Validierung des Hydrat/Carbonat Verfahrens zur CO²-Abtrennung für kleine Punktquellen („HYDRACARB“)

Abstract

Die Abscheidung und Speicherung von Kohlendioxid (CO2) ist eine wichtige Strategie zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen aus Quellen wie Rauchgasen und Biogas. Die Hydrat-basierte Gasseparation stellt aufgrund ihres geringeren Energiebedarfs eine vielversprechende Alternative zu konventionellen CO2 Abscheidungsverfahren dar. Das Projekt HYDRACARB konzentriert sich auf die Entwicklung eines Sprühhydratreaktors, seines Kühlsystems sowie auf dessen numerische Modellierung mithilfe der Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) Methode. Ziel ist es, den Wärme und Stofftransport während der Hydratbildung zu untersuchen und die Effizienz des gesamten CO2 Abscheidungsprozesses zu verbessern. Die Kombination aus effizienter CO2 Abscheidung und langfristiger Speicherung besitzt das Potenzial, industrielle Treibhausgasemissionen erheblich zu reduzieren und gleichzeitig den Bedarf an speziellen CO2 Speicherstätten zu verringern.

Hintergrund des Projekts

Die Dekarbonisierung der Wirtschaft gilt als eine der größten sozioökonomischen Herausforderungen unserer Zeit. Laut dem neuesten Bericht des IPCC zählen BECCS (BioEnergy Carbon Capture and Storage) sowie CCUS (Carbon Capture, Utilization and Storage) zu den zentralen Bausteinen zur Erreichung von Netto-Null-Emissionen. Insbesondere Unternehmen des verarbeitenden Gewerbes verfügen aufgrund produkt- und prozessspezifischer Einschränkungen häufig nur über begrenzte Möglichkeiten zur Verringerung ihrer CO2 Emissionen. Bestehende Technologien zur CO2 Abscheidung konnten sich aufgrund ihres hohen Energieverbrauchs oder ihrer unzureichenden Abscheidungsleistung bislang noch nicht in großem industriellen Maßstab durchsetzen.

Projektziele

Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines energieeffizienten Sprühhydratreaktors zur Abscheidung von CO2 aus Gasgemischen wie Biogas und Rauchgas. Der Reaktor ist darauf ausgelegt, sowohl den Stofftransport des CO2 als auch die während der Hydratbildung entstehende Reaktionswärme effizient zu bewältigen. Ein leistungsfähiges Wärmemanagement wird durch die Integration eines thermosiphonbasierten Kühlsystems realisiert. Parallel dazu wird ein umfassendes numerisches Modell entwickelt, das die gekoppelten Prozesse der Strömungsmechanik, des Wärme und Stofftransports sowie der Reaktionskinetik beschreibt. Abschließend wird das Modell anhand experimenteller Daten validiert und zur Optimierung der Reaktorgeometrie sowie der Betriebsbedingungen eingesetzt, um die Effizienz der CO2 Abscheidung weiter zu steigern.

Projektansatz

Im Sprühreaktor kommen große Gasmengen mit zahlreichen Wassertröpfchen in Kontakt. An der Oberfläche dieser Wassertröpfchen bilden sich Gashydrate, kristalline, wasserbasierte
Feststoffe. Dieser Kristallisationsprozess ist exotherm und setzt Wärme frei. Daher ist ein effizientes Wärmemanagement erforderlich, um die während der Hydratbildung entstehende Wärme sowohl aus den Hydratkristallen als auch von der Reaktorwand abzuführen. Dies erfolgt mithilfe eines Thermosiphons, der die Wärme durch Verdampfungs- und Kondensationsprozesse von der Wärmequelle zur Wärmesenke transportiert. Um eine effektive Wärmeabfuhr sicherzustellen, werden ein Auslegungswerkzeug sowie Validierungsexperimente eingesetzt.

Arbeitspakete

AP1 – Entwicklung, Auslegung und Validierung eines Thermosiphon/Heatpipe Kühlsystems zur Abfuhr der während der Hydratbildung entstehenden Wärme.
AP2 – Entwicklung eines SPH basierten numerischen Modells zur Beschreibung der Strömungsmechanik, des Wärme und Stofftransports, der Kristallbildung, der Diffusion sowie der Reaktionskinetik.