WO2024079086A1 - Verfahren und vorrichtung zum abscheiden von kohlenstoffdioxid aus einem gasstrom mit wärmerückgewinnung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum abscheiden von kohlenstoffdioxid aus einem gasstrom mit wärmerückgewinnung Download PDF

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WO2024079086A1
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sorbent
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Alexander Benjamin ZAKHER
Adrian Nikolai KÄSER
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TUM Carbon Removal Initiative e.V.
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Definitions

  • the invention relates to a method for separating carbon dioxide from a gas stream and to a device and a system for separating carbon dioxide from a gas stream.
  • the invention further relates to the use of a device and/or a system for separating carbon dioxide from a gas stream.
  • the increased concentration of the greenhouse gas carbon dioxide (CO2) in the atmosphere contributes significantly to global warming due to the greenhouse effect.
  • CO2 greenhouse gas carbon dioxide
  • Various methods are known for reducing the emission of carbon dioxide in various processes and for reducing the concentration of carbon dioxide in the atmosphere, in particular methods for separating carbon dioxide from gas streams, for example from exhaust gases, from industrial exhaust gases or directly from the ambient air or the atmosphere.
  • Carbon dioxide is also referred to as carbon dioxide.
  • the terms carbon dioxide, carbon dioxide and CO2 are used synonymously here and below.
  • DAC Direct Air Capture
  • a gas stream is typically generated from the ambient air using blowers, whereby part of the CO2 present in the gas stream is extracted from the gas stream using a separation device.
  • typically sorbents are used that can absorb CO2 contained in the gas stream.
  • This released CO2 can then be used, for example, to produce various products, such as synthetic fuels, or it can be stored for a short or long period of time, for example by means of permanent, typically underground, storage of the CO2, which can reduce the CG2 concentration in the atmosphere.
  • Such processes are typically referred to as “Carbon Capture and Storage” (CCS) - or, in connection with DAC, also as “Direct Air Carbon Capture and Storage” (DACCS).
  • CCS Carbon Capture and Storage
  • DACCS Direct Air Carbon Capture and Storage
  • DAC processes are known from the documents WO 2019/092127, WO 2019/092128 and US 7,314,847 B1 in which various materials are proposed for use as sorbents for absorbing carbon dioxide from gas streams, for example from gas streams generated in industrial plants or directly from the ambient air.
  • a major problem with known carbon dioxide capture processes is that the energy consumption for such processes is high, which means that the costs of capturing carbon dioxide, in particular the costs of capturing carbon dioxide from the ambient air, and typically also the costs of storage, are high. Due to the high costs and high energy consumption of such processes, as well as the currently low costs of carbon dioxide emissions, economic operation of DACCS plants on an industrial scale is often not possible.
  • the invention is therefore based on the object of providing an improved solution that addresses at least one of the problems mentioned.
  • the object of the invention is to provide a solution that makes it possible to reduce the costs of separating carbon dioxide from a gas stream.
  • a method for separating carbon dioxide from a gas stream in particular from a gas stream generated from the ambient air, which comprises the following steps: providing a sorbent in a gas stream, wherein the gas stream contains gaseous carbon dioxide, absorbing carbon dioxide from the gas stream by means of the sorbent, carrying out a regeneration process by desorption of at least a portion of the carbon dioxide absorbed by the sorbent, wherein a product gas which contains or consists of carbon dioxide is released from the sorbent, removing at least a portion of the gaseous carbon dioxide contained in the product gas.
  • a process for changing the state of aggregation of the extracted gaseous carbon dioxide is carried out, wherein the extracted gaseous carbon dioxide is converted into liquid carbon dioxide and/or supercritical carbon dioxide and/or solid carbon dioxide, wherein waste heat which is emitted during the implementation of the process for changing the state of aggregation is absorbed by at least one heat pump system and wherein thermal energy for providing reaction heat for the desorption and/or for heating the sorbent is introduced into the regeneration process by means of the at least one heat pump system.
  • process steps are preferably carried out in the order given. However, a different order of the process steps is also possible.
  • a gas stream is understood to mean in particular a gas that flows, for example an air stream.
  • the gas stream can in particular be an air stream with air from the environment.
  • Ambient air is typically also referred to as air.
  • the terms ambient air and air are therefore used synonymously here and below.
  • the low-carbon dioxide air from which carbon dioxide has been separated is also referred to as air here and below.
  • the gas stream can also be a gas stream from an industrial process or another process, for example from flue gas or exhaust gas.
  • the gas stream contains at least a proportion of gaseous carbon dioxide so that at least a portion of this carbon dioxide can be separated.
  • the ambient air can, for example, contain 0.04 vol.% carbon dioxide.
  • the gas stream is brought into contact with the sorbent so that the sorbent can absorb carbon dioxide from the gas stream.
  • Sorbents are used in particular in sorption processes for the selective separation of gases
  • the sorbent is preferably brought into contact with the gas stream during the first phase of a pressure, temperature or humidity change process.
  • the sorbent reacts with the gas to be sorbed.
  • the previously sorbed gas is released again by changing parameters such as pressure, temperature and/or the influence of other chemicals.
  • the sorbent can in particular comprise several sorbent particles.
  • the sorbent is understood to be a substance that can absorb and release the substance to be sorbed.
  • Sorbents can also be referred to as sorbents or sorbents.
  • Sorption is understood to be processes that lead to an enrichment of a substance within a phase or at an interface between two phases. Sorption can comprise absorption, i.e. an enrichment within a phase, and/or adsorption, i.e. an enrichment at an interface. Sorption can also comprise chemisorption, i.e. the binding and release of substances by means of reversible chemical reactions.
  • the desorption reaction is endothermic, so when regenerating during the warm phase of the temperature change process, heat must be added in order to allow the reverse reaction to take place partially or completely.
  • the supply of thermal energy required for the desorption reaction can be achieved by means of thermal energy provided by the at least one heat pump system.
  • the thermal energy provided can, for example, be used entirely for the desorption reaction, or, for example, partially for the desorption reaction and partially for preheating the sorbent.
  • Taking up carbon dioxide by means of the sorbent is to be understood in particular as absorbing and/or chemisorption and/or adsorbing carbon dioxide by means of the sorbent.
  • the sorbent can absorb or sorb gaseous carbon dioxide in particular by means of absorption and/or by means of chemisorption and/or by means of adsorption and release it again by means of desorption.
  • amines for example diethanolamine (DEA), or alkali carbonates, for example sodium carbonate or potassium carbonate, or also alkaline earth metal oxides/hydroxides, for example magnesium oxide/hydroxide and/or calcium oxide/hydroxide, can be used as sorbents.
  • a regeneration process is understood to mean in particular a process for carrying out a desorption in which the gas absorbed by the sorbent is released again.
  • the regeneration process preferably takes place in a desorption reactor, wherein the desorption reactor is designed in particular to enable desorption.
  • the product gas that is released comprises carbon dioxide.
  • the concentration, i.e. the volume fraction, of the carbon dioxide in the product gas is in particular many times higher than the concentration, i.e. the volume fraction, of the carbon dioxide in the gas of the gas stream.
  • Removing at least a portion of the gaseous carbon dioxide contained in the product gas is to be understood in particular as meaning that at least a portion of the carbon dioxide present in the product gas is removed.
  • Removing at least a portion of the gaseous carbon dioxide contained in the product gas can also include removing the majority of the carbon dioxide contained in the product gas or all of the carbon dioxide contained in the product gas.
  • the product gas is compressed before removing at least a portion of the gaseous carbon dioxide contained in the product gas.
  • the extracted gaseous carbon dioxide is converted into liquid carbon dioxide and/or supercritical carbon dioxide and/or solid carbon dioxide.
  • waste heat is generated, which is absorbed by the at least one heat pump system.
  • This waste heat serves in particular as a heat source.
  • the heat can then be raised to a higher temperature level and then used to provide reaction heat for the desorption and/or to heat the sorbent. In this way, heat energy can be introduced into the regeneration process, i.e. for the desorption, by means of the at least one heat pump system.
  • the at least one heat pump system preferably comprises one heat pump, particularly preferably several heat pumps.
  • the at least one heat pump system preferably comprises at least one compressor and at least one coolant, such as water, carbon dioxide, hydrocarbons, fluoroolefins.
  • the at least one heat pump system further comprises at least one heat exchanger.
  • the at least one heat pump system can also comprise an open heat pump circuit or be designed as an open heat pump circuit.
  • the formation of product gas in the desorption reactor is the source of the working medium for the at least partially open heat pump system, wherein it is at least partially liquefied as it passes through the heat pump system.
  • the creation of product gas in the desorption reactor fulfills the function of the evaporator and the product gas simultaneously also represents the working medium in an at least partially open heat pump system, whereby it is first compressed in a compressor, then releases heat in a heat exchanger to another heat pump system or directly to the desorption process (to heat the sorbent and/or to provide heat for the reaction) and is then at least partially liquefied by expansion, e.g. in a throttle.
  • the non-liquefied portion of the gas can be fed back into the partially open circuit together with the product gas from the reactor.
  • the at least one heat pump system and in particular the heat pump, is preferably designed to absorb thermal energy from a reservoir with a lower temperature, namely from the process for changing the state of aggregation, using drive energy and to transfer it, together with the drive energy, as heat to a system to be heated with a higher temperature, namely the desorption reactor.
  • the following steps are carried out: transferring waste heat released during the conversion of the extracted gaseous carbon dioxide into liquid carbon dioxide into a heat pump system, and providing reaction heat for the desorption and/or heating of the sorbent during the regeneration process by introducing thermal energy by means of the heat pump system.
  • Process heat is used as a heat source for the heat pump system, whereby this process heat is provided in particular by producing liquid carbon dioxide and/or dry ice.
  • the heat pump system can then supply heat to the sorbent in order to provide heat for desorption.
  • the process heat is also referred to here as waste heat.
  • Changing the state of aggregation can in particular comprise converting gaseous carbon dioxide into liquid carbon dioxide.
  • changing the state of aggregation comprises converting liquid carbon dioxide into solid carbon dioxide.
  • changing the state of aggregation can comprise converting gaseous carbon dioxide into liquid carbon dioxide and converting the liquid carbon dioxide into solid carbon dioxide.
  • Changing the state of aggregation can in particular comprise converting gaseous carbon dioxide into supercritical carbon dioxide.
  • Changing the state of aggregation preferably comprises converting supercritical carbon dioxide into liquid carbon dioxide.
  • Changing the state of aggregation preferably comprises converting liquid carbon dioxide into solid carbon dioxide. It is particularly preferred if changing the state of aggregation comprises converting gaseous carbon dioxide into supercritical carbon dioxide and converting the supercritical carbon dioxide into liquid carbon dioxide, and preferably converting the liquid carbon dioxide into solid carbon dioxide.
  • the terms solid carbon dioxide and dry ice are used synonymously in this document.
  • Supercritical carbon dioxide which is also referred to as supercritical carbon dioxide, is to be understood in particular as carbon dioxide in a fluid state above its critical temperature and its critical pressure.
  • One advantage of such a method is that, compared to known methods, the method described here requires significantly less energy for the overall process of separating carbon dioxide and changing the state of aggregation of the carbon dioxide. Due to the lower energy consumption and in particular in conjunction with the use of renewable energies, the separation of carbon dioxide from gas streams, in particular from the ambient air, and the changing of the state of aggregation of the carbon dioxide is made possible in an economical manner using the method described here.
  • a further advantage is that the process is particularly possible in conjunction with the efficient use of mechanical and/or electrical energy, as is the case in particular with systems for the use of renewable energies, such as wind turbines, photovoltaic systems, hydroelectric power plants, etc., which can often be operated particularly economically in remote locations. Since remote locations in particular are also particularly well suited to the operation of systems for separating carbon dioxide from the ambient air, this type of energy supply is particularly economical at suitable locations, with electricity prices sometimes being very low.
  • a further advantage is that the cooling and/or changing of the state of aggregation of the carbon dioxide and the heating of the sorbent can be carried out by means of a single heat pump system, whereby the heat pump system can have several heat pumps.
  • the waste heat generated during cooling and/or changing of the state of aggregation can thus be used as a heat source for the heat pump system, which is then used to heat the sorbent to release the carbon dioxide from the sorbent.
  • waste heat generated during cooling and/or when changing the state of aggregation can be used in part as a heat source for a first heat pump system, with which the sorbent is then heated to release the carbon dioxide from the sorbent, and wherein a further part of the waste heat generated is absorbed by a further heat pump system and fed to the preheating of the sorbent.
  • a further advantage is that heat, especially waste heat or process heat from the change of state, does not have to be transferred via an intermediate medium or must be released directly into the environment and the heat transfer area required for heat transfer can be reduced overall, whereby less superheating of the coolant must take place for the heat transfer and thus exergy loss is reduced.
  • a heat pump that would otherwise be required to provide heat for the desorption process and which extracts heat from the environment can either be omitted or made significantly smaller.
  • the method comprises the step of storing the solid carbon dioxide produced by the process for changing the state of aggregation in the form of dry ice in a dry ice storage facility.
  • CCS CCS
  • DACCS DACCS
  • Leaks can occur, for example, through cracks far away from the location of a deep borehole or only after a long time, and are therefore difficult to detect and hardly predictable.
  • a key advantage of storing carbon dioxide in a solid state on the earth's surface is its good accessibility. Fill levels in a storage facility can be measured directly. A visual inspection of the stored dry ice is possible, as is the relocation of the stored CO2 to other storage locations. It is also possible to provide larger quantities of carbon dioxide as a raw material for synthetic fuels or for carbon dioxide fertilization of plants, for example, because the carbon dioxide can be removed directly from a dry ice storage facility with little effort.
  • the method comprises: generating the gas stream, in particular in the form of a gas stream generated from the ambient air, preferably by means of at least one blower, wherein in particular the sorbent is brought into contact with the gas stream in a sorbent-air contact system.
  • the gas stream can in particular be generated with one or more blowers. In the sorbent-air contact system, contact is then made possible between the generated gas stream and the sorbent, so that the sorbent can absorb carbon dioxide from the gas stream.
  • the method comprises the steps of: compressing the product gas and then removing heat from the compressed product gas, wherein this heat is at least partially introduced into the regeneration process to provide reaction heat for the desorption and/or to heat the sorbent, wherein preferably the product gas, after the heat removal, is expanded and partially condensed in the process.
  • the method comprises: preheating the sorbent after the absorption of carbon dioxide from the gas stream by means of the sorbent, wherein sensible heat of the sorbent is absorbed by a heat recovery system after the regeneration process and wherein heat energy is supplied to the sorbent to be preheated by means of this heat recovery system in order to preheat the sorbent.
  • the preheating can be carried out, for example, by means of a bulk material heat exchanger. Sensible heat of the sorbent can thus be used to preheat the sorbent that is to be preheated.
  • Such a heat recovery system used for preheating the sorbent can in particular be a heat recovery system that is different from the at least one heat pump system that is used to heat the sorbent. This is therefore preferably an independent system circuit.
  • the heat recovery system can have a heat pump.
  • Preheating can also be carried out, for example, alternatively or additionally by means of a heat supply via a connection to the heat pump system.
  • the sorbent is again exposed to the gas stream, in particular in the sorbent air contact system, in order to again absorb carbon dioxide from the gas stream.
  • the sorbent is recirculated in a repetitive cycle in which it first absorbs carbon dioxide from the gas stream, then it is regenerated, and the absorbed carbon dioxide is then released again by desorption.
  • the sorbent is brought to a temperature of preferably at least 40 °C, particularly preferably in a range between 80 °C and 150 °C, in particular above 100 °C, and preferably at most 200 °C when carrying out the regeneration process.
  • the removal of at least part of the gaseous carbon dioxide contained in the product gas comprises: cooling the product gas and condensing at least part of the water vapor contained in the product gas to water, and preferably separating the condensed water from the product gas, wherein preferably waste heat that arises during the cooling of the product gas and/or the condensation is absorbed by the at least one heat pump system and wherein thermal energy is introduced into the regeneration process by means of this at least one heat pump system to provide reaction heat for the desorption and/or for heating the sorbent.
  • the water vapor contained is predominantly or completely condensed.
  • the waste heat that arises during the cooling of the product gas and/or during the condensation of water is raised to a higher temperature level by means of a heat pump system and fed to the regeneration process for the desorption of the sorbent.
  • one heat pump system is used.
  • several heat pump systems can also be used, for example, one heat pump system using process heat that arises during the cooling of the product gas and/or condensation and another heat pump system using process heat that arises during the implementation of the process for changing the state of aggregation.
  • the product gas preferably comprises carbon dioxide and water.
  • the product gas preferably comprises at least 2 vol.% gaseous carbon dioxide, particularly preferably at least 10 vol.% gaseous carbon dioxide, in particular up to 50 vol.% gaseous carbon dioxide, for example the product gas can comprise approximately 50 vol.% water vapor and approximately 50 vol.% gaseous carbon dioxide.
  • a first cooling of the product gas takes place, for example, to a temperature between -20 °C and +50 °C, especially at +10 °C.
  • the water vapor contained in the product is mainly condensed out.
  • the product gas can be cooled, particularly after compression to an increased pressure, to the condensation temperature corresponding to this pressure (“saturated steam”), whereby it should condense, i.e. become liquid.
  • saturated steam a pressure of approx. 35 bar at approx. 0 °C.
  • the carbon dioxide is cooled by means of the at least one heat pump system, whereby the temperature of the carbon dioxide is reduced and the state of aggregation of the carbon dioxide changes.
  • the gaseous carbon dioxide is cooled down, whereby heat is extracted from the carbon dioxide.
  • process heat is provided by the phase transition.
  • a countercurrent heat exchanger with a cold carbon dioxide stream can also be used for cooling. Heat can also be released to the environment over large areas.
  • the at least one heat pump system comprises a heat pump with a coolant, the coolant in particular comprising or consisting of one or more hydrocarbons, for example butane, and/or water and/or a working fluid based on hydrofluoroolefin (HFO), wherein the coolant is preferably compressed by means of a compressor.
  • the coolant can, for example, be compressed to a pressure of, for example, 30 bar to 40 bar when using butane as the coolant, in particular to a pressure of approximately 36.7 bar.
  • the coolant preferably permanently withstands a temperature of at least 80 °C, particularly preferably at least 120 °C, in particular at least 140 °C.
  • carrying out the process for changing the state of aggregation of the extracted gaseous carbon dioxide comprises: compressing the extracted gaseous carbon dioxide, and/or liquefying the extracted, in particular compressed, gaseous carbon dioxide, and preferably cooling the liquefied carbon dioxide, in particular by means of the at least one heat pump system, with which heat energy is used to provide reaction heat for desorption and/or for heating and/or drying the sorbent is introduced into the regeneration process, and/or producing solid carbon dioxide in the form of dry ice, preferably from the liquefied carbon dioxide.
  • the method comprises: compressing the product gas, and preferably cooling the product gas, in particular by means of the at least one heat pump system, with which thermal energy is introduced into the regeneration process to provide reaction heat for the desorption and/or to heat the sorbent.
  • compaction is to be understood as preferably a multi-stage compaction process.
  • the extracted gaseous carbon dioxide can be compressed in particular by means of a CO2 compressor, whereby the carbon dioxide can be compressed, for example, to a pressure of at least 10 bar, preferably at least 20 bar and preferably at most 50 bar, in particular approximately 40 bar.
  • the extracted, in particular compressed, gaseous carbon dioxide can be liquefied in particular by means of a CO2 liquefaction system, whereby the carbon dioxide is particularly preferably liquefied by cooling to approximately 0 °C and heat extraction by means of the at least one heat pump system.
  • Cooling to lower temperatures can then be carried out in particular in a countercurrent heat exchanger, whereby the liquefied carbon dioxide in particular gives off the heat to carbon dioxide which is approximately -70 °C to approximately -78.5 °C cold and which is created during the formation of dry ice and possibly sublimates out of the dry ice storage.
  • Liquefied carbon dioxide can also be cooled in particular by means of the at least one heat pump system.
  • Dry ice can be produced in particular by expanding the pressure of liquid carbon dioxide with evaporation of a portion of the liquid carbon dioxide, for example by means of a dry ice production system, in particular by means of a pellet extruder or a throttle.
  • the sorbent comprises at least one alkali carbonate, preferably several alkali carbonates, wherein the sorbent preferably contains at least 5% by weight of sodium hydrogen carbonate and/or at least 5% by weight of potassium hydrogen carbonate, wherein the sorbent is regenerated by means of heat supply, wherein preferably gaseous carbon dioxide and water vapor are released from the sorbent. Preferably only a small amount of water vapor is released.
  • the product gas is circulated in the desorption reactor or in exchange with a connected system, with water vapor being removed from it by means of a suitable drying agent.
  • ambient pressure or an overpressure relative to the ambient pressure is preferably provided as the pressure in the area of the sorbent, in particular by the pressure being created by escaping carbon dioxide and heating. If an overpressure is present, water that is bound or created by the desorption reaction cannot evaporate, or at least only partially, in a particularly preferred manner and remains predominantly bound in the sorbent, so that evaporation does not occur or only partially occurs and thus no additional heat has to be introduced for the evaporation of at least part of the water. The energy efficiency can thus be significantly improved in a particularly advantageous manner at high temperatures of over 100 °C and/or an overpressure relative to the ambient pressure.
  • the liquefied carbon dioxide is cooled, preferably by means of a countercurrent heat exchanger, and then relaxed in a dry ice production system to a pressure in the range between 90% and 110% of the ambient pressure, wherein in particular a first portion of the liquid carbon dioxide is provided as dry ice and a second portion as gaseous carbon dioxide, which is returned and heated, preferably by means of the countercurrent heat exchanger, wherein preferably the heated gaseous carbon dioxide is fed to a compressor for compression.
  • the method comprises collecting carbon dioxide sublimated in the dry ice storage facility, and preferably feeding the sublimated carbon dioxide into the countercurrent heat exchanger, and converting the sublimated carbon dioxide into dry ice and storing the dry ice in the dry ice storage facility.
  • the sublimated carbon dioxide is compressed by means of a compressor before being converted into dry ice.
  • Liquid carbon dioxide for example carbon dioxide condensed from the sublimed carbon dioxide at 4 °C
  • the preferably still cold gas stream with sublimed carbon dioxide can also be fed in and heated, for example, to 4 °C, in particular before the carbon dioxide is compressed and liquefied.
  • the cooling of the dry ice storage facility can be improved by capturing the carbon dioxide that has sublimated out of the dry ice into gaseous carbon dioxide due to penetrating heat, optionally liquefying it, converting it into dry ice and ultimately storing it again as dry ice in the dry ice storage facility.
  • the waste heat that arises when converting the gaseous carbon dioxide into liquid carbon dioxide or into dry ice is particularly preferably also fed back into the regeneration process by means of the at least one heat pump system. This makes it possible to achieve an improved energy efficiency of the process as a whole in a particularly advantageous manner.
  • the object mentioned at the outset is achieved by a device for separating carbon dioxide from a gas stream, in particular from a gas stream generated from the ambient air, comprising a sorbent-air contact system which is designed to generate a gas stream and to receive a sorbent, wherein in particular the sorbent can be arranged in a generated gas stream, a desorption reactor which is designed to carry out a regeneration process by desorbing at least part of the carbon dioxide absorbed by the sorbent in order to release a product gas which contains carbon dioxide or consists of it from the sorbent, wherein an aggregate state change system which is designed to carry out a process for changing the aggregate state of gaseous carbon dioxide contained in the product gas, wherein the gaseous carbon dioxide can be converted into liquid carbon dioxide and/or supercritical carbon dioxide and/or solid carbon dioxide by means of the aggregate state change system, at least one heat pump system which is designed to recover waste heat which is generated during the Carrying out the process for changing the state of aggregation, wherein the at least one heat pump system which
  • Such a device is understood to mean in particular a DAC system or a DACCS system.
  • a system for separating carbon dioxide from a gas stream, in particular from a gas stream generated from the ambient air, and for storing the separated carbon dioxide comprising a device as described here and a dry ice storage device which is designed to store solid carbon dioxide generated by means of the device in the form of dry ice.
  • the object mentioned at the outset is achieved by using a device as described here and/or a system as described here for separating carbon dioxide from the ambient air surrounding the device and preferably for storing the separated carbon dioxide in the form of dry ice.
  • Fig. 1 a process diagram of an embodiment of a method for
  • Fig. 2 a schematic representation of a first embodiment of a
  • Fig. 3 a schematic representation of a second embodiment of a
  • Fig. 1 shows a process diagram of an embodiment of a method for separating carbon dioxide from a gas stream, in particular from a gas stream generated from the ambient air.
  • Fig. 1 movements of gaseous substances are shown as dotted lines, movements of solids as dashed lines and movements of liquids as solid lines.
  • the heat flows described in connection with Fig. 1 are shown as dotted lines.
  • a gas flow is generated from the ambient air by means of the blower.
  • a sorbent which preferably comprises a large number of sorbent particles, is brought into contact with the gas flow.
  • the gas flow generated from the ambient air comprises, among other things, carbon dioxide and water.
  • the sorbent absorbs gaseous carbon dioxide from the gas flow.
  • the sorbent is removed 71 from the sorbent-air contact system 1 and introduced 72 into a desorption reactor 3 via a preheating system 2 with a bulk material heat exchanger.
  • the heat required for desorption is provided by means of a heat pump system 10.
  • the regenerated sorbent is introduced from the desorption reactor 3 into a sorbent heat extraction system 11 for heat recovery 73, where it releases part of its contained heat indirectly via a gas stream and/or directly via contact with heat transfer surfaces 86 to the sorbent to be preheated.
  • the partially cooled sorbent is then returned to the sorbent air contact system 1 74, where it is used again to absorb carbon dioxide.
  • a product gas is released and fed into a CO2 processing system 4 for product gas cooling and water condensation 94.
  • the product gas comprises gaseous carbon dioxide, nitrogen and water vapor, and in this case, for example, 50 vol.% carbon dioxide.
  • the product gas is cooled to 10 °C so that most of the water vapor condenses and can be removed from the system as liquid water.
  • the heat 87 extracted from the product gas is fed to the Heat pump system 10.
  • the carbon dioxide is then fed to a CO2 compressor 5 95.
  • the pre-dried carbon dioxide is compressed in the CO2 compressor 5, in particular in a multi-stage process, to a pressure of approximately 40 bar and then fed into a CO2 liquefaction system 6 96.
  • the carbon dioxide is cooled down to 5 °C by contact with a heat exchanger of the heat pump system 10 and thereby transfers heat 89 to the heat pump system 10.
  • liquid carbon dioxide can be produced at the appropriate saturated vapor pressure.
  • the carbon dioxide condenses at a pressure of approximately 39.6 bar.
  • the heat 89 released during condensation is fed to the heat pump system 10.
  • a heat pump filled with coolant is used.
  • a heat pump system with a coolant that includes butane is used.
  • the coolant evaporates at a temperature of approximately 0 °C and a pressure of approximately 1.032 bar.
  • the coolant is compressed in the heat pump system by means of a compressor to a pressure of, for example, 36.7 bar.
  • the heat absorbed at 0 °C is then released again at this pressure and a condensation temperature of 150 °C, with condensation taking place on the inside of pipes or tube bundles or tube coils or so-called “pillow-plate” modules.
  • “Pillow-plate” modules are understood to be modules for heat exchangers that have a wavy or pillow-shaped surface.
  • the tubes are part of a bulk material heat exchanger system in desorption reactor 3, so that the heat on the outside of the tubes is transferred to a sorbent at a temperature of approx. 135 °C and carbon dioxide and water can be desorbed from the sorbent.
  • the carbon dioxide liquefied in the liquefaction system 6 is led 61 to a countercurrent heat exchanger 7 and cooled by means of the countercurrent heat exchanger 7.
  • the liquid carbon dioxide is then led to a dry ice production system, where it is expanded as it passes through a suitable throttle and is thereby partially converted into solid carbon dioxide and partially into gaseous carbon dioxide.
  • the portion of solid carbon dioxide is led 63 to a dry ice storage 9.
  • the portion of gaseous carbon dioxide is discharged as a cold gas stream 98 with a Temperature of approximately -78.5 °C is passed back through the counterflow heat exchanger 7 and heated. This gas flow is then also fed to the compressor 5 93.
  • gaseous carbon dioxide is continuously produced in a sublimation process which is caused by the constant input of heat from the environment, since the environment is typically warmer than the dry ice storage facility.
  • the sublimated carbon dioxide is collected and then fed to the countercurrent heat exchanger 7 99.
  • This gas stream is then also fed 93 to the compressor 5, so that this sublimated carbon dioxide can first be used to produce liquid carbon dioxide and then solid carbon dioxide in the process described here, with the waste heat generated being fed back to the heat pump system 10.
  • Fig. 2 shows a first embodiment of a method 200 for separating carbon dioxide from a gas stream.
  • the method is designed for separating carbon dioxide from a gas stream, in particular from a gas stream generated from the ambient air.
  • the method 200 comprises the following steps:
  • a step 210 providing a sorbent in a gas stream, the gas stream containing gaseous carbon dioxide.
  • a step 220 absorbing carbon dioxide from the gas stream using the sorbent.
  • a step 230 carrying out a regeneration process by desorbing at least a portion of the carbon dioxide absorbed by the sorbent, a product gas containing or consisting of carbon dioxide being released from the sorbent.
  • a step 240 removing at least a portion of the gaseous carbon dioxide contained in the product gas.
  • a step 250 carrying out a process for changing the state of aggregation of the extracted gaseous carbon dioxide, wherein the extracted gaseous carbon dioxide is converted into liquid carbon dioxide and/or supercritical carbon dioxide and/or solid carbon dioxide, wherein waste heat which is emitted during the carrying out of the process for changing the state of aggregation is absorbed by at least one heat pump system and wherein heat energy for providing reaction heat for the desorption and/or for heating the sorbent is introduced into the regeneration process by means of the at least one heat pump system.
  • Fig. 3 shows a second embodiment of a method 200 for separating carbon dioxide from a gas stream. The method is designed for separating carbon dioxide from a gas stream, in particular from a gas stream generated from the ambient air.
  • the method 200 comprises the following steps:
  • a step 205 generating a gas stream, in particular in the form of a gas stream generated from the ambient air, preferably by means of at least one blower, wherein in particular the sorbent is brought into contact with the gas stream in a sorbent-air contact system.
  • a step 210 providing a sorbent in a gas stream, wherein the gas stream contains gaseous carbon dioxide.
  • a step 220 absorbing carbon dioxide from the gas stream by means of the sorbent.
  • a step 225 preheating the sorbent after absorbing carbon dioxide from the gas stream by means of the sorbent, wherein sensible heat of the sorbent is absorbed by a heat recovery system after the regeneration process and wherein thermal energy is supplied to the sorbent to be preheated by means of this heat recovery system in order to preheat the sorbent.
  • a step 230 performing a regeneration process by desorbing at least a portion of the carbon dioxide absorbed by the sorbent, wherein a product gas containing or consisting of carbon dioxide is released from the sorbent. After performing the regeneration process, the sorbent is exposed to the gas stream again, in particular in the sorbent-air contact system, to again absorb carbon dioxide from the gas stream.
  • removing at least a portion of the gaseous carbon dioxide contained in the product gas comprises: cooling the product gas and condensing at least a portion of the water vapor contained in the product gas to water, and preferably separating the condensed water from the product gas.
  • the waste heat that arises during the cooling of the product gas and/or the condensation is absorbed by the heat pump system and brought to a higher energy level, so that by means of the heat pump system, thermal energy can be introduced into the regeneration process to provide reaction heat for the desorption and/or to heat the sorbent.
  • a step 250 carrying out a process for changing the state of aggregation of the extracted gaseous carbon dioxide, wherein the extracted gaseous carbon dioxide is converted into liquid carbon dioxide and/or supercritical carbon dioxide and/or solid carbon dioxide, wherein waste heat that arises during the Carrying out the process for changing the state of aggregation, the carbon dioxide released during the process for changing the state of aggregation is absorbed by at least one heat pump system, and the at least one heat pump system is used to introduce thermal energy into the regeneration process to provide reaction heat for the desorption and/or for heating the sorbent.
  • Carrying out the process for changing the state of aggregation of the extracted gaseous carbon dioxide comprises: compressing the extracted gaseous carbon dioxide, and liquefying the extracted, in particular compressed, gaseous carbon dioxide, and cooling the liquefied carbon dioxide, in particular by means of the heat pump system, with which thermal energy is introduced into the regeneration process to provide reaction heat for the desorption and/or for heating and/or for drying the sorbent. A large part of the process heat is accounted for in particular by the heat of condensation.
  • the liquefied carbon dioxide is cooled by means of a countercurrent heat exchanger and then expanded to ambient pressure in a dry ice production system.
  • a first portion of the liquid carbon dioxide is provided as dry ice and a second portion is provided as gaseous carbon dioxide, which is returned and heated by means of the countercurrent heat exchanger, the heated gaseous carbon dioxide being fed to a compressor for compressing the gaseous carbon dioxide.
  • the solid carbon dioxide produced by means of the process for changing the state of aggregation is stored in the form of dry ice in a dry ice storage facility.
  • carbon dioxide sublimated in the dry ice storage facility is collected and the sublimated carbon dioxide is fed to the countercurrent heat exchanger.
  • the sublimated carbon dioxide is converted into dry ice and this dry ice is stored in the dry ice storage facility.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abscheiden von Kohlenstoffdioxid aus einem Gasstrom, wobei folgende Schritte ausgeführt werden: Bereitstellen eines Sorptionsmittels in einem Gasstrom, wobei der Gasstrom gasförmiges Kohlenstoffdioxid enthält, Aufnehmen von Kohlenstoffdioxid aus dem Gasstrom mittels des Sorptionsmittels, Durchführen eines Regenerationsprozesses mittels Desorption von mindestens einem Teil des von dem Sorptionsmittel aufgenommenen Kohlenstoffdioxids, wobei ein Produktgas, das Kohlenstoffdioxid enthält oder daraus besteht, aus dem Sorptionsmittel freigesetzt wird, Entnehmen mindestens eines Teils des in dem Produktgas enthaltenen gasförmigen Kohlenstoffdioxids, und Durchführen eines Prozesses zum Ändern des Aggregatzustandes des entnommenen gasförmigen Kohlenstoffdioxids, wobei das entnommene gasförmige Kohlenstoffdioxid in flüssiges Kohlenstoffdioxid und/oder überkritisches Kohlenstoffdioxid und/oder festes Kohlenstoffdioxid umgewandelt wird, wobei Abwärme, die während des Durchführens des Prozesses zum Ändern des Aggregatzustandes abgegeben wird, von mindestens einem Wärmepumpensystem aufgenommen wird und wobei mittels des mindestens einem Wärmepumpensystems Wärmeenergie zum Bereitstellen von Reaktionswärme für die Desorption und/oder zum Erwärmen des Sorptionsmittels in den Regenerationsprozess eingebracht wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Abscheiden von Kohlenstoffdioxid aus einem Gasstrom mit Wärmerückgewinnung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden von Kohlenstoffdioxid aus einem Gasstrom und eine Vorrichtung sowie ein System zum Abscheiden von Kohlenstoffdioxid aus einem Gasstrom. Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung einer Vorrichtung und/oder eines Systems zum Abscheiden von Kohlenstoffdioxid aus einem Gasstrom. Die erhöhte Konzentration des Treibhausgases Kohlenstoffdioxid (CO2) in der Atmosphäre trägt aufgrund des Treibhauseffektes erheblich zur globalen Erwärmung bei. Zur Verringerung des Ausstoßes von Kohlenstoffdioxid in unterschiedlichen Prozessen sowie zur Reduzierung der Konzentration von Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre sind verschiedene Verfahren bekannt, insbesondere Verfahren zum Abscheiden von Kohlenstoffdioxid aus Gasströmen, beispielsweise aus Abgasen, aus industriellen Abgasen oder direkt aus der Umgebungsluft bzw. der Atmosphäre. Kohlenstoffdioxid wird auch als Kohlendioxid bezeichnet. Die Bezeichnungen Kohlenstoffdioxid, Kohlendioxid und CO2 werden hier und im Folgenden synonym verwendet.
Verfahren zum Abscheiden von Kohlenstoffdioxid direkt aus der Umgebungsluft werden auch als „Direct Air Capture“ (DAC) bezeichnet. Bei einem solchen Verfahren wird typischerweise mittels Gebläsen ein Gasstrom aus der Umgebungsluft erzeugt, wobei ein Teil des in dem Gasstrom vorhandenen CO2 dem Gasstrom mittels einer Abscheidevorrichtung entzogen wird. In der Abscheidevorrichtung werden dabei typischerweise Sorptionsmittel verwendet, die in dem Gasstrom enthaltenes CO2 aufnehmen können. Mittels Desorption kann das von dem Sorptionsmittel zuvor aufgenommene CO2 wieder aus dem Sorptionsmittel freigesetzt werden. Dieses freigesetzte CO2 kann dann beispielsweise zur Produktion verschiedener Produkte, beispielsweise synthetischer Kraftstoffe, verwendet werden oder auch über einen kurzen oder einen langen Zeitraum gespeichert bzw. gelagert werden, beispielsweise mittels dauerhafter, typischerweise unterirdischer, Speicherung des CO2, wodurch eine Verringerung der CG2-Konzentration in der Atmosphäre erzielt werden kann. Solche Verfahren werden typischerweise als „Carbon Capture and Storage“ (CCS) - oder, in Verbindung mit DAC, auch als „Direct Air Carbon Capture and Storage“ (DACCS) bezeichnet.
In jüngster Zeit wurden verschiedene DAC-Verfahren und DACCS-Verfahren entwickelt, die auf verschiedenen technologischen Ansätzen basieren. Aus den Dokumenten WO 2019/092127, WO 2019/092128 und US 7,314,847 B1 sind beispielsweise DAC-Verfahren bekannt, bei denen verschiedene Materialen für den Einsatz als Sorptionsmittel zur Aufnahme von Kohlenstoffdioxid aus Gasströmen, beispielsweise aus in Industrieanlagen erzeugten Gasströmen oder auch direkt aus der Umgebungsluft, vorgeschlagen werden.
Ein großes Problem bekannter Verfahren zum Abscheiden von Kohlenstoffdioxid liegt darin, dass der Energieverbrauch für derartige Verfahren hoch ist, wodurch die Kosten zum Abscheiden von Kohlenstoffdioxid, insbesondere die Kosten zum Abscheiden von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft, und typischerweise auch die Kosten der Lagerung, hoch sind. Aufgrund der hohen Kosten und des hohen Energieverbrauchs solcher Verfahren sowie der aktuell geringen Kosten für die Emissionen von Kohlenstoffdioxid, ist häufig ein wirtschaftlicher Betrieb von DACCS-Anlagen im industriellen Maßstab nicht möglich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Lösung bereitzustellen, die wenigstens eines der genannten Probleme adressiert. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, die es ermöglicht, die Kosten zum Abscheiden von Kohlenstoffdioxid aus einem Gasstrom zu reduzieren.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 . Danach ist ein Verfahren zum Abscheiden von Kohlenstoffdioxid aus einem Gasstrom, insbesondere aus einem aus der Umgebungsluft erzeugten Gasstrom, vorgesehen, das die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Sorptionsmittels in einem Gasstrom, wobei der Gasstrom gasförmiges Kohlenstoffdioxid enthält, Aufnehmen von Kohlenstoffdioxid aus dem Gasstrom mittels des Sorptionsmittels, Durchführen eines Regenerationsprozesses mittels Desorption von mindestens einem Teil des von dem Sorptionsmittel aufgenommenen Kohlenstoffdioxids, wobei ein Produktgas, das Kohlenstoffdioxid enthält oder daraus besteht, aus dem Sorptionsmittel freigesetzt wird, Entnehmen mindestens eines Teils des in dem Produktgas enthaltenen gasförmigen Kohlenstoffdioxids.
Erfindungsgemäß ist ein Durchführen eines Prozesses zum Ändern des Aggregatzustandes des entnommenen gasförmigen Kohlenstoffdioxids vorgesehen, wobei das entnommene gasförmige Kohlenstoffdioxid in flüssiges Kohlenstoffdioxid und/oder überkritisches Kohlenstoffdioxid und/oder festes Kohlenstoffdioxid umgewandelt wird, wobei Abwärme, die während des Durchführens des Prozesses zum Ändern des Aggregatzustandes abgegeben wird, von mindestens einem Wärmepumpensystem aufgenommen wird und wobei mittels des mindestens einen Wärmepumpensystems Wärmeenergie zum Bereitstellen von Reaktionswärme für die Desorption und/oder zum Erwärmen des Sorptionsmittels in den Regenerationsprozess eingebracht wird.
Die Verfahrensschritte werden vorzugsweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt. Es ist jedoch auch eine andere Reihenfolge der Verfahrensschritte möglich.
Unter einem Gasstrom ist insbesondere ein Gas, das strömt, zu verstehen, also beispielsweise ein Luftstrom. Der Gasstrom kann insbesondere ein Luftstrom mit Luft aus der Umgebung sein. Umgebungsluft wird typischerweise auch als Luft bezeichnet. Die Begriffe Umgebungsluft und Luft werden daher hier und im Folgenden synonym verwendet. Auch die kohlenstoffdioxidarme Luft, aus der Kohlenstoffdioxid abgeschieden wurde, wird hier und im Folgenden als Luft bezeichnet. Der Gasstrom kann aber auch ein Gasstrom aus einem Industrieprozess oder einem anderen Prozess sein, beispielsweise aus einem Rauchgas oder einem Abgas.
Der Gasstrom weist zumindest einen Anteil an gasförmigem Kohlenstoffdioxid auf, damit zumindest ein Teil dieses Kohlenstoffdioxids abgeschieden werden kann. Die Umgebungsluft kann beispielsweise 0,04 Vol.-% Kohlenstoffdioxid enthalten.
Der Gasstrom wird insbesondere mit dem Sorptionsmittel in Kontakt gebracht, sodass das Sorptionsmittel Kohlenstoffdioxid aus dem Gasstrom aufnehmen kann. Sorptionsmittel werden insbesondere in Sorptionsprozessen zum selektiven Abtrennen von Gasen eingesetzt. Dabei wird vorzugsweise das Sorptionsmittel während der ersten Phase eines Druck-, Temperatur- oder Feuchtewechselprozesses in Kontakt mit dem Gasstrom gebracht. Das Sorptionsmittel reagiert mit dem zu sorbierenden Gas. Während einer zweiten Phase des Wechselprozesses wird das zuvor sorbierte Gas durch Verändern von Parametern wie Druck, Temperatur und/oder Einfluss anderer Chemikalien wieder freigesetzt.
Das Sorptionsmittel kann insbesondere mehrere Sorbenspartikel umfassen. Unter dem Sorptionsmittel ist insbesondere ein Stoff zu verstehen, der den zu sorbierenden Stoff aufnehmen und wieder abgeben kann. Sorptionsmittel können insbesondere auch als Sorbens oder Sorbent bezeichnet werden. Unter Sorption sind insbesondere Vorgänge zu verstehen, die zu einer Anreicherung eines Stoffes innerhalb einer Phase oder auf einer Grenzfläche zwischen zwei Phasen führen. Sorption kann Absorption, also eine Anreicherung innerhalb einer Phase, und/oder Adsorption, also eine Anreicherung an einer Grenzfläche, umfassen. Sorption kann auch Chemisorption umfassen, also das Binden und Freisetzen von Stoffen mittels reversibler chemischer Reaktionen. Die Desorptionsreaktion verläuft endotherm, beim Regenerieren während der warmen Phase des Temperaturwechselprozesses muss daher Wärme zugeführt werden, um die Rückreaktion teilweise oder vollständig ablaufen zu lassen.
Das Zuführen von Wärmeenergie, die für die Desorptionsreaktion benötigt wird, kann mittels Wärmeenergie, die von dem mindestens einen Wärmepumpensystem bereitgestellt wird, erreicht werden. Die bereitgestellte Wärmeenergie kann beispielsweise vollständig für die Desorptionsreaktion eingesetzt werden, oder beispielsweise teilweise für die Desorptionsreaktion und teilweise zum Vorwärmen des Sorptionsmittels eingesetzt werden. Unter einem Aufnehmen von Kohlenstoffdioxid mittels des Sorptionsmittels ist insbesondere ein Absorbieren und/oder Chemisorption und/oder Adsorbieren von Kohlenstoffdioxid mittels des Sorptionsmittels zu verstehen. Das Sorptionsmittel kann gasförmiges Kohlenstoffdioxid insbesondere mittels Absorption und/oder mittels Chemisorption und/oder mittels Adsorption aufnehmen bzw. sorbieren und mittels Desorption wieder freigeben.
Zur Sorption von Kohlenstoffdioxid mittels Temperatur- und Feuchtewechselprozessen können als Sorptionsmittel beispielsweise Amine, beispielsweise Diethanolamin (DEA), oder Alkalicarbonate, beispielsweise Natriumcarbonat oder Kaliumcarbonat, verwendet werden, oder auch ErdalkalimetalloxideZ-hydroxide, beispielsweise Magnesiumoxid/- hydroxid und/oder CalciumoxidZ-hydroxid. Unter einem Regenerationsprozess ist insbesondere ein Prozess zum Durchführen einer Desorption, bei der das vom Sorptionsmittel aufgenommene Gas wieder freigesetzt wird, zu verstehen. Der Regenerationsprozess erfolgt vorzugsweise in einem Desorptionsreaktor, wobei der Desorptionsreaktor insbesondere ausgebildet ist, um eine Desorption zu ermöglichen. Beim Durchführen des Regenerationsprozesses erfolgt insbesondere eine Desorption von mindestens einem Anteil des von dem Sorptionsmittel aufgenommenen Kohlenstoffdioxids.
Das Produktgas, das freigesetzt wird, umfasst Kohlenstoffdioxid. Die Konzentration, also der Volumenanteil, des Kohlenstoffdioxids in dem Produktgas ist insbesondere um ein Vielfaches höher als die Konzentration, also der Volumenanteil, des Kohlenstoffdioxids in dem Gas des Gasstroms. Unter einem Entnehmen mindestens eines Teils des in dem Produktgas enthaltenen gasförmigen Kohlenstoffdioxids ist insbesondere zu verstehen, dass zumindest ein Anteil des Kohlenstoffdioxids, das in dem Produktgas vorhanden ist, entnommen wird. Das Entnehmen mindestens eines Teils des in dem Produktgas enthaltenen gasförmigen Kohlenstoffdioxids kann auch ein Entnehmen des überwiegenden Teils des in dem Produktgas enthaltenen Kohlenstoffdioxids oder des gesamten in dem Produktgas enthaltenen Kohlenstoffdioxids umfassen.
Vorzugsweise wird das Produktgas vordem Entnehmen mindestens eines Teils des in dem Produktgas enthaltenen gasförmigen Kohlenstoffdioxids verdichtet.
Bei dem Durchführen eines Prozesses zum Ändern des Aggregatzustandes des entnommenen gasförmigen Kohlenstoffdioxids wird das entnommene gasförmige Kohlenstoffdioxid in flüssiges Kohlenstoffdioxid und/oder überkritisches Kohlenstoffdioxid und/oder festes Kohlenstoffdioxid umgewandelt. Bei der Umwandlung bzw. während des Umwandlungsprozesses fällt Abwärme an, die von dem mindestens einen Wärmepumpensystem aufgenommen wird. Diese Abwärme dient insbesondere als Wärmequelle. Die Wärme kann dann auf ein höheres Temperaturniveau angehoben werden und dann zum Bereitstellen von Reaktionswärme für die Desorption und/oder zum Erwärmen des Sorptionsmittels verwendet werden. So kann mittels des mindestens einen Wärmepumpensystems Wärmeenergie in den Regenerationsprozess, also für die Desorption, eingebracht werden.
Das mindestens eine Wärmepumpensystem umfasst vorzugsweise eine Wärmepumpe, besonders bevorzugt mehrere Wärmepumpen. Das mindestens eine Wärmepumpensystem umfasst vorzugsweise mindestens einen Verdichter und mindestens ein Kältemittel, wie etwa Wasser, Kohlenstoffdioxid, Kohlenwasserstoffe, Fluoroiefine. Besonders bevorzugt umfasst das mindestens eine Wärmepumpensystem weiterhin mindestens einen Wärmeübertrager.
Das mindestens eine Wärmepumpensystem kann auch einen offenen Wärmepumpenkreislauf umfassen oder als offener Wärmepumpenkreislauf ausgebildet sein.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante des mindestens einen Wärmepumpensystems ist das Entstehen von Produktgas im Desorptionsreaktor die Quelle des Arbeitsmittels für das wenigstens teilweise offene Wärmepumpensystem, wobei es beim Durchlaufen des Wärmepumpensystems wenigstens teilweise verflüssigt wird.
In einer möglichen Ausführungsvariante eines Produktgasverflüssigungssystems mit Wärmerückgewinnung erfüllt das Entstehen von Produktgas im Desorptionsreaktor die Funktion des Verdampfers und das Produktgas stellt gleichzeitig auch das Arbeitsmittel in einem wenigstens teilweise offenen Wärmepumpensystem dar, wobei es zunächst in einem Verdichter verdichtet wird, dann Wärme in einem Wärmeübertrager an ein weiteres Wärmepumpensystem oder direkt an den Desorptionsprozess (zum Erwärmen des Sorptionsmittels und/oder zur Bereitstellung von Wärme für die Reaktion) abgibt und danach durch Entspannung, z.B. in einer Drossel, wenigstens teilweise verflüssigt wird. Der nicht verflüssigte Anteil des Gases kann dabei in den teilweise offenen Kreislauf zusammen mit dem Produktgas aus dem Reaktor erneut eingespeist werden.
Das mindestens eine Wärmepumpensystem, und insbesondere die Wärmepumpe, ist vorzugsweise ausgebildet, um unter Aufwendung von Antriebsenergie thermische Energie aus einem Reservoir mit niedrigerer Temperatur, nämlich aus dem Prozess zum Ändern des Aggregatzustandes, aufzunehmen und, zusammen mit der Antriebsenergie, als Wärme auf ein zu beheizendes System mit höherer Temperatur, nämlich den Desorptionsreaktor, zu übertragen.
Insbesondere werden folgende Schritte durchgeführt: Übertragen von Abwärme, die bei dem Umwandeln des entnommenen gasförmigen Kohlenstoffdioxids in flüssiges Kohlenstoffdioxid abgegeben wird, in ein Wärmepumpensystem, und Bereitstellen von Reaktionswärme für die Desorption und/oder Erwärmen des Sorptionsmittels während des Regenerationsprozesses durch Einbringen von Wärmeenergie mittels des Wärmepumpensystems. Als Wärmequelle für das Wärmepumpensystem wird also insbesondere Prozesswärme verwendet, wobei diese Prozesswärme insbesondere mittels des Herstellens von flüssigem Kohlenstoffdioxid und/oder Trockeneis bereitgestellt wird. Das Wärmepumpensystem kann dann dem Sorptionsmittel Wärme zuführen, um Wärme fürdie Desorption bereitzustellen. Die Prozesswärme wird hier auch als Abwärme bezeichnet.
Das Ändern des Aggregatzustandes kann insbesondere ein Umwandeln von gasförmigem Kohlenstoffdioxid in flüssiges Kohlenstoffdioxid umfassen. Vorzugsweise umfasst das Ändern des Aggregatzustandes das Umwandeln von flüssigem Kohlenstoffdioxid in festes Kohlenstoffdioxid. Insbesondere kann das Ändern des Aggregatzustandes ein Umwandeln von gasförmigem Kohlenstoffdioxid in flüssiges Kohlenstoffdioxid und ein Umwandeln von dem flüssigen Kohlenstoffdioxid in festes Kohlenstoffdioxid umfassen.
Das Ändern des Aggregatzustandes kann insbesondere ein Umwandeln von gasförmigem Kohlenstoffdioxid in überkritisches Kohlenstoffdioxid umfassen. Vorzugsweise umfasst das Ändern des Aggregatzustandes ein Umwandeln von überkritischem Kohlenstoffdioxid in flüssiges Kohlenstoffdioxid. Vorzugsweise umfasst das Ändern des Aggregatzustandes das Umwandeln von flüssigem Kohlenstoffdioxid in festes Kohlenstoffdioxid. Es ist besonders bevorzugt, wenn das Ändern des Aggregatzustandes ein Umwandeln von gasförmigem Kohlenstoffdioxid in überkritisches Kohlenstoffdioxid und ein Umwandeln von dem überkritischen Kohlenstoffdioxid in flüssiges Kohlenstoffdioxid, und vorzugsweise ein Umwandeln von dem flüssigen Kohlenstoffdioxid in festes Kohlenstoffdioxid, umfasst. Die Begriffe festes Kohlenstoffdioxid und Trockeneis werden in diesem Dokument synonym verwendet. Unter überkritischem Kohlenstoffdioxid, das auch als superkritisches Kohlenstoffdioxid bezeichnet wird, ist insbesondere Kohlenstoffdioxid in einem fluiden Zustand über seiner kritischen Temperatur und seinem kritischen Druck zu verstehen.
Ein Vorteil eines solchen Verfahrens liegt darin, dass bei dem hier beschriebenen Verfahren im Vergleich zu bekannten Verfahren deutlich weniger Energie für den Gesamtprozess zum Abscheiden von Kohlenstoffdioxid und zum Ändern des Aggregatzustandes des Kohlenstoffdioxids benötigt wird. Durch den geringeren Energieverbrauch und insbesondere in Verbindung mit dem Einsatz von erneuerbaren Energien wird das Abscheiden von Kohlenstoffdioxid aus Gasströmen, insbesondere aus der Umgebungsluft, und das Ändern des Aggregatzustandes des Kohlenstoffdioxids mit dem hier beschriebenen Verfahren auf wirtschaftliche Weise ermöglicht. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass das Verfahren insbesondere in Verbindung mit einer effizienten Nutzung von mechanischer und/oder elektrischer Energie, wie sie insbesondere mittels Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Energien, wie Windenergieanlagen, Photovoltaikanlagen, Wasserkraftanlagen, usw., deren Betrieb gerade an entlegenen Standorten oft besonders wirtschaftlich erfolgen kann, möglich ist. Da insbesondere entlegene Standorte auch besonders gut zum Betrieb von Anlagen zum Abscheiden von Kohlendioxid aus der Umgebungsluft geeignet sind, ist diese Art der Energiebereitstellung mit teilweise sehr günstigen Strompriesen an geeigneten Standorten besonders wirtschaftlich möglich.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Herunterkühlen und/oder das Ändern des Aggregatzustandes des Kohlenstoffdioxids und das Erwärmen des Sorptionsmittels mittels eines einzigen Wärmepumpensystems erfolgen kann, wobei das Wärmepumpensystem mehrere Wärmepumpen aufweisen kann. So kann die beim Herunterkühlen und/oder beim Ändern des Aggregatzustandes anfallende Abwärme als Wärmequelle für das Wärmepumpensystem genutzt werden, mit dem dann das Sorptionsmittel zum Freisetzen des Kohlenstoffdioxids aus dem Sorptionsmittel erwärmt wird.
Weiterhin kann die beim Herunterkühlen und/oder beim Ändern des Aggregatzustandes anfallende Abwärme zu einem Anteil als Wärmequelle für ein erstes Wärmepumpensystem genutzt werden, mit dem dann das Sorptionsmittel zum Freisetzen des Kohlenstoffdioxids aus dem Sorptionsmittel erwärmt wird, und wobei ein weiterer Teil der anfallenden Abwärme von einem weiteren Wärmepumpensystem aufgenommen wird und der Vorwärmung des Sorptionsmittels zugeführt wird.
Bei der CO2-Verflüssigung und/oder Trockeneisherstellung ist es üblich, zur Prozesskühlung Luft oder Kühlwasser zu verwenden, sodass unter Verwendung bekannter Verflüssigungssysteme große Luftkühler oder Wasserkühltürme nötig sind. Mit dem hier beschriebenen Verfahren und dem darin verwendeten mindestens einen Wärmepumpensystem kann auf solche Luftkühler oder Wasserkühltürme verzichtet werden und auf besonders vorteilhafte Weise sogar die Abwärme, die bei der CO2- Verflüssigung und/oder Trockeneisherstellung anfällt, noch weiterverwendet werden, indem diese mittels des mindestens einen Wärmepumpensystems für die Desorption eingesetzt wird.
Ein weiterer Vorteil liegt somit darin, dass Wärme, insbesondere Abwärme bzw. Prozesswärme aus der Aggregatzustandsänderung, nicht über ein Zwischenmedium oder direkt an die Umgebung abgegeben werden muss und die dadurch benötigte Wärmeübertragungsfläche für eine Wärmeübertragung insgesamt reduziert werden kann, wobei außerdem eine geringere Überhitzung des Kältemittels für den Wärmeübergang stattfinden muss und somit Exergieverlust verringert wird.
Weiterhin kann so eine ansonsten zum Bereitstellen von Wärme für den Desorptionsprozess erforderliche Wärmepumpe, die Wärme aus der Umgebung gewinnt, entweder wegfallen oder deutlich kleiner dimensioniert werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt: Lagern des mittels des Prozesses zum Ändern des Aggregatzustandes erzeugten festen Kohlenstoffdioxids in Form von Trockeneis in einem Trockeneislager.
Eine Herausforderung von CCS, und insbesondere von DACCS, stellt eine sichere und kontrollierbare Lagerung von Kohlenstoffdioxid dar. So ist es in der Regel schwierig, beispielsweise im Rahmen eines CO2-Zertifikate-Handelssystems, bei dem Negativemissionen berücksichtigt werden, den Verbleib von abgeschiedenem Kohlenstoffdioxid sicherzustellen und nachzuweisen. Dies ist bei Verfahren wie der Mineralisierung oder dem Verpressen von Kohlenstoffdioxid in tiefen geologischen Schichten, wie z.B. entleerten Gasfeldern, typischerweise selbst unter Verwendung aufwändiger geophysikalischer Datenerfassungsmethoden nur unzureichend möglich. Leckagen können beispielsweise durch Spalte weit entfernt vom Ort einer Tiefenbohrung oder erst nach langer Zeit auftreten, sind deshalb schwer zu entdecken und kaum vorhersagbar.
Eine Alternative zu den in bekannten Verfahren verwendeten Lagerungsarten bzw. Speicherungsarten stellt das Lagern von Kohlenstoffdioxid in der Form von Trockeneis, also in fester Form, an der Erdoberfläche dar.
Ein wesentlicher Vorteil der Lagerung von Kohlenstoffdioxid im festen Aggregatzustand an der Erdoberfläche ist die gute Zugänglichkeit. Füllstände in einem Lager können direkt gemessen werden. Eine Sichtprüfung des eingelagerten Trockeneises ist möglich, genauso auch ein Umlagern des eingelagerten CO2 an andere Lagerstandorte. Außerdem ist es möglich größere Mengen von Kohlenstoffdioxid als Ausgangsstoff etwa für synthetische Kraftstoffe oder für eine Kohlenstoffdioxid-Düngung von Pflanzen bereitzustellen, denn das Kohlenstoffdioxid kann direkt aus einem Trockeneislager mit geringem Aufwand entnommen werden. Es ist besonders bevorzugt, dass das Verfahren umfasst: Erzeugen des Gasstroms, insbesondere in Form eines aus der Umgebungsluft erzeugten Gasstroms, vorzugsweise mittels mindestens eines Gebläses, wobei insbesondere das Sorptionsmittel in einem Sorptionsmittelluftkontaktsystem mit dem Gasstrom in Kontakt gebracht wird. Der Gasstrom kann insbesondere mit einem oder mit mehreren Gebläsen erzeugt werden. In dem Sorptionsmittelluftkontaktsystem wird dann ein Kontakt zwischen dem erzeugten Gasstrom und dem Sorptionsmittel ermöglicht, sodass das Sorptionsmittel Kohlenstoffdioxid aus dem Gasstrom aufnehmen kann.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte: Verdichten des Produktgases und anschließend Entnehmen von Wärme aus dem verdichteten Produktgas, wobei diese Wärme wenigstens teilweise zum Bereitstellen von Reaktionswärme für die Desorption und/oder zum Erwärmen des Sorptionsmittels in den Regenerationsprozess eingebracht wird, wobei vorzugsweise das Produktgas, nach der Wärmeentnahme, entspannt wird und dabei teilweise kondensiert.
Es ist besonders bevorzugt, dass das Verfahren umfasst: Vorwärmen des Sorptionsmittels nach dem Aufnehmen von Kohlenstoffdioxid aus dem Gasstrom mittels des Sorptionsmittels, wobei sensible Wärme des Sorptionsmittels nach dem Regenerationsprozesses von einem Wärmerückgewinnungssystem aufgenommen wird und wobei mittels dieses Wärmerückgewinnungssystems Wärmeenergie dem vorzuwärmenden Sorptionsmittel zugeführt wird zum Vorwärmen des Sorptionsmittels. Das Vorwärmen kann beispielsweise mittels eines Schüttgutwärmeübertragers erfolgen. Sensible Wärme des Sorptionsmittels kann also zum Vorwärmen des Sorptionsmittels verwendet werden, das vorgewärmt werden soll. Ein solches für das Vorwärmen des Sorptionsmittels verwendete Wärmerückgewinnungssystem kann insbesondere ein von dem mindestens einen Wärmepumpensystem, das zum Erwärmen des Sorptionsmittels eingesetzt wird, verschiedenes Wärmerückgewinnungssystem sein. Es handelt sich hierbei also vorzugsweise um einen unabhängigen Systemkreislauf. Das Wärmerückgewinnungssystem kann eine Wärmepumpe aufweisen. Ein Vorwärmen kann beispielsweise auch alternativ oder zusätzlich mittels einer Wärmezufuhr über einen Anschluss an das Wärmepumpensystem erfolgen.
Es ist besonders bevorzugt, dass nach dem Durchführen des Regenerationsprozesses das Sorptionsmittel wieder dem Gasstrom ausgesetzt wird, insbesondere in dem Sorptionsmittelluftkontaktsystem, um erneut Kohlenstoffdioxid aus dem Gasstrom aufzunehmen. Vorzugsweise wird das Sorptionsmittel in einem sich wiederholenden Kreislauf bewegt, in dem es zunächst Kohlenstoffdioxid aus dem Gasstrom aufnimmt, es dann regeneriert wird, wobei dann das aufgenommene Kohlenstoffdioxid mittels Desorption wieder abgegeben wird.
Es ist besonders bevorzugt, dass das Sorptionsmittel beim Durchführen des Regenerationsprozesses auf eine Temperatur von vorzugsweise mindestens 40 °C, besonders bevorzugt in einen Bereich zwischen 80 °C und 150 °C, insbesondere über 100 °C, und vorzugsweise höchstens 200 °C gebracht wird.
Es ist besonders bevorzugt, dass das Entnehmen mindestens eines Teils des in dem Produktgas enthaltenen gasförmigen Kohlenstoffdioxids umfasst: Abkühlen des Produktgases und Kondensieren zumindest eines Teils des in dem Produktgas enthaltenem Wasserdampfs zu Wasser, und vorzugsweise Trennen des kondensierten Wassers von dem Produktgas, wobei vorzugsweise Abwärme, die während des Abkühlens des Produktgases und/oder des Kondensierens anfällt, von dem mindestens einen Wärmepumpensystem aufgenommen wird und wobei mittels dieses mindestens einen Wärmepumpensystems Wärmeenergie zum Bereitstellen von Reaktionswärme für die Desorption und/oder zum Erwärmen des Sorptionsmittels in den Regenerationsprozess eingebracht wird. Vorzugsweise wird der enthaltene Wasserdampf zum überwiegenden Teil oder vollständig kondensiert. Vorzugsweise wird die Abwärme, die bei dem Kühlen des Produktgases und/oder bei dem Kondensieren von Wasser anfällt, mittels eines Wärmepumpensystems auf ein höheres Temperaturniveau angehoben und dem Regenerationsprozess zur Desorption des Sorptionsmittels zugeführt.
Bevorzugt wird ein Wärmepumpensystem verwendet. Es können aber auch mehrere Wärmepumpensysteme verwendet werden, wobei beispielsweise ein Wärmepumpensystem Prozesswärme, die während des Abkühlens des Produktgases und/oder des Kondensierens anfällt, verwendet und ein anderes Wärmepumpensystem Prozesswärme, die während des Durchführens des Prozesses zum Ändern des Aggregatzustands anfällt, verwendet.
Vorzugsweise umfasst das Produktgas Kohlenstoffdioxid und Wasser. Das Produktgas umfasst vorzugsweise mindestens 2 Vol.-% gasförmiges Kohlenstoffdioxid, besonders bevorzugt mindestens 10 Vol.-% gasförmiges Kohlenstoffdioxid, insbesondere bis zu 50 Vol.-% gasförmiges Kohlenstoffdioxid, beispielsweise kann das Produktgas ca. 50 Vol.-% Wasserdampf und ca. 50 Vol.-% gasförmiges Kohlenstoffdioxid umfassen. Ein erstes Abkühlen des Produktgases erfolgt beispielsweise, auf eine Temperatur zwischen -20 °C und +50 °C, insbesondere auf +10 °C. Hierbei wird enthaltener Wasserdampf überwiegend auskondensiert.
Das Produktgas kann insbesondere nach einem Verdichten auf einen erhöhten Druck bis zu der diesem Druck entsprechenden Kondensationstemperatur (“Sattdampf’) abgekühlt werden, wodurch es kondensieren soll, also flüssig wird. Beispielsweise würde ein Kondensieren bei einem Druck von ca. 35 bar bei ca. 0 °C erfolgen.
Es ist besonders bevorzugt, dass während des Durchführens des Prozesses zum Ändern des Aggregatzustandes des entnommenen gasförmigen Kohlenstoffdioxids das Kohlenstoffdioxid mittels des mindestens einen Wärmepumpensystems gekühlt wird, wobei die Temperatur des Kohlenstoffdioxids reduziert wird und sich der Aggregatzustand des Kohlenstoffdioxids ändert. Insbesondere wird das gasförmige Kohlenstoffdioxid heruntergekühlt, wobei dem Kohlenstoffdioxid Wärme entzogen wird. Insbesondere bei der Umwandlung des gasförmigen Kohlenstoffdioxids in flüssiges Kohlenstoffdioxid wird durch den Phasenübergang Prozesswärme bereitgestellt. Zum Kühlen kann zusätzlich oder alternativ auch ein Gegenstromwärmeübertrager mit einem kalten Kohlenstoffdioxid-Strom verwendet werden. Es kann auch über weite Teile eine Wärmeabgabe an die Umgebung erfolgen.
Es ist besonders bevorzugt, dass das mindestens eine Wärmepumpensystem eine Wärmepumpe mit einem Kältemittel umfasst, das Kältemittel insbesondere umfassend oder bestehend aus einem oder mehreren Kohlenwasserstoffen, beispielsweise Butan, und/oder Wasser und/oder eine auf Hydrofluorolefin (HFO) basierende Arbeitsflüssigkeit, wobei das Kältemittel vorzugsweise mittels eines Verdichters verdichtet wird. Das Kältemittel kann beispielsweise bei Einsatz von Butan als Kältemittel auf einen Druck von beispielsweise 30 bar bis 40 bar verdichtet werden, insbesondere auf einen Druck von ca. 36,7 bar. Vorzugsweise hält das Kältemittel einer Temperatur von mindestens 80 °C, besonders bevorzugt mindestens 120 °C, insbesondere mindestens 140 °C, dauerhaft stand.
Es ist besonders bevorzugt, dass das Durchführen des Prozesses zum Ändern des Aggregatzustandes des entnommenen gasförmigen Kohlenstoffdioxids, umfasst: Verdichten des entnommenen gasförmigen Kohlenstoffdioxids, und/oder Verflüssigen des entnommenen, insbesondere verdichteten, gasförmigen Kohlenstoffdioxids, und vorzugsweise Abkühlen des verflüssigten Kohlenstoffdioxids, insbesondere mittels des mindestens einen Wärmepumpensystems, mit welchem Wärmeenergie zum Bereitstellen von Reaktionswärme für die Desorption und/oder zum Erwärmen und/oder zum Trocknen des Sorptionsmittels in den Regenerationsprozess eingebracht wird, und/oder Herstellen von festem Kohlenstoffdioxid in Form von Trockeneis, vorzugsweise aus dem verflüssigten Kohlenstoffdioxid.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren: Verdichten des Produktgases, und vorzugsweise Abkühlen des Produktgases, insbesondere mittels des mindestens einen Wärmepumpensystems, mit welchem Wärmeenergie zum Bereitstellen von Reaktionswärme für die Desorption und/oder zum Erwärmen des Sorptionsmittels in den Regenerationsprozess eingebracht wird.
Unter einem Verdichten ist hier und im Folgenden vorzugsweise ein mehrstufiger Verdichtungsprozess zu verstehen.
Ein Verdichten des entnommenen gasförmigen Kohlenstoffdioxids kann insbesondere mittels eines CO2-Verdichters erfolgen, wobei das Kohlenstoffdioxid beispielsweise auf einen Druck von mindestens 10 bar, vorzugsweise mindestens 20 bar und vorzugsweise höchstens 50 bar, insbesondere ca. 40 bar, verdichtet werden kann. Ein Verflüssigen des entnommenen, insbesondere verdichteten, gasförmigen Kohlenstoffdioxids kann insbesondere mittels eines CO2-Verflüssigungssystems erfolgen, wobei das Kohlenstoffdioxid besonders bevorzugt durch Abkühlung auf ca. 0 °C und Wärmeentzug mittels des mindestens einen Wärmepumpensystems verflüssigt wird. Eine Abkühlung hin zu tieferen Temperaturen kann dann insbesondere in einem Gegenstromwärmeübertrager erfolgen, wobei insbesondere das verflüssigte Kohlenstoffdioxid die Wärme an ca. -70 °C bis ca. -78,5 °C kaltes Kohlenstoffdioxid, das bei der Trockeneisbildung entsteht, und ggf. aus dem Trockeneislager heraussublimiert, abgibt. Verflüssigtes Kohlenstoffdioxid kann insbesondere auch mittels des mindestens einen Wärmepumpensystems abgekühlt werden. Trockeneis kann insbesondere durch Entspannung von flüssigem Kohlenstoffdioxid mit Verdampfung eines Anteils des flüssigen Kohlenstoffdioxids, beispielsweise mittels eines Trockeneisherstellungssystems, hergestellt werden, insbesondere mittels eines Pelletextruders oder einer Drossel.
Es ist besonders bevorzugt, dass das Sorptionsmittel mindestens ein Alkalikarbonat, vorzugsweise mehrere Alkalikarbonate, umfasst, wobei das Sorptionsmittel vorzugsweise mindestens 5 Gewichts-% Natriumhydrogencarbonat, und/oder mindestens 5 Gewichts-% Kaliumhydrogencarbonat enthält, wobei das Sorptionsmittel mittels Wärmezufuhr regeneriert wird, wobei vorzugsweise gasförmiges Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf aus dem Sorptionsmittel freigesetzt werden. Dabei wird vorzugsweise nur eine geringe Menge an Wasserdampf freigesetzt. In einer besonders bevorzugten Ausführung wird das Produktgas im Desorptionsreaktor oder im Austausch mit einem verbundenen System zirkuliert, wobei ihm mittels eines geeigneten Trocknungsmittels Wasserdampf entzogen wird.
Dabei wird vorzugsweise als Druck im Bereich des Sorptionsmittels Umgebungsdruck oder ein Überdruck relativ zum Umgebungsdruck bereitgestellt, insbesondere indem der Druck durch austretendes Kohlenstoffdioxid und Erwärmung entsteht. Wenn ein Überdruck anliegt, kann auf besonders bevorzugte Weise gebundenes oder durch die Desorptionsreaktion entstehendes Wasser nicht, oder jedenfalls nurteilweise, verdampfen und bleibt überwiegend im Sorptionsmittel gebunden, sodass eine Verdampfung nicht oder nur teilweise erfolgt und somit für die Verdampfung zumindest eines Teils des Wassers keine zusätzliche Wärme eingetragen werden muss. Somit kann die Energieeffizienz bei hohen Temperaturen von über 100 °C und/oder einem Überdruck relativ zum Umgebungsdruck auf besonders vorteilhafte Weise deutlich verbessert werden.
Es ist besonders bevorzugt, dass das verflüssigte Kohlenstoffdioxid, vorzugsweise mittels eines Gegenstromwärmeübertragers, abgekühlt und anschließend in einem Trockeneisherstellungssystem entspannt wird auf einen Druck im Bereich zwischen 90 % und 1 10 % des Umgebungsdrucks, wobei insbesondere aus dem flüssigen Kohlenstoffdioxid ein erster Anteil als Trockeneis bereitgestellt wird und ein zweiter Anteil als gasförmiges Kohlenstoffdioxid, das zurückgeleitet und, vorzugsweise mittels des Gegenstromwärmeübertragers, erwärmt wird, wobei vorzugsweise das erwärmte gasförmige Kohlenstoffdioxid einem Verdichter zum Verdichten zugeführt wird.
Es ist besonders bevorzugt, dass das Verfahren umfasst: Auffangen von in dem Trockeneislager sublimierten Kohlenstoffdioxid, und vorzugsweise Führen des sublimierten Kohlenstoffdioxids in den Gegenstromwärmeübertrager, und Umwandeln des sublimierten Kohlenstoffdioxids in Trockeneis und Lagern des Trockeneises im Trockeneislager. Vorzugsweise wird das sublimierte Kohlenstoffdioxid vor dem Umwandeln in Trockeneis mittels eines Verdichters verdichtet.
Mittels des Gegenstromwärmeübertragers kann auf diese Weise ermöglicht werden, dass sublimiertes Kohlenstoffdioxid in den Prozess zurückgeführt wird, wobei dies auf eine besonders energieeffiziente Weise erfolgen kann. Flüssiges, beispielsweise bei 4 °C aus dem sublimierten Kohlenstoffdioxid kondensiertes Kohlenstoffdioxid, kann vorzugsweise im Gegenstromwärmeübertrager auf eine Temperatur am Tripelpunkt abgekühlt werden, bevor es expandiert und teilweise in Trockeneis umgewandelt wird. Der vorzugsweise noch kalte Gasstrom mit sublimiertem Kohlenstoffdioxid kann mit eingespeist werden und insbesondere vor einem Verdichten und einem Verflüssigen des Kohlenstoffdioxids bei beispielsweise 4 °C erwärmt werden.
Insbesondere kann eine Kühlhaltung des Trockeneislagers dadurch verbessert werden, dass das durch eindringende Wärme zu gasförmigem Kohlenstoffdioxid aus dem Trockeneis heraussublimierte Kohlenstoffdioxid abgefangen, optional verflüssigt, und in Trockeneis umgewandelt und letztlich wieder als Trockeneis im Trockeneislager gespeichert wird. Die beim Umwandeln des gasförmigen Kohlenstoffdioxids in flüssiges Kohlenstoffdioxid bzw. in Trockeneis anfallende Abwärme wird besonders bevorzugt mittels des mindestens einen Wärmepumpensystems ebenfalls wieder dem Regenerationsprozess zugeführt. Dadurch kann auf besonders vorteilhafte Weise eine verbesserte Energieeffizienz des Prozesses insgesamt erreicht werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zum Abscheiden von Kohlenstoffdioxid aus einem Gasstrom, insbesondere aus einem aus der Umgebungsluft erzeugten Gasstrom, umfassend ein Sorptionsmittelluftkontaktsystem, das ausgebildet ist zum Erzeugen eines Gasstroms und zur Aufnahme eines Sorptionsmittels, wobei insbesondere das Sorptionsmittel in einem erzeugten Gasstrom anordbar ist, ein Desorptionsreaktor, der ausgebildet ist zum Durchführen eines Regenerationsprozesses mittels Desorption von mindestens einem Teil des von dem Sorptionsmittel aufgenommenen Kohlenstoffdioxids, um ein Produktgas, das Kohlenstoffdioxid enthält oder daraus besteht, aus dem Sorptionsmittel freizusetzen, wobei ein Aggregatzustandsänderungssystem, das ausgebildet ist zum Durchführen eines Prozesses zum Ändern des Aggregatzustandes von in dem Produktgas enthaltenem gasförmigen Kohlenstoffdioxid, wobei das gasförmige Kohlenstoffdioxid mittels des Aggregatzustandsänderungssystems in flüssiges Kohlenstoffdioxid und/oder überkritisches Kohlenstoffdioxid und/oder festes Kohlenstoffdioxid umwandelbar ist, mindestens ein Wärmepumpensystem, das ausgebildet ist, um Abwärme, die während des Durchführens des Prozesses zum Ändern des Aggregatzustandes abgegeben wird, aufzunehmen, wobei das mindestens eine Wärmepumpensystem ausgebildet ist, um Wärmeenergie zum Bereitstellen von Reaktionswärme für die Desorption und/oder zum Erwärmen des Sorptionsmittels in den Regenerationsprozess einzubringen, wobei die Vorrichtung vorzugsweise ausgebildet ist, um das hier beschriebene Verfahren auszuführen.
Unter einer solchen Vorrichtung ist insbesondere eine DAC-Anlage zu verstehen oder auch eine DACCS-Anlage.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein System zum Abscheiden von Kohlenstoffdioxid aus einem Gasstrom, insbesondere aus einem aus der Umgebungsluft erzeugten Gasstrom, und zum Speichern des abgeschiedenen Kohlenstoffdioxids, umfassend eine wie hier beschriebene Vorrichtung und ein Trockeneislager, das ausgebildet ist zum Lagern von mittels der Vorrichtung erzeugtem festen Kohlenstoffdioxid in Form von Trockeneis.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch eine Verwendung einer wie hier beschriebenen Vorrichtung und/oder eines wie hier beschriebenen Systems zum Abscheiden von Kohlenstoffdioxid aus der die Vorrichtung umgebenden Umgebungsluft und vorzugsweise zum Speichern des abgeschiedenen Kohlenstoffdioxids in Form von Trockeneis.
Zu den Vorteilen, Ausführungsvarianten und Ausführungsdetails der verschiedenen Aspekte der hier beschriebenen Lösungen und ihrer jeweiligen möglichen Fortbildungen wird auch auf die Beschreibung zu den entsprechenden Merkmalen, Details und Vorteilen der jeweils anderen Aspekte und ihrer Fortbildungen verwiesen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nachfolgend und rein beispielhaft anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 : ein Verfahrensschema eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum
Abscheiden von Kohlenstoffdioxid aus einem Gasstrom;
Fig. 2: eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines
Verfahrens zum Abscheiden von Kohlenstoffdioxid aus einem Gasstrom;
Fig. 3: eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines
Verfahrens zum Abscheiden von Kohlenstoffdioxid aus einem Gasstrom. In den Figuren sind gleiche oder im Wesentlichen funktionsgleiche bzw. -ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Fig. 1 zeigt ein Verfahrensschema eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Abscheiden von Kohlenstoffdioxid aus einem Gasstrom, insbesondere aus einem aus der Umgebungsluft erzeugten Gasstrom.
In Fig. 1 sind Bewegungen gasförmiger Stoffe als gepunktete Linien, Bewegungen von Feststoffen als gestrichelte Linien und Bewegungen von Flüssigkeiten als durchgängige Linien dargestellt. Die im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Wärmeströme sind als Punktstrichlinien dargestellt.
Mittels eines Sorptionsmittelluftkontaktsystems 1 , in dem ein Gebläse vorhanden ist, wird mittels des Gebläses ein Gasstrom aus der Umgebungsluft erzeugt. In dem Sorptionsmittelluftkontaktsystem wird ein Sorptionsmittel, welches vorzugsweise eine Vielzahl von Sorptionspartikeln umfasst, mit dem Gasstrom in Kontakt gebracht. Der aus der Umgebungsluft erzeugte Gasstrom umfasst unter anderem Kohlenstoffdioxid und Wasser. Das Sorptionsmittel nimmt gasförmiges Kohlenstoffdioxid aus dem Gasstrom auf. Wenn das Sorptionsmittel Kohlenstoffdioxid aufgenommen hat, wird das Sorptionsmittel aus dem Sorptionsmittelluftkontaktsystem 1 entnommen 71 und über ein Vorwärmsystem 2 mit einem Schüttgutwärmeübertrager in einen Desorptionsreaktor 3 eingeleitet 72. Die zur Desorption benötigte Wärme wird dabei mittels eines Wärmepumpensystems 10 bereitgestellt. Das regenerierte Sorptionsmittel wird aus dem Desorptionsreaktor 3 zur Wärmerückgewinnung in ein Sorptionsmittelwärmeentzugssystem 11 eingeleitet 73, wo es einen Teil seiner enthaltenen Wärme, indirekt über einen Gasstrom und/oder direkt über Kontakt zu Wärmeübertragungsflächen an das vorzuwärmende Sorptionsmittel abgibt 86. Das teilweise abgekühlte Sorptionsmittel wird dann wieder zum Sorptionsmittelluftkontaktsystems 1 zurückgeführt 74, wo es erneut zur Aufnahme von Kohlenstoffdioxid verwendet wird.
Bei der Desorption bzw. der Regeneration des Sorptionsmittels wird ein Produktgas freigesetzt und in ein CO2-Aufbereitungssystem 4 zur Produktgaskühlung und Wasserkondensation geführt 94. Das Produktgas umfasst gasförmiges Kohlenstoffdioxid, Stickstoff und Wasserdampf, und dabei beispielsweise 50 Vol.-% Kohlenstoffdioxid. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das Produktgas auf 10 °C abgekühlt, sodass der größte Teil des Wasserdampfes kondensiert und als flüssiges Wasser der Anlage entnommen werden kann. Die dem Produktgas dabei entzogene Wärme 87 wird dem Wärmepumpensystem 10 zugeführt. Dann wird das Kohlenstoffdioxid einem CO2- Verdicher 5 zugeführt 95.
Das vorgetrocknete Kohlenstoffdioxid wird im nächsten Schritt in dem CO2-Verdichter 5, insbesondere in einem mehrstufigen Prozess, auf einen Druck von ca. 40 bar verdichtet und dann in ein CO2-Verflüssigungssystem 6 geführt 96. Das Kohlenstoffdioxid wird mittels Kontakts mit einem Wärmeübertrager des Wärmepumpensystem 10 auf 5 °C heruntergekühlt und überträgt dabei Wärme 89 an das Wärmepumpensystem 10.
Unterhalb einer kritischen Temperatur von 31 °C kann bei entsprechendem Sattdampfdruck flüssiges Kohlenstoffdioxid hergestellt werden. Bei einer Temperatur von 5 °C kondensiert das Kohlenstoffdioxid bei einem Druck von ca. 39,6 bar. Die bei der Kondensation freigesetzte Wärme 89 wird dem Wärmepumpensystem 10 zugeführt.
Um das Temperaturniveau der zurückgewonnenen Wärme von 5 °C auf über 100 °C, die für die Desorption vorzugsweise benötigt werden, zu erhöhen, wird eine mit Kältemittel befüllte Wärmepumpe verwendet. Dabei wird in diesem Ausführungsbeispiel ein Wärmepumpensystem mit einem Kältemittel, das Butan umfasst, verwendet. Das Kältemittel verdampft ungefähr bei einer Temperatur von ca. 0 °C und einem Druck von ca. 1 ,032 bar. Das Kältemittel wird im Wärmepumpensystem mittels eines Verdichters auf einen Druck von beispielsweise 36,7 bar verdichtet. Die bei 0 °C aufgenommene Wärme wird dann bei diesem Druck und einer Kondensationstemperatur von 150 °C wieder abgegeben, wobei das Kondensieren in der Innenseite von Rohren oder auch Rohrbündeln oder Rohrschlangen oder sogenannten „Pillow-Plate“-Modulen erfolgt. Unter „Pillow- Plate“-Modulen sind insbesondere Module für Wärmeübertrager zu verstehen, die eine wellenförmige bzw. kissenförmige Oberfläche aufweisen. Die Rohre sind dabei Teil eines Schüttgutwärmeübertragersystems im Desorptionsreaktor 3, sodass die Wärme an der Außenseite der Rohre an ein ca. 135 °C warmes Sorptionsmittel übertragen wird und aus dem Sorptionsmittel Kohlenstoffdioxid und Wasser desorbiert werden können.
Das in dem Verflüssigungssystem 6 verflüssigte Kohlenstoffdioxid wird zu einem Gegenstromwärmeübertrager 7 geführt 61 und mittels des Gegenstromwärmeübertragers 7 abgekühlt. Dann wird das flüssige Kohlendioxid in ein Trockeneisherstellungssystem geführt, wo es beim Durchgang durch eine geeignete Drossel entspannt und dabei teilweise in festes Kohlenstoffdioxid und teilweise in gasförmiges Kohlenstoffdioxid umgewandelt wird. Der Anteil an festem Kohlenstoffdioxid wird in ein Trockeneislager 9 geführt 63. Der Anteil an gasförmigem Kohlendioxid wird als kalter Gasstrom 98 mit einer Temperatur von ca. -78,5 °C durch den Gegenstromwärmeübertrager 7 zurückgeleitet und erwärmt. Dieser Gasstrom wird dann ebenfalls dem Verdichter 5 zugeführt 93.
In dem Trockeneislager 9 entsteht unter bestimmten Bedingungen (insbesondere ein Druck zwischen Atmosphärendruck und 1 ,1 bar in der Gasphase und einer Temperatur von ca. -78,5 °C) kontinuierlich gasförmiges Kohlenstoffdioxid in einem Sublimationsprozess, der durch den ständigen Wärmeeintrag aus der Umgebung bedingt ist, da die Umgebung typischerweise wärmer als das Trockeneislager ist. Das sublimierte Kohlenstoffdioxid wird aufgefangen und danach zum Gegenstromwärmeübertrager 7 geführt 99. Dieser Gasstrom wird dann ebenfalls dem Verdichter 5 zugeführt 93, sodass aus diesem sublimierten Kohlenstoffdioxid in dem hier beschriebenen Verfahren zunächst flüssiges Kohlenstoffdioxid und daraus dann festes Kohlenstoffdioxid hergestellt werden kann, wobei die dabei anfallende Abwärme wieder dem Wärmepumpensystem 10 zugeführt wird.
Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 200 zum Abscheiden von Kohlenstoffdioxid aus einem Gasstrom. Das Verfahren ist ausgebildet zum Abscheiden von Kohlenstoffdioxid aus einem Gasstrom, insbesondere aus einem aus der Umgebungsluft erzeugten Gasstrom. Das Verfahren 200 umfasst die folgenden Schritte:
In einem Schritt 210, Bereitstellen eines Sorptionsmittels in einem Gasstrom, wobei der Gasstrom gasförmiges Kohlenstoffdioxid enthält. In einem Schritt 220, Aufnehmen von Kohlenstoffdioxid aus dem Gasstrom mittels des Sorptionsmittels. In einem Schritt 230, Durchführen eines Regenerationsprozesses mittels Desorption von mindestens einem Teil des von dem Sorptionsmittel aufgenommenen Kohlenstoffdioxids, wobei ein Produktgas, das Kohlenstoffdioxid enthält oder daraus besteht, aus dem Sorptionsmittel freigesetzt wird. In einem Schritt 240, Entnehmen mindestens eines Teils des in dem Produktgas enthaltenen gasförmigen Kohlenstoffdioxids. In einem Schritt 250, Durchführen eines Prozesses zum Ändern des Aggregatzustandes des entnommenen gasförmigen Kohlenstoffdioxids, wobei das entnommene gasförmige Kohlenstoffdioxid in flüssiges Kohlenstoffdioxid und/oder überkritisches Kohlenstoffdioxid und/oder festes Kohlenstoffdioxid umgewandelt wird, wobei Abwärme, die während des Durchführens des Prozesses zum Ändern des Aggregatzustandes abgegeben wird, von mindestens einem Wärmepumpensystem aufgenommen wird und wobei mittels des mindestens einen Wärmepumpensystems Wärmeenergie zum Bereitstellen von Reaktionswärme für die Desorption und/oder zum Erwärmen des Sorptionsmittels in den Regenerationsprozess eingebracht wird. Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 200 zum Abscheiden von Kohlenstoffdioxid aus einem Gasstrom. Das Verfahren ist ausgebildet zum Abscheiden von Kohlenstoffdioxid aus einem Gasstrom, insbesondere aus einem aus der Umgebungsluft erzeugten Gasstrom. Das Verfahren 200 umfasst die folgenden Schritte:
In einem Schritt 205, Erzeugen eines Gasstroms, insbesondere in Form eines aus der Umgebungsluft erzeugten Gasstroms, vorzugsweise mittels mindestens eines Gebläses, wobei insbesondere das Sorptionsmittel in einem Sorptionsmittelluftkontaktsystem mit dem Gasstrom in Kontakt gebracht wird. In einem Schritt 210, Bereitstellen eines Sorptionsmittels in einem Gasstrom, wobei der Gasstrom gasförmiges Kohlenstoffdioxid enthält. In einem Schritt 220, Aufnehmen von Kohlenstoffdioxid aus dem Gasstrom mittels des Sorptionsmittels. In einem Schritt 225, Vorwärmen des Sorptionsmittels nach dem Aufnehmen von Kohlenstoffdioxid aus dem Gasstrom mittels des Sorptionsmittels, wobei sensible Wärme des Sorptionsmittels nach dem Regenerationsprozesses von einem Wärmerückgewinnungssystem aufgenommen wird und wobei mittels dieses Wärmerückgewinnungssystems Wärmeenergie dem vorzuwärmenden Sorptionsmittel zugeführt wird zum Vorwärmen des Sorptionsmittels. In einem Schritt 230, Durchführen eines Regenerationsprozesses mittels Desorption von mindestens einem Teil des von dem Sorptionsmittel aufgenommenen Kohlenstoffdioxids, wobei ein Produktgas, das Kohlenstoffdioxid enthält oder daraus besteht, aus dem Sorptionsmittel freigesetzt wird. Nach dem Durchführen des Regenerationsprozesses wird das Sorptionsmittel wieder dem Gasstrom ausgesetzt, insbesondere in dem Sorptionsmittelluftkontaktsystem, um erneut Kohlenstoffdioxid aus dem Gasstrom aufzunehmen. In einem Schritt 240, Entnehmen mindestens eines Teils des in dem Produktgas enthaltenen gasförmigen Kohlenstoffdioxids. Das Entnehmen mindestens eines Teils des in dem Produktgas enthaltenen gasförmigen Kohlenstoffdioxids umfasst: Abkühlen des Produktgases und Kondensieren zumindest eines Teils des in dem Produktgas enthaltenen Wasserdampfs zu Wasser, und vorzugsweise Trennen des kondensierten Wassers von dem Produktgas. Vorzugsweise wird die Abwärme, die während des Abkühlens des Produktgases und/oder des Kondensierens anfällt, von dem Wärmepumpensystem aufgenommen und auf ein höheres Energieniveau gebracht, sodass mittels des Wärmepumpensystems Wärmeenergie zum Bereitstellen von Reaktionswärme für die Desorption und/oder zum Erwärmen des Sorptionsmittels in den Regenerationsprozess eingebracht werden kann. In einem Schritt 250, Durchführen eines Prozesses zum Ändern des Aggregatzustandes des entnommenen gasförmigen Kohlenstoffdioxids, wobei das entnommene gasförmige Kohlenstoffdioxid in flüssiges Kohlenstoffdioxid und/oder überkritisches Kohlenstoffdioxid und/oder festes Kohlenstoffdioxid umgewandelt wird, wobei Abwärme, die während des Durchführens des Prozesses zum Ändern des Aggregatzustandes abgegeben wird, von mindestens einem Wärmepumpensystem aufgenommen wird und wobei mittels des mindestens einen Wärmepumpensystems Wärmeenergie zum Bereitstellen von Reaktionswärme für die Desorption und/oder zum Erwärmen des Sorptionsmittels in den Regenerationsprozess eingebracht wird. Während des Durchführens des Prozesses zum Ändern des Aggregatzustandes des entnommenen gasförmigen Kohlenstoffdioxids wird das Kohlenstoffdioxid mittels des Wärmepumpensystems gekühlt, wobei die Temperatur des Kohlenstoffdioxids reduziert wird und sich der Aggregatzustand des Kohlenstoffdioxids ändert. Das Durchführen des Prozesses zum Ändern des Aggregatzustandes des entnommenen gasförmigen Kohlenstoffdioxids umfasst: Verdichten des entnommenen gasförmigen Kohlenstoffdioxids, und Verflüssigen des entnommenen, insbesondere verdichteten, gasförmigen Kohlenstoffdioxids, und Abkühlen des verflüssigten Kohlenstoffdioxids, insbesondere mittels des Wärmepumpensystems, mit welchem Wärmeenergie zum Bereitstellen von Reaktionswärme für die Desorption und/oder zum Erwärmen und/oder zum Trocknen des Sorptionsmittels in den Regenerationsprozess eingebracht wird. Ein Großteil der Prozesswärme entfällt insbesondere auf die Kondensationswärme. Das verflüssigte Kohlenstoffdioxid wird mittels eines Gegenstromwärmeübertragers abgekühlt und anschließend in einem Trockeneisherstellungssystem auf Umgebungsdruck entspannt. Aus dem flüssigen Kohlenstoffdioxid wird ein erster Anteil als Trockeneis bereitgestellt und ein zweiter Anteil als gasförmiges Kohlenstoffdioxid bereitgestellt, das zurückgeleitet und mittels des Gegenstromwärmeübertragers erwärmt wird, wobei das erwärmte gasförmige Kohlenstoffdioxid einem Verdichter zum Verdichten des gasförmigen Kohlenstoffdioxids zugeführt wird. In einem Schritt 260, Lagern des mittels des Prozesses zum Ändern des Aggregatzustandes erzeugten festen Kohlenstoffdioxids in Form von Trockeneis in einem Trockeneislager. In einem Schritt 265, Auffangen von in dem Trockeneislager sublimierten Kohlenstoffdioxid, und Führen des sublimierten Kohlenstoffdioxids in den Gegenstromwärmeübertrager. In einem Schritt 266, Umwandeln des sublimierten Kohlenstoffdioxids in Trockeneis und Lagern dieses Trockeneises im Trockeneislager. Bezuqszeichenliste
Sorptionsmittelluftkontaktsystem
2 Vorwärmsystem
3 Desorptionsreaktor 4 CO2-Aufbereitungssystem
5 CO2-Verdicher
6 CO2- Verflüssigungssystem
Gegenstromwärmeübertrager
8 Trockeneisherstellungssystem 9 Trockeneislager
10 Wärmepumpensystems
11 Sorptionsmittelwärmeentzugssystem
100 System zum Abscheiden und Speichern von Kohlenstoffdioxid
61 , 62 Bewegungen von Flüssigkeiten 63, 71 , 72, 73, 74 Bewegungen von Feststoffen
86, 87, 88, 89 Wärmeströme
93, 94, 95, 96, 98, 99 Bewegungen gasförmiger Stoffe
200 Verfahren zum Abscheiden von Kohlenstoffdioxid
205 bis 266 Verfahrensschritte

Claims

Ansprüche Verfahren (200) zum Abscheiden von Kohlenstoffdioxid aus einem Gasstrom, insbesondere aus einem aus der Umgebungsluft erzeugten Gasstrom, umfassend die folgenden Schritte:
Bereitstellen (210) eines Sorptionsmittels in einem Gasstrom, wobei der Gasstrom gasförmiges Kohlenstoffdioxid enthält,
Aufnehmen (220) von Kohlenstoffdioxid aus dem Gasstrom mittels des Sorptionsmittels,
Durchführen (230) eines Regenerationsprozesses mittels Desorption von mindestens einem Teil des von dem Sorptionsmittel aufgenommenen Kohlenstoffdioxids, wobei ein Produktgas, das Kohlenstoffdioxid enthält oder daraus besteht, aus dem Sorptionsmittel freigesetzt wird,
Entnehmen (240) mindestens eines Teils des in dem Produktgas enthaltenen gasförmigen Kohlenstoffdioxids, gekennzeichnet durch
Durchführen (250) eines Prozesses zum Ändern des Aggregatzustandes des entnommenen gasförmigen Kohlenstoffdioxids, wobei das entnommene gasförmige Kohlenstoffdioxid in flüssiges Kohlenstoffdioxid und/oder überkritisches Kohlenstoffdioxid und/oder festes Kohlenstoffdioxid umgewandelt wird, wobei Abwärme, die während des Durchführens des Prozesses zum Ändern des Aggregatzustandes abgegeben wird, von mindestens einem Wärmepumpensystem (10) aufgenommen wird und wobei mittels des mindestens einen Wärmepumpensystems (10) Wärmeenergie zum Bereitstellen von Reaktionswärme für die Desorption und/oder zum Erwärmen des Sorptionsmittels in den Regenerationsprozess eingebracht wird.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, umfassend
Lagern (260) des mittels des Prozesses zum Ändern des Aggregatzustandes erzeugten festen Kohlenstoffdioxids in Form von Trockeneis in einem Trockeneislager (9).
3. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend
Erzeugen (205) des Gasstroms, insbesondere in Form eines aus der Umgebungsluft erzeugten Gasstroms, vorzugsweise mittels mindestens eines Gebläses, wobei insbesondere das Sorptionsmittel in einem Sorptionsmittelluftkontaktsystem (1) mit dem Gasstrom in Kontakt gebracht wird.
4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend
Verdichten des Produktgases, und anschließend
Entnehmen von Wärme aus dem verdichteten Produktgas, wobei diese Wärme wenigstens teilweise zum Bereitstellen von Reaktionswärme für die Desorption und/oder zum Erwärmen des Sorptionsmittels in den Regenerationsprozess eingebracht wird, wobei vorzugsweise das Produktgas, nach der Wärmeentnahme, entspannt wird und dabei teilweise kondensiert.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend
Vorwärmen (225) des Sorptionsmittels nach dem Aufnehmen von Kohlenstoffdioxid aus dem Gasstrom mittels des Sorptionsmittels, wobei sensible Wärme des Sorptionsmittels nach dem Regenerationsprozesses von einem Wärmerückgewinnungssystem (11) aufgenommen wird und wobei mittels dieses Wärmerückgewinnungssystems (11) Wärmeenergie dem vorzuwärmenden Sorptionsmittel zugeführt wird zum Vorwärmen des Sorptionsmittels.
6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach dem Durchführen des Regenerationsprozesses das Sorptionsmittel wieder dem Gasstrom ausgesetzt wird, insbesondere in dem Sorptionsmittelluftkontaktsystem (1), um erneut Kohlenstoffdioxid aus dem Gasstrom aufzunehmen, und/oder wobei das Sorptionsmittel beim Durchführen des Regenerationsprozesses auf eine Temperatur von vorzugsweise mindestens 40 °C, besonders bevorzugt in einen Bereich zwischen 80 °C und 150 °C, insbesondere über 100 °C, und vorzugsweise höchstens 200 °C gebracht wird.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Entnehmen (240) mindestens eines Teils des in dem Produktgas enthaltenen gasförmigen Kohlenstoffdioxids umfasst:
Abkühlen des Produktgases und Kondensieren zumindest eines Teils des in dem Produktgas enthaltenen Wasserdampfs zu Wasser, und vorzugsweise Trennen des kondensierten Wassers von dem Produktgas, wobei vorzugsweise Abwärme, die während des Abkühlens des Produktgases und/oder des Kondensierens anfällt, von dem mindestens einen Wärmepumpensystem (10) aufgenommen wird und wobei mittels des mindestens einen Wärmepumpensystems (10) Wärmeenergie zum Bereitstellen von Reaktionswärme für die Desorption und/oder zum Erwärmen des Sorptionsmittels in den Regenerationsprozess eingebracht wird, und/oder wobei das Verfahren umfasst: Verdichten des Produktgases, und vorzugsweise Abkühlen des Produktgases, insbesondere mittels des mindestens einen Wärmepumpensystems, mit welchem Wärmeenergie zum Bereitstellen von Reaktionswärme für die Desorption und/oder zum Erwärmen des Sorptionsmittels in den Regenerationsprozess eingebracht wird.
8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während des Durchführens des Prozesses zum Ändern des Aggregatzustandes des entnommenen gasförmigen Kohlenstoffdioxids, das Kohlenstoffdioxid mittels des mindestens einen Wärmepumpensystems (10) gekühlt wird, wobei die Temperaturdes Kohlenstoffdioxids reduziert wird und sich der Aggregatzustand des Kohlenstoffdioxids ändert.
9. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Wärmepumpensystem (10) eine Wärmepumpe mit einem Kältemittel umfasst, das Kältemittel insbesondere umfassend oder bestehend aus einem oder mehreren Kohlenwasserstoffen, beispielsweise Butan, und/oder Wasser und/oder eine auf Hydrofluorolefin (HFO) basierende Arbeitsflüssigkeit, wobei das Kältemittel vorzugsweise mittels eines Verdichters verdichtet wird, wobei das Kältemittel vorzugsweise einer Temperatur von mindestens 80 °C, besonders bevorzugt mindestens 120 °C, insbesondere mindestens 140 °C, dauerhaft standhält.
10. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Durchführen (250) des Prozesses zum Ändern des Aggregatzustandes des entnommenen gasförmigen Kohlenstoffdioxids, umfasst:
Verdichten des entnommenen gasförmigen Kohlenstoffdioxids, und/oder
Verflüssigen des entnommenen, insbesondere verdichteten, gasförmigen Kohlenstoffdioxids, und vorzugsweise Abkühlen des verflüssigten Kohlenstoffdioxids, insbesondere mittels des mindestens einen Wärmepumpensystems (10), mit welchem Wärmeenergie zum Bereitstellen von Reaktionswärme für die Desorption und/oder zum Erwärmen und/oder zum Trocknen des Sorptionsmittels in den Regenerationsprozess eingebracht wird, und/oder
Herstellen von festem Kohlenstoffdioxid in Form von Trockeneis, vorzugsweise aus dem verflüssigten Kohlenstoffdioxid.
11. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sorptionsmittel mindestens ein Alkalikarbonat, vorzugsweise mehrere Alkalikarbonate, umfasst, wobei das Sorptionsmittel vorzugsweise mindestens 5 Gewichts-% Natriumhydrogencarbonat, und/oder mindestens 5 Gewichts-% Kaliumhydrogencarbonat enthält, wobei das Sorptionsmittel mittels Wärmezufuhr regeneriert wird, wobei vorzugsweise gasförmiges Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf aus dem Sorptionsmittel freigesetzt werden.
12. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das verflüssigte Kohlenstoffdioxid, vorzugsweise mittels eines Gegenstromwärmeübertragers (7), abgekühlt und anschließend in einem Trockeneisherstellungssystem (8) entspannt wird auf einen Druck im Bereich zwischen 90 % und 1 10 % des Umgebungsdrucks, wobei insbesondere aus dem flüssigen Kohlenstoffdioxid ein erster Anteil als Trockeneis bereitgestellt wird und ein zweiter Anteil als gasförmiges Kohlenstoffdioxid, das zurückgeleitet und, vorzugsweise mittels des Gegenstromwärmeübertragers (7), erwärmt wird, wobei vorzugsweise das erwärmte gasförmige Kohlenstoffdioxid einem Verdichter zum Verdichten des gasförmigen Kohlenstoffdioxids zugeführt wird.
13. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend
Auffangen (265) von in dem Trockeneislager (9) sublimierten Kohlenstoffdioxid, und vorzugsweise Führen des sublimierten Kohlenstoffdioxids in den Gegenstromwärmeübertrager (7),
Umwandeln (266) des sublimierten Kohlenstoffdioxids in Trockeneis und Lagern des Trockeneises im Trockeneislager (9).
14. Vorrichtung zum Abscheiden von Kohlenstoffdioxid aus einem Gasstrom, insbesondere aus einem aus der Umgebungsluft erzeugten Gasstrom, umfassend ein Sorptionsmittelluftkontaktsystem (1), das ausgebildet ist zum Erzeugen eines Gasstroms und zur Aufnahme eines Sorptionsmittels, wobei insbesondere das Sorptionsmittel in einem erzeugten Gasstrom anordbar ist, ein Desorptionsreaktor (3), der ausgebildet ist zum Durchführen eines Regenerationsprozesses mittels Desorption von mindestens einem Teil des von dem Sorptionsmittel aufgenommenen Kohlenstoffdioxids, um ein Produktgas, das Kohlenstoffdioxid enthält oder daraus besteht, aus dem Sorptionsmittel freizusetzen, gekennzeichnet durch ein Aggregatzustandsänderungssystem, das ausgebildet ist zum Durchführen eines Prozesses zum Ändern des Aggregatzustandes von in dem Produktgas enthaltenem gasförmigen Kohlenstoffdioxid, wobei das gasförmige Kohlenstoffdioxid mittels des Aggregatzustandsänderungssystems in flüssiges Kohlenstoffdioxid und/oder überkritisches Kohlenstoffdioxid und/oder festes Kohlenstoffdioxid umwandelbar ist, mindestens ein Wärmepumpensystem (10), das ausgebildet ist, um Abwärme, die während des Durchführens des Prozesses zum Ändern des Aggregatzustandes abgegeben wird, aufzunehmen, wobei das mindestens eine Wärmepumpensystem (10) ausgebildet ist, um Wärmeenergie zum Bereitstellen von Reaktionswärme für die Desorption und/oder zum Erwärmen des Sorptionsmittels in den Regenerationsprozess einzubringen, wobei die Vorrichtung vorzugsweise ausgebildet ist, um das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen. System (100) zum Abscheiden von Kohlenstoffdioxid aus einem Gasstrom, insbesondere aus einem aus der Umgebungsluft erzeugten Gasstrom, und zum Speichern des abgeschiedenen Kohlenstoffdioxids, umfassend eine Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, ein Trockeneislager (9), das ausgebildet ist zum Lagern von mittels der Vorrichtung erzeugtem festen Kohlenstoffdioxid in Form von Trockeneis. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 14 und/oder eines Systems nach dem vorhergehenden Anspruch zum Abscheiden von Kohlenstoffdioxid aus der die Vorrichtung umgebenden Umgebungsluft und vorzugsweise zum Speichern des abgeschiedenen Kohlenstoffdioxids in Form von Trockeneis.
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