carrying out an inventive procedure
  • Figure 3 shows a second flow chart for carrying out an inventive procedure
  • Figure 3 shows a third flow chart for carrying out an inventive procedure
  • Figure 4 shows a sorption element which is produced using a method according to the invention
  • Figure 5 shows a production system for producing an inventive
  • FIG. 1 shows a direct air capture system 10 known from the prior art for separating carbon dioxide from ambient air in a schematic representation.
  • the system includes a process room 12, in which an adsorption chamber 14 for adsorbing carbon dioxide is arranged.
  • the adsorption chamber 14 comprises at least one sorption element 16 with a spherical sorbent material 18, in this case a so-called chemisorbent, which chemically binds carbon dioxide and removes it from the ambient air.
  • Amine-functionalized, porous materials are particularly suitable as sorbent material 18.
  • the sorbent material 18 is stored as a fixed bed in the adsorption chamber 14.
  • a support frame 98 is provided for receiving the sorbent material, into which the sorbent material 18 is filled.
  • the adsorption chamber 14 arranged in the process space 12 can be heated by a temperature control unit 92, in particular by a heat exchanger.
  • the process space 12 has an inlet through which ambient air can flow into the process space 12.
  • the System 10 further comprises a flow generator 94, in particular a fan, in order to direct an air flow of ambient air through the process space 12.
  • a pressure reduction unit 96 is also provided at the process space 12 in order to at least partially evacuate the process space 12 and reduce the absolute pressure in the process space 12 below the ambient pressure.
  • the process space 12 further comprises a first outlet, which is preferably connected to the environment, and a second outlet, via which a gas stream rich in carbon dioxide can be discharged from the process space 12.
  • the inlet, the first outlet and the second outlet can be closed via corresponding inlet and outlet valves in order to seal the process space 12 off from the environment in a gas-tight manner.
  • the carbon dioxide from the ambient air is first absorbed in the adsorption chamber 14 in the sorbent material in a known manner and is released again from the sorbent material in a subsequent desorption process step by changing temperature and pressure or by supplying water vapor.
  • FIG. 2a shows a first example of a method according to the invention for producing a sorption element 16 based on a physiosorbent material for such a system 10.
  • the method includes providing ⁇ 100> a carbon dioxide-binding starting material 74, which is preferably formed as a powder 32 of a zeolite, and providing a binder 36.
  • the starting material 74 and the binder 36 and optionally one or more additives 38 are in in a process step ⁇ 110> to form a mixture of substances 76, the aim being to mix the components 36, 38, 74 as homogeneously as possible.
  • a subsequent process step ⁇ 120> individual sorbent material parts, for example spherical granules 34, are produced, which can in particular include extrusion, granulation, powder injection molding and further process steps.
  • spherical granules 34 or the mixture 76 can optionally be dried.
  • the drying is followed by a process step ⁇ 140>, in which the support structure 26 is equipped with the mixture 76 or an intermediate product produced from the mixture, for example spherical granules 34, in order to form a sorbent structure 20 that is as dense as possible.
  • This process step is followed by a heat treatment ⁇ 150>, which in particular includes a sintering process for the cohesive connection of the mixture 76 or the intermediate product produced from the mixture with the support structure 26 and/or a thermal activation of the sorbent material 18.
  • a quality control ⁇ 160> can then be carried out Sorption element 16 takes place, which is preceded or followed by a treatment process in order to remove dust, production residues and loose particles from the sorption element.
  • FIG. 2a shows process steps of the disclosed invention.
  • the sorbent material 18 is mixed together in powder form with one or more binders 36 and optionally further additives 38 and homogenized.
  • a corresponding technology is used to form a sorbent structure 20.
  • drying can optionally take place.
  • sorbent elements 40 which are also referred to as green parts before heat treatment, are attached to the support structure 26 and optionally pressed lightly.
  • the support structures 26 including the sorbent elements 40 are heat-treated accordingly in an oven, which can be designed as a continuously operated belt oven or as a batch oven.
  • a sintering process takes place in which the sorbent elements 40 are cohesively connected to the support structure 26 and/or to one another. This is followed by a quality control and optionally a treatment process, in particular a process for washing and/or dedusting the sorption elements 16.
  • FIG. 2b a specific embodiment of the sorption element 16 according to the invention is shown in FIG. 2b.
  • Spherical sorbent elements 40 are shown, which are made in particular from granules, for example by means of granulation or extrusion.
  • the granules 34 include a material matrix 42, which can be created from different recipes and material types. On a microscopic level, different pore sizes occur in the inflow area of a sorbent matrix 44.
  • the balls 40 of the sorbent material 18 are, as briefly described above, attached to a sorbent structure 20 with a corresponding device after production, so that the individual sorbent elements 40 occupy a free spot 46 on the sorbent structure 20 or position themselves/fix themselves.
  • the sorbent structure 20 represents a network structure 28 with a defined mesh size, which can be made of metal or an electrically and thermally conductive composite material.
  • the sorbent structure 20 can be generally planar or curved, folded or designed in any free-form surface.
  • a sandwich structure can be created with a basically unlimited thickness, depending on the application.
  • the details in Figure 2c show an enlarged view of a sorbent element 40, which has been fitted onto a support structure 26, in particular a network structure 28.
  • Fig. 2c shows an initial state of the sorbent elements 40 on the support structure 26 before the heat treatment, that is, before the sintering process is produced without affecting the porosity of the sorbent material 18.
  • the micropores of the sorbent material 18 must remain open so that a stream of air can flow through the sorbent material 18.
  • the corners 50 of the support structure 26 should remain open so that a good and controlled air flow can be ensured during the process.
  • Figure 2d shows a further structural design, with a mandrel additionally being formed on the network structure 28.
  • Balls 40 of the sorbent material 18 of any geometry are placed on the mandrel and fixed in this way.
  • the embodiment shown in Figures 2b to 2e offers the advantage that the sorbent material 18 comes into direct contact with a material and thus has much better electrical conductivity and thermal conductivity, which makes process control for desorption and adsorption more energetically attractive.
  • the sorbent material 18 can also be formed in the form of sorbent pellets. In particular, extrusion, granulation or powder injection molding can be used to produce such sorbent pellets. Regarding the manufacturing processes, the same procedure applies as described in the previous sections.
  • the support structure 26 is equipped with sorbent pellets.
  • a further embodiment according to the disclosed invention would be a sleeve-shaped embodiment of the sorbent element 40 shown in Figure 2d.
  • This embodiment would have the advantage that the active surface of the material is increased and that the diffusion paths become shorter, which can particularly facilitate and accelerate desorption.
  • the sorbent elements 40 in the form of a sleeve could be produced, for example, by extrusion or powder injection molding. The manufacturing process would have been the same as presented in the previous sections.
  • a sorbent support frame structure 26, 54 has additional surfaces 88 on at least one or more sides.
  • This additional surface 88 can, for example, be used as a connection for realizing the heating of the support structure 26 can be used to achieve a more homogeneous desorption temperature more quickly.
  • Another advantage would be a simplified assembly of the adsorption chamber 14 for the system 10.
  • the sorbent support frame structure 26, 54 can be joined in a tool as an insert and then the material matrix of the sorbent material 18 can be applied accordingly. This is then optionally followed by drying and then heat treatment or solidification or sintering of the sorbent material 18 on the sorbent support frame structure 26, 54.
  • the additional surface 88 can be designed in terms of manufacturing technology in such a way that a liquid medium can be in a closed circle and for heating/ Cooling the support structure 26 and the sorbent material 18 connected to the support structure 26 can be used.
  • FIG. 3a shows a second exemplary embodiment of a method according to the invention for producing a sorption element 16 based, for example, on a physiosorbent material for such a system 10.
  • Figure 3 describes the process steps for producing a sorption element 16 according to the invention.
  • an inorganic carbon dioxide adsorber material such as zeolite, which is preferably in powder form, and one or more binders 36 and optionally additives 38 are provided and in one process step ⁇ 210> mixed together and homogenized.
  • the material mixture 76 of the sorbent element 40 produced in this way is attached and/or applied to a support structure 26 in a process step ⁇ 220> using different coating processes.
  • drying can optionally be carried out in a process step ⁇ 230>.
  • the sorbent structure 20 and the sorbent material 18 are then heat-treated in an oven in a process step ⁇ 240>, activated and thereby joined together without leaving any residue.
  • quality control ⁇ 250> and an optional treatment step such as: washing, dust removal, etc.
  • a sorbent support frame structure 26, 54 is shown in FIG. 3b). To put it simply, it represents a network structure 28 with a defined mesh size, which can consist of metal or an electrically or thermally conductive composite material, with inorganic composite materials such as ceramics being preferred because they have the required temperature resistance for heat treatment.
  • the homogenized material mixture 76 can be created from different recipes and material types. On a microscopic level, different pore sizes can occur in the inflow area of the sorbent matrix 44. The preferred pore sizes and their pore distribution mainly depend on the application.
  • the sorbent support frame structure 26, 54 can be generally planar or curved, folded or designed in any free-form surface. In combination with the sorbent material 18, a structure with various wall thicknesses can be realized or adapted to the requirements of the application.
  • the coating itself can be carried out in different ways in terms of process management. With regard to the result of the coating, it is necessary that after the coating the pore openings 56 on the sorbent support frame structure 26, 54 are freely accessible again, that is, the binder 36 is completely broken down in the sintering process.
  • the pore openings 56 serve to allow an air stream 58 to flow through the sorption element 16, with the carbon dioxide contained in the air stream being bound by adsorption in the sorption element.
  • Figure 3c shows a schematic representation of a structure of several sorbent support frame structures 26, 54, which are stacked offset from one another, so that the pore openings 56 are not covered and thus good flow with the air flow 58 can be ensured over a maximum sorbent surface, but at the same time no direct tunnel-like flow of the sorption element 16 takes place.
  • 3d shows a sorbent support frame structure 26, 54, which has an additional surface 88 on at least one side.
  • This additional surface 88 can serve, for example, as a connection for an electrical heating medium 90.
  • the additional surface can have at least one coolant channel for temperature control of the support structure 26. For this purpose, a liquid or gaseous medium is passed through the coolant channel in order to heat or cool the carrier structure 26 and the sorbent material 18 connected to the carrier structure 26 accordingly.
  • FIG. 4a shows a further exemplary embodiment of a method according to the invention for producing a sorption element 16 for such a system 10.
  • Figure 4a shows method steps of a further embodiment of a method according to the invention for producing a sorption element 16 based, for example, on a Physiosorbent material.
  • an inorganic carbon dioxide-binding sorbent material 18, in particular a zeolite, which is preferably in powder form, is provided as starting material 74 as well as a binder 36 and optionally further additives 38.
  • the starting material 74 is mixed together with the binder 36 and optionally with the additives 38 and homogenized.
  • a corresponding technology is used for molding and the sorption element 16 is molded in a method step ⁇ 320>.
  • the joined granulate structure is therefore present without support structures and can generally be planar or curved, edged or designed in any free-form surface and thickness.
  • a sandwich structure can also be created with essentially unlimited thickness, depending on the application. This requires the addition of a layering process.
  • drying can optionally take place in a process step ⁇ 330.
  • the sorption elements 16, which are also referred to as green parts before the heat treatment, are then filled into a mold and held there.
  • the mold holders and sorption elements 18 are correspondingly heat treated or activated in an oven in a process step ⁇ 340. This is followed by quality control and optional washing and/or dedusting in a process step ⁇ 350.
  • Figure 4b shows spherical sorbent elements 40, which in this exemplary embodiment are designed as so-called spherical granules 34.
  • These granules 34 can be produced, for example, by means of powder injection molding or granulation.
  • these granules 34 comprise a material matrix 42, which can be made from different recipes and material types. At the molecular level, different pore sizes can occur in the inflow area of the sorbent matrix 44.
  • Figure 4c shows a further embodiment in relation to the disclosed invention.
  • the material matrix recipe is prepared in such a way that a liquid phase is formed on the granulate surface during heat treatment. This liquid phase enables a cohesive connection 51 without closing the surface pores of individual granules 34.
  • the granules are added as a bed after production in an open mold 53 as described in Figure 4a) and heat treated so that solid contact formation takes place after cooling .
  • Figure 4c shows an ordered packing of the granules 34 after the heat treatment. A so-called sinter neck 55 is formed between the individual granules 34.
  • Fig. 4c) shows an ordered packing of the granules 34 after the heat treatment. A complete wetting occurs on the surface of the granules 34, which becomes semi-liquid during the heat treatment and, after cooling, bonds the individual granules 34 virtually firmly (sintering).
  • Figure 4d shows a disordered packing of the granules 34 after the heat treatment.
  • a so-called sinter neck 55 also forms between the individual granules 34.
  • Figure 4e shows a further spatially disordered packing of the granules 34 after the heat treatment.
  • a so-called sinter neck 55 is formed between the individual granules 34. A complete wetting occurs on the surface of the granules 34, which becomes semi-liquid during the heat treatment and, after cooling, bonds individual granules 34 virtually firmly (sintered).
  • the diameters of the granules 34 can be different in the exemplary embodiments shown in FIGS. 2 to 4. Furthermore, numerous variations of the size distribution may be possible. In addition, other material combinations are also conceivable for all variants, for example with a chemisorbent.
  • the production plant 100 includes means for providing a starting material 74 (physiosorbent) that preferably binds inorganic carbon dioxide and a binder 36.
  • the production plant 100 can additionally include means for providing additives 38.
  • the means for providing can in particular include storage containers into which the starting material 74, the binder 36 and optionally the additive 38, preferably in the form of powder or granules, are filled. Alternatively, the binder 36 and/or the additive 38 can also be supplied in the form of a liquid.
  • the production plant 100 further comprises a mixing device 60 for mixing the carbon dioxide-binding starting material 74 with the binder to form a mixture 76.
  • the production system 100 further comprises a shaping device 62 for molding a sorbent structure 20 from the mixture 76 or a coating device for coating a support structure 26 with the mixture 76.
  • the shaping device is a corresponding production machine, which is suitable for carrying out a corresponding molding or coating, and can in particular be a granulator or extruder, or an injection molding machine Coating unit and other production machines include.
  • the production system 100 can also optionally include a drying device 66 to dry the intermediate product produced with the shaping device 62.
  • the production system 100 can include an assembly device 68 in order to equip the support structure 26 with sorbent elements 40.
  • the production system 100 further comprises a heat treatment device 70 for heat treatment of the sorbent structure 20 or the coated carrier structure 26, wherein a sorbent material contained in the sorbent structure 20 or in a coating of the carrier structure 26 is solidified and/or chemically or thermally activated.
  • the heat treatment device 70 in particular includes a sintering furnace.
  • the production system 100 can also include a counter station for testing the sorption element 16 produced and a treatment device 72, for example for cleaning the sorption element 16, etc.
  • the production system 100 also has a control device 80 with a memory unit 82 and a computing unit 84, a machine-readable program code 86 being stored in the memory unit 82. If this program code 86 is executed by the computing unit 84, the control device 80 controls the method for producing a sorption element 16 described in the previous section.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sorptionselements (16) zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft. Das Verfahren umfasst: - Bereitstellen eines Kohlenstoffdioxid bindenden Ausgangsmaterials (74) und eines Bindemittels (36), - Vermischen des Kohlenstoffdioxid bindenden Ausgangsmaterials (74) mit dem Bindemittel (36) zu einem Gemisch (76), - Abformen einer Sorbentmittelstruktur (20) aus dem Gemisch (76) oder Beschichten einer Trägerstruktur (26) mit dem Gemisch (76), - Wärmebehandlung der Sorbentmittelstruktur (20) oder der beschichteten Trägerstruktur (26), wobei ein in der Sorbentmittelstruktur (20) oder in einer Beschichtung der Trägerstruktur (26) enthaltendes Sorbentmaterial (18) verfestigt und/oder chemisch aktiviert wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Sorptionselement (16), welches nach einem solchen Verfahren hergestellt ist, sowie eine Produktionsanlage (100) zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Description

Beschreibung
Verfahren und Anlage zur Herstellung eines Sorptionselements zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung eines Sorptionselements zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid (CO2) aus der Umgebungsluft sowie ein mit einem solchen Verfahren hergestelltes Sorptionselement gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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.
Eine Möglichkeit, diese Kohlenstoffdioxidemissionen zu kompensieren, stellt ein Abscheiden von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft dar. Ein solches Verfahren wird auch als Direct- Air-Capture-Verfahren bezeichnet und ist geeignet, den Anteil an Kohlenstoffdioxid in der Atmosphärenluft zu reduzieren. Alternativ oder zusätzlich lassen sich die Kohlenstoffdioxidemissionen kompensieren, indem Kohlenstoffdioxid dauerhaft in einem Speicher, insbesondere in einer Gesteinsschicht eingelagert wird und somit nicht in die Atmosphäre gelangt.
Prinzipiell sind Anlagen und Verfahren zum Abscheiden von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft bekannt. Eine solche Abscheidung kann beispielsweise nach dem sogenannten „Direct Air Capture“-Verfahren durchgeführt werden, wobei das Kohlenstoffdioxid unmittelbar aus der Umgebungsluft abgeschieden und einem weiteren Prozess zugeführt werden kann.
Die meisten bekannten Verfahren zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft arbeiten mit einem zyklischen Prozess unter Anwendung einer Kombination aus Druck und Temperaturwechseln. Dabei wird in der Atmosphärenluft befindliches Kohlenstoffdioxid in einem ersten Prozessschritt in einem Sorptionselement gebunden, wodurch der in der Atmosphärenluft befindliche Kohlenstoffdioxidanteil reduziert wird. Das in dem Sorptionselement gebundene Kohlenstoffdioxid kann in einem zweiten Prozessschritt wieder freigesetzt und entweder eingespeichert oder einem weiterem Verfahren zugeführt werden, in welchem das freigesetzte Kohlenstoffdioxid als Ausgangsstoff benötigt wird. Durch die Entwicklung von geeigneten Adsorptionsmaterialien sowie deren technischer Umsetzung in entsprechenden Adsorptionsanlagen soll eine effiziente und energetisch effektive Abscheidung von Kohlenstoffdioxid ermöglicht werden.
Eine Herausforderung ist die Entwicklung von effizienten Adsorptionssystemen, bei denen die Sorptionselemente technisch so angeordnet und/oder ausgebildet sind, dass zum einen die Adsorption und Desorption von Kohlenstoffdioxid optimal abläuft und zum anderen ein vergleichsweise kostengünstiges Anlagenkonzept umgesetzt werden kann. Dabei beeinflussen insbesondere die Aufheiz- und Abkühlphasen die Prozesskosten, während die Ausgestaltung des Sorptionselements und des Prozessraumes die Anlagenkosten beeinflussen. Physische Sorbentmaterialien, insbesondere Zeolithe , eignen sich aufgrund ihrer Robustheit besonders gut als Adsorber für die Abscheidung von Kohlenstoffdioxid. Solche anorganischen Sorptionsmaterialen weisen jedoch vergleichsweise lange Aufheiz- und Abkühlphasen zwischen der Adsorption und der nachfolgenden Desorption des Kohlenstoffdioxids auf, führen somit zu einer verminderten Effektivität und verursachen eine lange Zykluszeit und damit verbunden einen erhöhten Energieverbrauch. Des Weiteren wird für die mechanischen Strukturen, welche die Adsorptionsmaterialien halten, viel Material benötigt, was zu hohen Anlagenkosten führt. Alternativ können auch als Sorbentmaterial auch sogenannte Chemiesorbenten sowie Verbundadsorptionsmittel genutzt werden. Solche Sorbentmaterialien können beispielsweise durch eine Imprägnierung mit K2CO3, binärem eutektischen Gemisch (KNO3 und UNO3), NaNOs, AI2O3, ZrC>2, TiC>2, MnC>2, ZnO, ionische Flüssigkeit (IL), und wässriges Amin (d.h., Tetraethylenpentamin (TEPA), Poly(allylamin) (PAA), Poly(ethylenimin) (PEI), Ethylendiamin (EDA), Diethylentriamin (DETA), Pentaethylenhexamin (PEHA), Aminopropyl (AP) und ähnliche Stoffe hergestellt werden
Aus dem Stand der Technik sind Lösungen bekannt, bei denen ein Granulat eines Sorbentmaterials in eine entsprechende Trägerstruktur, insbesondere eine Behälterstruktur in der Adsorptionskammer der Anlage eingefüllt wird.
Die US 2013/0312603 A1 beschreibt ein Sorbentmaterial für die zyklische Aufnahme und Abgabe eines Gases mit einer selbsttragenden Struktur, welche durch Sintern einer Mischung aus einem pulverförmigen Adsorptionsmittel und Polyethylen-Teilchen mit einem Molekulargewicht von mindestens 40.000 g/mol hergestellt wird. Aus der WO 2007/054255 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer sorbenthaltigen Beschichtung auf einem Träger bekannt, welches die Bereitstellung eines Sorbens und mindestens einer haftungsvermittelnden Komponente umfasst, wobei die mindestens eine haftungsvermittelnde Komponente in flüssiger oder gelöster Form eingesetzt wird. Ferner wird ein Träger bereitgestellt und die Zusammensetzung auf den Träger aufgebracht, wobei während oder nach dem Aufbringen eine Temperaturbehandlung bei einer Temperatur zwischen 100°C und 500°C und einem gegenüber dem Umgebungsdruck verringerten Druck erfolgt.
Die US 8992884 B2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von kristallinem Aluminosilikat- Zeolith aus einer Reaktionsmischung, die nur ausreichend Wasser zur Herstellung von X- Zeolith enthält. In einer Ausführungsform ist das Reaktionsgemisch selbsttragend und kann, falls gewünscht, geformt werden. Bei dem Verfahren wird das Reaktionsgemisch bei Kristallisationsbedingungen und in Abwesenheit einer zugesetzten externen flüssigen Phase erhitzt, sodass überschüssige Flüssigkeit vor dem Trocknen der Kristalle nicht aus dem kristallisierten Produkt entfernt werden muss.
Nachteilig an den bekannten Lösungen ist jedoch, dass loses Granulat bei der Montage vergleichsweise umständlich in der Handhabung ist und beim Einfüllen neben den gewünschten Prozessraum gestreut werden kann. Ferner führt eine Haltestruktur dazu, dass weniger Gas den Prozessraum durchströmen kann und die Aufnahme von Kohlenstoffdioxid durch die Haltestruktur verringert wird. Zudem ist die Flächennutzung durch die Haltestruktur und sich überlappende Trägerstrukturen verringert.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, Kohlenstoffdioxid auf vergleichsweise einfache und kostengünstige Art und Weise aus der Umgebungsluft abzuscheiden und die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Sorptionselements zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft gelöst, welches folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines Kohlenstoffdioxid bindenden Ausgangsmaterials und eines Bindemittels, Vermischen des Kohlenstoffdioxid bindenden Ausgangsmaterials mit dem Bindemittel zu einem Gemisch, Abformen einer Sorbentmittelstruktur aus dem Gemisch oder Beschichten einer Trägerstruktur mit dem Gemisch, Wärmebehandeln der Sorbentmittelstruktur oder der beschichteten Trägerstruktur, wobei ein in der Sorbentmittelstruktur oder der beschichteten Trägerstruktur enthaltenes Sorbentmaterial (18) verfestigt und/oder chemisch aktiviert wird.
Unter einem Kohlenstoffdioxid bindenden Ausgangsmaterial ist ein Stoff zu verstehen, welcher bei Temperaturen von -20°C bis 50°C, vorzugsweise bei Temperaturen von 0°C - 30°C und Umgebungsdruck Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft physisch und/oder chemisch adsorbiert und das gebundene Kohlenstoffdioxid bei höheren Temperaturen und/oder niedrigerem Druck und/oder Vakuum wieder freisetzt. Unter einem Bindemittel ist ein Hilfsstoff zu verstehen, welcher eine dauerhafte stoffschlüssige Verbindung des Sorptionselements des Ausgangsmaterials miteinander oder mit einer Trägerstruktur ermöglicht. Das Bindemittel ist vorzugsweise in dem Ausgangsmaterial zur Herstellung des Sorptionselements enthalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine vereinfachte Handhabung bei der Montage und den Austausch einer Adsorptionseinheit nach notwendige Wartung oder Sorbentwechsel in einer Anlage zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft. Die Anlage kann für einen Batchbetrieb ausgelegt sein, bei welchem in einer Sorbentaufnahmekammer zunächst eine Adsorbtion von Kohlenstoffdioxid und nachfolgend eine Desorption des gespeicherten Kohlenstoffdioxids erfolgt. Alternativ kann die Anlage auch als kontinuierliche Anlage konzipiert sein, in welcher auf eine Adsorptionszone eine Desorptionszone folgt und das Sorptionselement zur jeweiligen Zone befördert wird. Insbesondere ermöglicht das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Sorptionselement einen einfachen Wechsel von einem oder mehreren Sorptionselement(en). Ferner ermöglicht das Verfahren eine homogene und erhöhte Packungsdichte des Sorptionselements innerhalb des Anlagevolumens einer solchen Anlage durch Materialeinsparungen von Halterahmen, Haltestrukturen, Sorbentträgern und/oder weiteren Bauteilen, beispielsweise Netzen zum Halten des Sorbentmittels in einem Prozessraum zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft. Ein weiterer Vorteil besteht in einer verbesserten Kontaktbildung zwischen einem kohlenstoffdioxidhaltigen Luftstrom und dem Sorbentmaterial sowie eine maximale Flächennutzung während einer Adsorption und einer Desorption. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass den Strömungsweg versperrende Halteelemente entfallen. Ferner können durch eine selbsttragende Sorbentmittelstruktur Gewicht und Herstellungskosten reduziert werden. Ferner ermöglicht eine selbsttragende Sorbentmittelstruktur eine Vielfalt von möglichen Formen und Geometrien, wobei insbesondere Freiformflächen, Aussparungen, Wölbungen, Vorsprünge und andere geometrische Flächen möglich sind und die Form nicht wie beim Stand der Technik auf eine planare Plattengeometrie beschränkt ist. Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Sorptionselement ermöglicht insbesondere eine Verkürzung der Rüstzeiten bei einer Anlagewartung und einem Sorbentwechsel.
Darüber hinaus wird das Sorbentmaterial auf eine Trägerstruktur aufgebracht, welche eine viel bessere Wärme- und elektrische Leitfähigkeit hat als das Sorbentmaterial und somit eine bessere und schnellere Wärmeverteilung bei einer variothermen Prozessführung ermöglicht, wodurch der Energiebedarf für die Anlage gesenkt werden kann. Ferner kann auf einfache Art und Weise eine Integration einer elektrischen Heizung und/oder eines Wärmetauschers in die Trägerstruktur erfolgen. Dadurch kann eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit für eine energetisch optimierte Prozessführung bei Desorption und Adsorption erzielt werden, insbesondere durch eine direkte Einkopplung von elektrischer Heizleistung in die Trägerstruktur des Sorptionselement. Zudem reduziert ein durch die Wärmebehandlung fixiertes Granulat das Risiko der „Lückenbildung“ durch zufällige Verteilung des Sorbentmaterials und gegebenenfalls eine unzureichende Füllung des Prozessraums, sodass die Gefahr eines Durchströmens des Luftstroms durch den Prozessraum ohne eine Bindung des Kohlenstoffdioxid durch das Sorbentmaterial minimiert wird. Als Materialien für die Trägerstruktur kommen sämtliche Materialien mit einer guten elektrischen Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit in Frage, insbesondere Aluminium, Kupfer, rostfreie Edelstähle, Graphit, etc.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten zusätzlichen Merkmale sind vorteilhafte Weiterentwicklungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch vorgeschlagenen Verfahrens zur Herstellung eines Sorptionselements zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft möglich.
In einer Verbesserung des Verfahrens vorgesehen, dass nach der Wärmebehandlung der Sorbentmittelstruktur oder der beschichteten Trägerstruktur das Sorptionselement durch Mikrostrahlen der Oberfläche, Reinigung oder einen ähnlichen Prozess behandelt wird . Durch einen Behandlungsprozess können während des Herstellverfahrens auf der Sorbentmittelstruktur anhaftender Staub sowie nicht fest mit der Sorbentmittelstruktur verbundene Partikel entfernt werden. Solche Verunreinigungen können dazu führen, dass die Aufnahmefähigkeit des Sorbentmaterials für Kohlenstoffdioxid herabgesetzt ist. Durch einen Behandlungsschritt zum Ende des Herstellungsprozesses kann die Aufnahme- und Bindungsfähigkeit für Kohlenstoffdioxid erhöht werden. Insbesondere können auch verschlossene Poren des Sorbentmaterials durch den Behandlungsprozess geöffnet werden, wodurch die Aufnahmekapazität des Sorbentmanterials für Kohlenstoffdioxid erhöht werden kann. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Ausgangsmaterial in Form von Pulver, als ein Granulat oder als Kugeln eines Kohlenstoffdioxid bindenden Sorbentmaterials zugeführt wird. Ein Pulver kann besonders fein zermahlen werden und erlaubt damit eine besonders einfache und homogene Durchmischung mit dem Bindemittel, um eine stoffschlüssige Verbindung mit der Trägerstruktur herzustellen. Dadurch kann ein besonders homogenes Gemisch hergestellt werden, mit welchem die Trägerstruktur benetzt oder beschichtet wird. Dies ermöglicht eine besonders hohe und gleichmäßige Aufnahme von Kohlenstoffdioxid in der Adsorptionsphase. Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Ausgangsmaterial Kugeln umfasst. Diese Kugeln können auf vergleichsweise einfache Art und Weise mit dem Bindemittel vermischt werden, um mittels eines nachfolgenden Wärmebehandlungsprozesses, insbesondere eines Sinterprozesses, eine selbsttragende Sorbentmittelstruktur auszubilden.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das Ausgangsmaterial ein anorganisches Sorbentmaterial umfasst oder ist. Anorganische Sorbentmaterialien weisen gegenüber organischen Sorbentmaterialien einen höhere Bindungsfähigkeit für Kohlenstoffdioxid und somit eine höhere Effizienz in der Anlage auf. In einer alternativen Ausgestaltung können jedoch auch organische Sorbentmaterialen verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Ausgangsmaterial ein organisches Polymer Compoundmaterial umfasst oder ist.
In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass zusätzlich zu dem Ausgangsmaterial und dem Bindemittel ein oder mehrere Additiv(e) bereitgestellt und mit dem Ausgangsmaterial und dem Bindemittel zu einem Gemisch vermischt werden. Durch Additive kann eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Ausgangsmaterial und der Trägerstruktur oder das Ausbilden einer selbsttragenden Sorbentmittelstruktur weiter erleichtert werden. Insbesondere können durch Additive die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Sorbentmittel und der Trägerstruktur oder den Sorbentmittelteilen untereinander verbessert werden, eine Aktivierung des Sorbentmittels erleichtert und/oder die Aufnahmefähigkeit von Kohlenstoffdioxid erhöht werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Trägerstruktur an zumindest einer Seite eine Zusatzfläche umfasst. Diese Zusatzfläche kann beispielsweise als Anschluss für die Realisierung des Aufheizens, insbesondere zum induktiven Aufheizen der Trägerstruktur benutzt werden, um eine über das Sorptionselement homogene Temperaturverteilung zu erreichen und/oder ein schnelles Aufheizen des Sorptionselements zu ermöglichen. Zudem kann die Zusatzfläche im Herstellungsprozess genutzt werden, um die Trägerstruktur zu greifen und somit die Beschichtung der Trägerstruktur zu erleichtern.
Alternativ kann die Zusatzfläche zumindest einen Kühlmittelkanal zur Temperierung der Trägerstruktur aufweisen. Dabei ist die Zusatzfläche vorzugsweise als Wärmetauscher ausgebildet, welcher eine effiziente Aufheizung oder Abkühlung der T rägerstruktur durch das Kühlmittel ermöglicht.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Zusatzfläche frei von einer Beschichtung ausgebildet ist. Dadurch ist es besonders einfach, eine Handlingsfläche oder eine elektrische Kontaktfläche am Trägerelement auszubilden.
Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Zusatzfläche dazu eingerichtet ist, ein oder mehrere elektrische Heizmittel in die Trägerstruktur einzukoppeln. Durch das Einkoppeln eines elektrischen Heizelements ist ein besonders schnelles und effektives Aufheizen des Sorptionselements möglich.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Sorptionselement eine Vielzahl von Sorbentelementen umfasst, wobei die Sorbentelemente stoffschlüssig mit der Trägerstruktur und/oder miteinander verbunden sind. Dadurch kann eine engmaschige Struktur aus Sorbentelementen dargestellt werden, welche eine besonders effiziente Adsorption und nachfolgende Desorption von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft ermöglichen.
Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft ein Sorptionselement zur Adsorption und Desorption von Kohlenstoffdioxid in der Anlage zum Abtrennen von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft, welches mit einem in den vorstehenden Abschnitten beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Ein solches Sorptionselement ermöglicht eine vereinfachte Handhabung bei der Montage und den Austausch einer Adsorptionseinheit einer Anlage zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft. Die Anlage kann für einen Batchbetrieb ausgelegt sein, bei welchem in einer Sorbentaufnahmekammer zunächste ein Adsorbtion von Kohlenstoffdioxid und nachfolgend eine Desorption des gespeicherten Kohlenstoffdioxids erfolgt. Alternativ kann die Anlage auch als kontinuierliche Anlage konzipiert sein, in welcher auf eine Adsorptionszone eine Desorptionszone folgt und das Sorptionselement zur jeweiligen Zone befördert wird. Insbesondere ermöglicht das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Sorptionselement einen einfachen Wechsel von einem oder mehreren Sorptionselement(en). Darüber hinaus wird eine bessere und schnellere Wärmeverteilung bei einer variothermen Prozessführung erreicht, wodurch der Energiebedarf für die Anlage gesenkt werden kann. Ferner kann auf einfache Art und Weise eine Integration einer elektrischen Heizung und Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit für eine energetisch optimierte Prozessführung bei Desorption und Adsorption erzielt werden, insbesondere durch eine direkte Einkopplung von elektrischer Heizleistung in das Sorptionselement. Zudem reduziert ein durch die Wärmebehandlung fixiertes Granulat das Risiko der „Lückenbildung“ durch zufällige Verteilung des Sorbentmaterials und gegebenenfalls eine unzureichende Füllung des Prozessraums, sodass die Gefahr eines Durchströmens des Luftstroms durch den Prozessraum ohne eine Bindung des Kohlenstoffdioxid durch das Sorbentmaterial minimiert wird. Zudem kann das Sorptionselement in quasi beliebigen geometrischen Formen realisiert werden und durch den Verzicht auf Traggitter, Netze oder weitere Halteelemente einfacher und kostengünstiger ausgeführt werden. Ferner erleichtert sich die Montage der Anlage, da im Montageprozess kein Sorbentmittel in die Hohlräume der Tragstruktur des Sorptionselements eingefüllt werden muss.
Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft eine Produktionsanlage zur Herstellung eines Sorptionsmittels. Die Produktionsanlage umfasst mindestens: Mittel zum Bereitstellen eines Kohlenstoffdioxid bindenden Ausgangsmaterials und eines Bindemittels, eine Mischvorrichtung zum Vermischen des Kohlenstoffdioxid bindenden Ausgangsmaterials mit dem Bindemittel zu einem Gemisch, eine Formgebungsvorrichtung zum Abformen einer Sorbentmittelstruktur aus dem Gemisch oder eine Beschichtungsvorrichtung zum Beschichten einer Trägerstruktur mit dem Gemisch, und eine Wärmebehandlungsvorrichtung zur Wärmebehandlung der Sorbentmittelstruktur oder der beschichteten Trägerstruktur, wobei ein in der Sorbentmittelstruktur oder in einer Beschichtung der Trägerstruktur enthaltenes Sorbentmittel verfestigt und/oder chemisch aktiviert wird.
Eine solche Produktionsanlage ermöglicht auf einfache Art und Weise die Herstellung eines erfindungsgemäßen Sorptionselementes. Insbesondere kann der Herstellungsprozess mit einer solchen Produktionsanlage weitestgehend automatisiert werden, wodurch die Taktzeiten und die Herstellkosten für das Sorptionselement minimiert werden können.
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:
Figur 1 eine Anlage zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft,
Figur 2 ein erstes Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Herstellung eines Sorptionselements zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft,
Figur 3 ein zweites Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Herstellung eines Sorptionselements zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft,
Figur 3 ein drittes Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Herstellung eines Sorptionselements zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft,
Figur 4 ein Sorptionselement, welches mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, und
Figur 5 eine Produktionsanlage zur Herstellung eines erfindungsgemäßen
Sorptionselements.
Figur 1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Direct-Air-Capture Anlage 10 zum Abtrennen von Kohlenstoffdioxid aus einer Umgebungsluft in einer schematischen Darstellung. Die Anlage umfasst einen Prozessraum 12, in welchem eine Adsorptionskammer 14 zur Adsorption von Kohlenstoffdioxid angeordnet ist. Die Adsorptionskammer 14 umfasst mindestens ein Sorptionselement 16 mit einem kugelförmigen Sorbentmaterial 18, in diesem Fall einem sogenannten Chemisorbent, welches Kohlenstoffdioxid chemisch bindet und aus der Umgebungsluft entfernt. Als Sorbentmaterial 18 sind insbesondere aminfunktionalisierte, poröse Materialen geeignet. Das Sorbentmaterial 18 wird als Festbettschüttung in der Adsorptionskammer 14 bevorratet. Dazu ist ein Tragrahmen 98 zur Aufnahme des Sorbentmaterials vorgesehen, in welchen das Sorbentmaterial 18 gefüllt wird. Die in dem Prozessraum 12 angeordnete Adsorptionskammer 14 ist durch eine Temperierungseinheit 92, insbesondere durch einen Wärmetauscher, aufheizbar. Der Prozessraum 12 weist einen Einlass auf, durch welchen Umgebungsluft in den Prozessraum 12 einströmen kann. Die Anlage 10 umfasst ferner einen Strömungserzeuger 94, insbesondere ein Gebläse, um einen Luftstrom der Umgebungsluft durch den Prozessraum 12 zu leiten. Am Prozessraum 12 ist ferner eine Druckminderungseinheit 96 vorgesehen, um den Prozessraum 12 zumindest teilweise zu evakuieren und den Absolutdruck im Prozessraum 12 unter den Umgebungsdruck abzusenken.
Der Prozessraum 12 umfasst ferner einen ersten Auslass, welcher vorzugsweise mit der Umgebung verbunden ist und einen zweiten Auslass, über weichen ein kohlenstoffdioxidreicher Gasstrom aus dem Prozessraum 12 abgeführt werden kann. Der Einlass, der erste Auslass und der zweite Auslass sind über entsprechende Einlass- und Auslassventile verschließbar, um den Prozessraum 12 gasdicht von der Umgebung abzuschließen. Das Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft wird auf bekannte Art und Weise zunächst in der Adsorptionskammer 14 im Sorbentmaterial aufgenommen und in einem folgenden Prozessschritt Desorption durch Temperatur- und Druckwechsel oder durch Zufuhr von Wasserdampf wieder aus dem Sorbentmaterial gelöst.
In Figur 2a ist ein erstes Beispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Sorptionselements 16 basierend auf einem Physiosorbentmaterial für eine solche Anlage 10 dargestellt. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen <100> eines Kohlenstofffdioxid bindenden Ausgangmaterials 74, welches vorzugsweise als ein Pulver 32 eines Zeolith ausgebildet ist sowie das Bereitstellen eines Bindemittels 36. Das Ausgangsmaterial 74 und das Bindemittel 36 sowie gegebenenfalls ein oder mehrere Additiv(e) 38 werden in einem Verfahrensschritt <110> zu einem Stoffgemisch 76 vermischt, wobei eine möglichst homogene Vermischung der Komponenten 36, 38, 74 angestrebt wird. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt <120> erfolgt die Herstellung von einzelnen Sorbentmaterialteile z.B. kugelförmige Granulate 34, welche insbesondere ein Extrudieren, Granulieren, Pulverspritzgießen sowie weitere Verfahrensschritte umfassen kann. In einem darauffolgenden Verfahrensschritt <130> können kugelförmige Granulate 34 oder das Gemisch 76 optional getrocknet werden. An die Trocknung schließt sich ein Prozessschritt <140> an, bei welchem die Trägerstruktur 26 mit dem Gemisch 76 oder einem aus dem Gemisch hergestellten Zwischenprodukt z.B. kugelförmige Granulate 34 bestückt wird, um eine möglichst dichte Sorbentmittelstruktur 20 auszubilden. Auf diesen Prozessschritt folgt eine Wärmebehandlung <150>, welche insbesondere einen Sinterprozess zur stoffschlüssigen Verbindung des Gemischs 76 oder des aus dem Gemisch hergestellten Zwischenprodukts mit der Trägerstruktur 26 und/oder ein thermisches Aktivieren des Sorbentmaterials 18 umfasst. Anschließend kann eine Qualitätskontrolle <160> des Sorptionselements 16 erfolgen, der ein Behandlungsprozess vor- oder nachgeschaltet ist, um Staub, Produktionsrückstände und lose Partikel von dem Sorptionselement zu entfernen.
Figur 2a zeigt Verfahrensschritte der offenbarten Erfindung. Das Sorbentmaterial 18 wird in Pulverform mit einem oder mehreren Bindemitteln 36 und gegebenenfalls weiteren Additiven 38 zusammengemischt und homogenisiert. In Abhängigkeit von der finalen Geometrie der Sorptionselemente 16 (Strangprofil Plattenform, Freiformfläche, Sandwich etc.) wird eine entsprechende Technologie zur Abformung einer Sorbentmittelstruktur 20 herangezogen. Nach der Abformung der Sorbentelemente 40 kann optional eine Trocknung erfolgen. Danach werden Sorbentelemente 40, welche vor einer Wärmebehandlung auch als Grünteile bezeichnet werden, an der Trägerstruktur 26 angebracht und optional leicht angepresst. Abschließend werden die Trägerstrukturen 26 inklusive der Sorbentelemente 40 in einem Ofen, welcher als kontinuierlicher betriebener Bandofen oder als Batch-Ofen ausgebildet sein kann, entsprechend wärmebehandelt. Dabei erfolgt im Rahmen der Wärmebehandlung ein Sinterprozess, bei dem die Sorbentelemente 40 stoffschlüssig mit der Trägerstruktur 26 und/oder miteinander verbunden werden. Anschließend erfolgt eine Qualitätskontrolle und optional ein Behandlungsvorgang, insbesondere ein Prozess zum Waschen und/oder Entstauben der Sorptionselemente 16.
Ferner ist in Figur 2b eine konkrete Ausführung des erfindungsgemäßen Sorptionselements 16 dargestellt. Dabei sind kugelförmige Sorbentelemente 40 dargestellt, welche insbesondere aus Granulaten beispielsweise mittels Granulierens oder Extrusion hergestellt sind. Die Granulate 34 umfassen eine Material matrix 42, die aus unterschiedlichen Rezepturen und Materialtypen erstellt werden kann. Auf mikroskopischer Ebene treten dabei unterschiedliche Porengrößen im Anströmbereich einer Sorbentmatrix 44 auf. Die Kugeln 40 des Sorbentmaterials 18 werden wie oben kurz beschrieben nach der Herstellung an einer Sorbentmittelstruktur 20 mit einer entsprechenden Vorrichtung angebracht, so dass die einzelnen Sorbentelemente 40 eine freie Stelle 46 an der Sorbentmittelstruktur 20 besetzen bzw. sich positionieren/fixieren. Die Sorbentmittelstruktur 20 stellt vereinfacht ausgedrückt eine Netzstruktur 28 mit einer definierten Maschenweite dar, die aus Metall oder einem elektrisch und wärmeleitenden Verbundmaterial sein kann.
Die Sorbentmittelstruktur 20 kann generell planar oder gewölbt, gekantet oder in jeder freiförmigen Fläche ausgeführt sein. Im Verbund mit den Sorbentelementen 40 kann eine Sandwichstruktur mit prinzipiell unbegrenzter, je nach Anwendungsfall notwendiger Dicke erstellt werden. Die Details in Figur 2c zeigen eine vergrößerte Darstellung von einem Sorbentelement 40, das auf eine Trägerstruktur 26, insbesondere eine Netzstruktur 28 bestückt wurde. Fig. 2c stellt einen Ausgangszustand der Sorbentelemente 40 auf der Trägerstruktur 26 vor der Wärmebehandlung, d.h. vor dem Sinterprozess, dar. Fig 2b offenbart den Zustand der Sorbentelemente 40 nach der Wärmebehandlung, wobei hier eine starre Fügeverbindung 48 zwischen der Trägerstruktur 26 und dem Sorbentmaterial 18 hergestellt ist, ohne die Porosität des Sorbentmaterials 18 zu beeinflussen. Die Mikroporen des Sorbentmaterials 18 müssen offen bleiben, damit ein Luftstrom das Sorbentmaterial 18 durchströmen kann. Die Ecken 50 der Trägerstruktur 26 sollen weiterhin offen bleiben, damit eine gute und kontrollierte Luftströmung bei der Prozessführung gewährleistet werden kann.
Figur 2d zeigt eine weitere konstruktive Ausführung, wobei an der Netzstruktur 28 hier zusätzlich ein Dorn ausgebildet ist. Auf dem Dorn werden quasi Kugeln 40 des Sorbentmaterials 18 jeglicher Geometrie draufgesteckt und so fixiert. Die in den Figuren 2b bis 2e dargestellte Ausführungsform bietet den Vorteil, dass das Sorbentmaterial 18 mit einem Material direkt kontaktiert und so eine viel bessere elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit hat, was Prozessführung bei Desorption und Adsorption energetisch attraktiver macht. Alternativ kann das Sorbentmaterial 18 auch in Form von Sorbentpellets ausgebildet werden. Zur Herstellung solcher Sorbentpellets kann insbesondere ein Extrudieren, Granulieren oder Pulverspritzguss herangezogen werden. In Bezug auf die Herstellungsverfahren gilt die gleiche Vorgehensweise wie in den vorhergehenden Abschnitte beschrieben. Dabei wird die Trägerstruktur 26 mit Sorbentpellets bestückt.
Eine weitere Ausführung nach der offenbarten Erfindung wäre eine in Figur 2d dargestellte hülsenförmige Ausführung des Sorbentelements 40. Diese Ausführung hätte den Vorteil, dass die aktive Oberfläche des Materials vergrößert wird und dass die Diffusionswege kürzer werden, was besonders die Desorption erleichtern und beschleunigen kann. Die Sorbentelemente 40 in Form einer Hülse könnten z.B. durch Extrudieren oder Pulverspritzguss hergestellt werden. Das Herstellungsverfahren hätte die gleiche Vorgehensweise wie in den vorhergehenden Abschnitten dargestellt.
Weiter gehen wir in Figur 2e davon aus, dass eine Sorbentmitteltragrahmenstruktur 26, 54 auf mindestens einer oder mehreren Seiten eine Zusatzflächen 88 aufweist. Diese Zusatzfläche 88 kann beispielsweise als Anschluss für die Realisierung des Aufheizens der Trägerstruktur 26 benutzt werden, um eine homogenere Desorptionstemperatur schneller zu erreichen. Weiterer Vorteil wäre auch eine vereinfachte Montage der Adsorptionskammer 14 für die Anlage 10.
Für eine produktionstechnisch bevorzugte Lösung kann die Sorbentmitteltragrahmenstruktur 26, 54 in einem Werkzeug als Einlegeteil gefügt werden und danach entsprechend die Materialmatrix des Sorbentmaterials 18 aufgebracht werden. Anschließend folgt optional eine Trocknung und danach eine Wärmebehandlung beziehungsweise Verfestigung beziehungsweise Versinterung des Sorptionsmaterials 18 auf der Sorbentmitteltragrahmenstruktur 26, 54. Alternativ oder zusätzlich kann die Zusatzfläche 88 herstellungstechnisch so ausgebildet sein, dass sich ein flüssiges Medium in einem geschlossenem Kreis befinden kann und zum Heizen/Kühlen der Trägerstruktur 26 sowie des mit der Trägerstruktur 26 verbundenen Sorbentmaterials 18 herangezogen werden kann.
In Figur 3a ist ein zweites Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Sorptionselements 16 basierend beispielsweise auf einem Physiosorbentmaterial für eine solche Anlage 10 dargestellt. Figur 3 beschreibt die Verfahrensschritte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Sorptionselements 16. Dabei werden in einem Verfahrensschritt <200> ein anorganisches Kohlenstoffdioxid- Adsorbermaterial wie beispielsweise Zeolith, welches vorzugsweise in Pulverform vorliegt, und ein oder mehrere Bindemittel 36 und gegebenenfalls Additive 38 bereitgestellt und in einem Verfahrensschritt <210> zusammengemischt und homogenisiert. Das so hergestellte Materialgemisch 76 des Sorbentelements 40 wird in einem Verfahrensschritt <220> durch unterschiedliche Beschichtungsverfahren an einer Trägerstruktur 26 an- und/oder aufgebracht. Nach der Beschichtung kann in einem Verfahrensschritt <230> optional eine Trocknung durchgeführt werden. Danach werden die Sorbentmittelstruktur 20 mit dem Sorbentmaterial 18 in einem Verfahrensschritt <240> einem Ofen entsprechend wärmebehandelt, aktiviert und dadurch rückstandslos aneinander gefügt. Abschließend folgt die Qualitätskontrolle <250> und ein optionales Behandlungsschritt wie z.B: Waschen, und Entstauben etc.
In Figur 3b) ist eine Sorbentmitteltragrahmenstruktur 26, 54 dargestellt. Sie stellt vereinfacht gesagt eine Netzstruktur 28 mit einer definierten Maschenweite dar, die aus Metall oder einem elektrisch oder wärmeleitenden Verbundmaterial bestehen kann, wobei anorganische Verbundmaterialien wie zum Beispiel Keramiken zu bevorzugen sind, da sie über die erforderliche Temperaturbeständigkeit für die Wärmebehandlung verfügen. Das homogenisierte Materialgemisch 76 kann aus unterschiedlichen Rezepturen und Materialtypen erstellt werden. Auf mikroskopischer Ebene können dabei unterschiedliche Porengrößen im Anströmbereich der Sorbentmatrix 44 auftreten. Die zu bevorzugenden Porengrößen und deren Porenverteilung sind hauptsächlich vom Anwendungsfall abhängig. Die Sorbentmitteltragrahmenstruktur 26, 54 kann generell planar oder gewölbt, gekantet oder in jeder freiförmigen Fläche ausgeführt sein. Im Verbund mit dem Sorbentmaterial 18 kann eine Struktur mit diversen Wandstärken realisiert werden beziehungsweise in Bezug auf die Anforderung der Anwendung angepasst werden.
Die Beschichtung selber kann seitens der Prozessführung auf unterschiedliche Art und Weise durchgeführt werden. Bezüglich des Ergebnisses der Beschichtung ist es notwendig, dass nach der Beschichtung die Porenöffnungen 56 an der Sorbentmitteltragrahmenstruktur 26, 54 wieder frei zugänglich sind, das heißt das Bindemittel 36 im Sinterprozess vollständig abgebaut wird. Die Porenöffnungen 56 dienen dazu, dass ein Luftstrom 58 das Sorptionselement 16 durchströmen kann, wobei das im Luftstrom enthaltene Kohlenstoffdioxid durch Adsorption in dem Sorptionselement gebunden wird.
Die Figur 3c zeigt eine Prinzipdarstellung eines Aufbaus von mehreren Sorbentmitteltragrahmenstrukturen 26, 54, die aufeinander versetzt gestapelt sind, sodass die Porenöffnungen 56 nicht abgedeckt sind und damit gute Durchströmung mit dem Luftstrom 58 über eine maximale Sorbentoberfläche gewährleistet werden kann, aber zugleich keine direkte tunnelartige Durchströmung des Sorptionselements 16 erfolgt.
In Figur 3d ist eine Sorbentmitteltragrahmenstruktur 26, 54 dargestellt, welche auf mindestens einer Seite eine Zusatzfläche 88 hat. Diese Zusatzfläche 88 kann beispielsweise als Anschluss für ein elektrisches Heizmittel 90 dienen. Ferner kann die Zusatzfläche mindestens einen Kühlmittelkanal zum Temperieren der Trägerstruktur 26 aufweisen. Dazu wird ein flüssiges oder gasförmiges Medium durch den Kühlmittelkanal geleitet, um die Trägerstruktur 26 und das mit der Trägerstruktur 26 verbundene Sorbentmaterial 18 entsprechend aufzuheizen oder zu kühlen.
In Figur 4a ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Sorptionselements 16 für eine solche Anlage 10 dargestellt.
Figur 4a zeigt Verfahrensschritte einer weiteren Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Sorptionselements 16 basierend beispielsweise auf einem Physiosorbentmaterial. Dabei werden in einem Verfahrensschritt <300 ein anorganisches Kohlenstoffdioxid bindendes Sorbentmaterial 18, insbesondere ein Zeolith, welches vorzugsweise in Pulverform vorliegen, als Ausgangsmaterial 74 sowie ein Bindemittel 36 und gegebenenfalls weitere Additive 38 bereitgestellt. In einem Verfahrensschritt <310> werden das Ausgangmaterial 74 mit dem Bindemittel 36 und gegebenenfalls mit den Additiven 38 zusammengemischt und homogenisiert. In der Abhängigkeit von der finalen Geometrie des Sorptionselements 16 wird eine entsprechende Technologie zur Abformung herangezogen und das Sorptionselement 16 in einem Verfahrensschritt <320> abgeformt. Die gefügte Granulatstruktur liegt so ohne Trägerstrukturen vor und kann generell planar oder gewölbt, gekantet oder in jeder freiförmigen Fläche und Dicke ausgeführt sein. Im Verbund mit anders gearteten Zwischenschichten, beispielweise Zwischenschichten zur Kühlung oder Aufheizung kann zudem eine Sandwichstruktur mit prinzipiell unbegrenzter, je nach Anwendungsfall notwendiger Dicke erstellt werden. Dies erfordert eine Prozessergänzung um einen Schichtungsprozess. Nach der Abformung kann optional in einem Verfahrensschritt <330 eine Trocknung erfolgen. Anschließend werden die Sorptionselemente 16, welche vor der Wärmebehandlung auch als Grünteile bezeichnet werden, in eine Form eingefüllt und dort gehalten. Abschließend werden die Formhalter und Sorptionselemente 18 in einem Ofen in einem Verfahrensschritt <340 entsprechend wärmebehandelt bzw. aktiviert. Danach folgt in einem Verfahrensschritt <350 eine Qualitätskontrolle und ein optionales Waschen und/oder Entstauben.
Figur 4b zeigt kugelförmige Sorbentelemente 40, welche in diesem Ausführungsbeispiel als sogenannte kugelförmige Granulate 34 ausgebildet sind. Diese Granulate 34 können beispielsweise mittels Pulverspritzguss oder Granulieren hergestellt werden. Prinzipiell umfassen diese Granulate 34 einen Materialmatrix 42, welcher aus unterschiedlichen Rezepturen und Materialtypen hergestellt sein kann. Auf Molekularebene können dabei unterschiedliche Porengrößen im Anströmbereich der Sorbentmatrix 44 auftreten. Figur 4c zeigt eine weitere Ausführung in Bezug auf die offenbarte Erfindung. Die Material matrixrezeptur wird so aufbereitet, dass an der Granulatoberfläche während der Wärmebehandlung eine flüssige Phase gebildet wird. Diese flüssige Phase ermöglicht eine stoffschlüssige Verbindung 51 ohne eine Schließung der Oberflächenporen von einzelnen Granulaten 34. Die Granulate werden wie in Figur 4a) beschrieben nach der Herstellung in einer offenen Form 53 als Schüttung zugefügt und wärmebehandelt, so dass eine feste Kontaktbildung nach dem Abkühlen stattfindet. Dadurch entsteht eine selbsttragende Sorbentmittelstruktur 30, welche insbesondere in Form von z.B: Platten 22 oder Lamellen 24 ausgebildet sein kann. Figur 4c zeigt eine geordnete Packung der Granulate 34 nach der Wärmebehandlung. Zwischen den einzelnen Granulaten 34 bildet sich ein sogenannter Sinterhals 55. Fig 4c) zeigt eine geordnete Packung der Granulate 34 nach der Wärmebehandlung. An der Oberfläche der Granulate 34 entsteht eine vollständige Benetzung, die während der Wärmebehandlung halbflüssig wird und nach Abkühlen die einzelnen Granulate 34 quasi fest verbindet (versintert).
Figur 4d zeigt eine ungeordnete Packung der Granulate 34 nach der Wärmebehandlung. Zwischen den einzelnen Granulaten 34 bildet sich ebenfalls ein sogenannter Sinterhals 55. Figur 4e zeigt eine weitere räumlich ungeordnete Packung der Granulate 34 nach der Wärmebehandlung. Zwischen den einzelnen Granulaten 34 bildet sich ein sogenannter Sinterhals 55. An der Oberfläche der Granulate 34 entsteht eine vollständige Benetzung, die während der Wärmebehandlung halbflüssig wird und nach Abkühlen einzelne Granulate 34 quasi fest verbindet (versintert).
Prinzipiell können bei den in Figur 2 bis Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispielen die Durchmesser der Granulate 34 unterschiedlich sein. Ferner können zahlreiche Variationen von der Größenverteilung möglich sein. Zudem sind bei allen Varianten auch weitere Materialkombinationen, beispielsweise mit einem Chemisorbenten denkbar.
In Figur 5 ist eine Produktionsanlage 100 zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Sorptionselements 16 dargestellt. Die Produktionsanlage 100 umfasst Mittel zum Bereitstellen eines vorzugsweise anorganisches Kohlenstoffdioxid bindenden Ausgangsmaterials 74 (Physiosorbent) und eines Bindemittels 36. Die Produktionsanlage 100 kann zusätzlich Mittel zum Bereitstellen von Additiven 38 umfassen. Die Mittel zum Bereitstellen können insbesondere Vorratsbehälter umfassen, in welche das Ausgangsmaterial 74, das Bindemittel 36 und gegebenenfalls das Additiv 38, vorzugsweise in Form von Pulver oder Granulat, eingefüllt werden. Alternativ können das Bindemittel 36 und/oder das Additiv 38 auch in Form einer Flüssigkeit zugeführt werden. Die Produktionsanlage 100 umfasst ferner eine Mischvorrichtung 60 zum Vermischen des Kohlenstoffdioxid bindenden Ausgangsmaterials 74 mit dem Bindemittel zu einem Gemisch 76. Diese kann beispielsweise eine Rührvorrichtung, eine Schüttelvorrichtung oder ähnliches sein. Die Produktionsanlage 100 umfasst ferner eine Formgebungsvorrichtung 62 zum Abformen einer Sorbentmittelstruktur 20 aus dem Gemisch 76 oder eine Beschichtungsvorrichtung zum Beschichten einer Trägerstruktur 26 mit dem Gemisch 76. Die Formgebungsvorrichtung ist eine entsprechende Produktionsmaschine, welche dazu geeignet ist, eine entsprechende Abformung oder Beschichtung durchzuführen, und kann insbesondere einen Granulier oder Extruder, oder eine Spritzgussmaschine, eine Beschichtungseinheit sowie weitere Produktionsmaschinen umfassen. Die Produktionsanlage 100 kann zudem optional eine Trocknungsvorrichtung 66 umfassen, um das mit der Formgebungsvorrichtung 62 hergestellt Zwischenprodukt zu trocknen. Ferner kann die Produktionsanlage 100 eine Bestückungsvorrichtung 68 umfassen, um die Trägerstruktur 26 mit Sorbentelementen 40 zu bestücken.
Die Produktionsanlage 100 umfasst ferner eine Wärmebehandlungsvorrichtung 70 zur Wärmebehandlung der Sorbentmittelstruktur 20 oder der beschichteten Trägerstruktur 26, wobei ein in der Sorbentmittelstruktur 20 oder in einer Beschichtung der Trägerstruktur 26 enthaltenes Sorbentmaterial verfestigt und/oder chemisch beziehungsweise thermisch aktiviert wird. Die Wärmebehandlungsvorrichtung 70 umfasst insbesondere einen Sinterofen. Die Produktionsanlage 100 kann zudem eine Kontra II station für eine Prüfung des hergestellten Sorptionselements 16 sowie eine Behandlungsvorrichtung 72 z.B. zum Reinigen des Sorptionselements 16 umfassen etc.
Die Produktionsanlage 100 weist ferner ein Steuergerät 80 mit einer Speichereinheit 82 und einer Recheneinheit 84 auf, wobei in der Speichereinheit 82 ein maschinenlesbarer Programmcode 86 abgelegt ist. Wird dieser Programmcode 86 durch die Recheneinheit 84 ausgeführt, so steuert das Steuergerät 80 das im vorstehenden Abschnitt beschriebene Verfahren zum Herstellen eines Sorptionselements 16.
Bezugszeichenliste
Direct-Air-Capture-Anlage
Prozessraum
Adsorptionskammer
Sorptionselement
Sorbentmaterial
Sorbentmittelstruktur
Platte
Lamelle
Trägerstruktur
Netzstruktur selbsttragende Sorbentmittelstruktur
Pulver
Granulat
Bindemittel
Additiv
Sorbentelement
Material matrix
Sorbentmatrix freie Stelle
Fügeverbindung
Ecke stoffschlüssige Verbindung
Dorn offene Form
T ragrahmenstruktur Sinterhals
Porenöffnung
Luftstrom
Mischvorrichtung
Formgebungsvorrichtung
Beschichtungsvorrichtung
T rocknungsvorrichtung
Bestückungsvorrichtung
Wärmebehandlungsvorrichtung
Reinigungsvorrichtung
Ausgangsmaterial
Gemisch
Kugeln
Steuergerät
Speichereinheit
Recheneinheit
Programmcode
Zusatzfläche elektrische Heizmittel
Temperierungseinheit
Strömungserzeuger
Druckminderungseinheit
Tragrahmen
Produktionsanlage

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Herstellung eines Sorptionselements (16) zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft, umfassend:
Bereitstellen eines Kohlenstoffdioxid bindenden Ausgangsmaterials (74) und eines Bindemittels (36),
Vermischen des Kohlenstoffdioxid bindenden Ausgangsmaterials (74) mit dem Bindemittel (36) zu einem Gemisch (76),
Abformen einer Sorbentmittelstruktur (20) aus dem Gemisch (76) oder Beschichten einer Trägerstruktur (26) mit dem Gemisch (76), Wärmebehandlung der Sorbentmittelstruktur (20) oder der beschichteten Trägerstruktur (26), wobei ein in der Sorbentmittelstruktur (20) oder in einer Beschichtung der Trägerstruktur (26) enthaltendes Sorbentmaterial (18) verfestigt und/oder chemisch aktiviert wird. Verfahren zur Herstellung eines Sorptionselements (16) nach Anspruch 1 , wobei nach der Wärmebehandlung der Sorbentmittelstruktur (20) oder der beschichteten Trägerstruktur (26) eine Außenfläche des Sorptionselement (16) nachbehandelt wird. Verfahren zur Herstellung eines Sorptionselements (16) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Ausgangsmaterial (74) ein Pulver (32), ein Granulat (34) oder Kugeln (78) eines Kohlenstoffdioxid bindenden Sorbentmaterials (18) ist oder umfasst. Verfahren zur Herstellung eines Sorptionselements (16) nach einem der Ansprüche 1 bis
3, wobei zusätzlich zu dem Ausgangsmaterial (74) und dem Bindemittel (36) ein oder mehrere Additiv(e) (38) bereitgestellt und mit dem Ausgangsmaterial (74) und dem Bindemittel (36) zu einem Gemisch (76) vermischt wird. Verfahren zur Herstellung eines Sorptionselements (16) nach einem der Ansprüche 1 bis
4, wobei die Trägerstruktur (26) an zumindest einer Seite eine Zusatzfläche (88) umfasst. Verfahren zur Herstellung eines Sorptionselements (16) nach Anspruch 5, wobei die Zusatzfläche frei von einer Beschichtung ausgebildet ist und/oder dazu eingerichtet ist, ein elektrisches Heizmittel in die Trägerstruktur (26) einzukoppeln. Verfahren zur Herstellung eines Sorptionselements (16) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Zusatzfläche mindestens einen Kühlmittelkanal zur Temperierung der Trägerstruktur (26) aufweist. Verfahren zur Herstellung eines Sorptionselements (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Sorptionselement (16) eine Vielzahl von Sorbentelementen (40) umfasst, wobei die Sorbentelemente (40) stoffschlüssig mit der Trägerstruktur (26) und/oder miteinander verbunden sind. Sorptionselement (16) zur Adsorption und Desorption von Kohlenstoffdioxid in einer Anlage (10) zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft, wobei das Sorptionselement (16) nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt ist. Produktionsanlage (100) zur Herstellung eines Sorptionselements (16), umfassend:
Mittel zum Bereitstellen eines Kohlenstoffdioxid bindenden Ausgangsmaterials (74) und eines Bindemittels (36), eine Mischvorrichtung (60) zum Vermischen des Kohlenstoffdioxid bindenden Ausgangsmaterials (74) mit dem Bindemittel (36) zu einem Gemisch (76), eine Formgebungsvorrichtung (62) zum Abformen einer Sorbentmittelstruktur (20) aus dem Gemisch (76) oder eine Beschichtungsvorrichtung (64) zum Beschichten einer Trägerstruktur (26) mit dem Gemisch (76) und eine Wärmebehandlungsvorrichtung (70) zur Wärmebehandlung der Sorbentmittelstruktur (20) oder der beschichteten Trägerstruktur (26), wobei ein in der Sorbentmittelstruktur (20) oder in einer Beschichtung der Trägerstruktur (26) enthaltendes Sorbentmaterial (18) verfestigt und/oder chemisch aktiviert wird.
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