Anlage und Verfahren zum Abtrennen von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft sowie ein Verfahren zum Abtrennen von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft mit einer solchen Anlage gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.

Die Notwendigkeit, den durch Emissionen von Treibhausgasen beschleunigten globalen Klimawandel zu verlangsamen, ist sehr dringlich. Vor allem der Anstieg der atmosphärischen Kohlenstoffdioxidwerte muss nachhaltig verringert werden. Zur Reduzierung des Kohlenstoffdioxidgehalts in der Umgebungsluft und zur Erreichung der Klimaneutralität müssen nicht nur die Kohlenstoffdioxidemissionen verringert werden, sondern auch nicht vermeidbare Kohlenstoffdioxidemissionen entsprechend kompensiert werden. Ein bekanntes Verfahren zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft ist das sogenannte „Direct-Air- Capture-Verfahren“, bei dem Umgebungsluft durch eine Adsorptionskammer geleitet wird und das in der Umgebungsluft enthaltene Kohlenstoffdioxid zumindest teilweise aus der Umgebungsluft abgetrennt wird. Solche Verfahren sind geeignet, um den Kohlenstoffdioxidgehalt des Atmosphäre zu reduzieren und somit dem Klimawandel entgegenzuwirken. Dabei ist die Entwicklung von leistungsstarken und effizienten Prozessen zum Abtrennen des Kohlenstoffdioxids aus der Atmosphäre essentiell. Eine Möglichkeit ist die Nutzung der Chemisorption zur Abscheidung von Kohlenstoffdioxid. Dabei wird das Kohlenstoffdioxid chemisch gebunden und nachfolgend durch Erhitzung und unter Absenkung des Druckniveaus aus dem Sorptionsmaterial gelöst, um das freigesetzte Kohlenstoffdioxid zu konzentrieren und einem Zwischenspeicher oder einem nachfolgenden Prozessschritt, welcher Kohlenstoffdioxid als Ausgangsmaterial benötigt, zuzuführen.

Die Energieeffizienz in der Aufheiz- und Abkühlphase des Sorptionsmaterials ist dabei entscheidend für die benötigte Energiemenge und damit für die Akzeptanz der Technologie. Im Allgemeinen wird bei der Sorption und anschließenden Desorption des Kohlenstoffdioxids ein großer Teil der Anlage thermisch mit einbezogen, was sich negativ auf die Energiebilanz des Verfahrens auswirkt. Zusätzlich wird in der Desorptionsphase der Sorbent mit Unterdrück beaufschlagt, was den Energiebedarf bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren weiter erhöht.

Die meisten bekannten Verfahren zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft arbeiten mit einem zyklischen Prozess unter Anwendung einer Kombination aus Druck und Temperaturwechseln. Dabei wird in der Atmosphärenluft befindliches Kohlenstoffdioxid in einem ersten Prozessschritt in einem Sorptionselement gebunden, wodurch der in der Atmosphärenluft befindliche Kohlenstoffdioxidanteil reduziert wird. Das in dem Sorptionselement gebundene Kohlenstoffdioxid kann in einem zweiten Prozessschritt wieder freigesetzt und entweder eingespeichert oder einem weiterem Verfahren zugeführt werden, in welchem das freigesetzte Kohlenstoffdioxid als Ausgangsstoff benötigt wird. Durch die Entwicklung von geeigneten Adsorptionsmaterialien sowie deren technischer Umsetzung in entsprechenden Adsorptionsanlagen soll eine effiziente und energetisch effektive Abscheidung von Kohlenstoffdioxid ermöglicht werden.

Eine Herausforderung ist die Entwicklung von effizienten Adsorptionssystemen, bei denen die Sorptionselemente technisch so angeordnet und/oder ausgebildet sind, dass zum einen die Adsorption und Desorption von Kohlenstoffdioxid optimal abläuft und zum anderen ein vergleichsweise kostengünstiges Anlagenkonzept umgesetzt werden kann. Dabei beeinflussen insbesondere die Aufheiz- und Abkühlphasen die Prozesskosten, während die Ausgestaltung des Sorptionselements und des Prozessraumes die Anlagenkosten beeinflussen.

Nachteilig an solchen diskontinuierlich arbeitenden Anlagen ist jedoch, dass die Anlagen eine hohe Komplexität aufweisen. Insbesondere zum Abdichten und Aufheizen der Sorptionskammer sowie zur Erzeugung eines Vakuums ist ein hoher konstruktiver Aufwand nötig. Zudem führt eine zyklische Temperaturänderung und die hohe Wärmekapazität der Anlage zu einer geringen Energieeffizienz.

Aus der WO 2020/148460 A1 sind eine Anlage und ein Verfahren zur Abscheidung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft bekannt. Die Anlage umfasst eine zumindest teilweise luftdurchlässige Membran, die ein festes Sorptionsmittel zur Aufnahme von Kohlenstoffdioxid enthält; mindestens eine Sorptionskammer; mindestens eine Regenerationskammer; Mittel zum Transportieren der Membran von der Sorptionskammer zur Regenerationskammer und einen Einlass zum Aufnehmen von Luft, der sich an einem Ende der Membran befindet, und einen Auslass zum Ablassen von an Kohlenstoffdioxid angereicherter Luft, der sich am anderen Ende der Membran in der Sorptionskammer befindet. Dabei ist die Anlage so konfiguriert, dass sie es der Luft ermöglicht, vom Einlass zum Auslass durch die Membran zu fließen. Die Anlage umfasst ferner Mittel zum Strippen von Gas durch die Membran in die Regenerationskammer; mindestens einen Auslass zum Ablassen von Kohlenstoffdioxid, der sich in der Regenerationskammer befindet, und Heizmittel zum Heizen der Regenerationskammer.

Die WO 2020/046 864 A1 beschreibt einen Kohlendioxidwäscher für ein Gebäude mit einer Adsorptionskammer, durch die ein Adsorptionsluftstrom geleitet wird, eine Regenerationskammer, durch die ein Regenerationsluftstrom geleitet wird, und eine Trennwand, die die Adsorptionskammer von der Regenerationskammer trennt. Dabei erstreckt sich ein Kohlendioxid-Sorptionsmittelbett über die Adsorptionskammer und die Regenerationskammer. Das Kohlendioxid-Sorptionsmittelbett ist so konfiguriert, dass es Kohlendioxid aus dem Adsorptionsluftstrom in das Sorptionsmittelbett adsorbiert und Kohlendioxid aus dem Kohlendioxid-Sorptionsmittelbett in den Regenerationsluftstrom abgibt.

Die WO 2019/165 151 A1 offenbart ein System und ein Verfahren zur passiven Sammlung von atmosphärischem Kohlendioxid. Das System umfasst eine Sammelkammer mit einer ersten Öffnung und ein Sorptionsmittel-Regenerierungssystem. Das System umfasst auch einen Auffangkörper, der mit einer Trägerstruktur verbunden und durch diese beweglich ist. Der Auffangkörper enthält ein Sorptionsmaterial und ist durch die Trägerstruktur beweglich, um sich in einer Auffangkonfiguration zu befinden, in der mindestens ein Teil des Auffangkörpers mit einem natürlichen Luftstrom außerhalb der Erntekammer in Kontakt ist, so dass atmosphärisches Kohlendioxid durch das Sorptionsmaterial aufgefangen wird, und in einer Freigabekonfiguration, in der mindestens ein Teil des Auffangkörpers, der aufgefangenes Kohlendioxid enthält, durch das Regenerierungssystem innerhalb der Erntekammer bearbeitet wird, so dass aufgefangenes Kohlendioxid freigegeben wird, um ein angereichertes Gas zu bilden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Energieeffizienz einer Anlage zum Abtrennen von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft zu erhöhen und die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden.

Diese Aufgabe wird durch eine Anlage zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft gelöst, welche eine Adsorptionskammer zur Bindung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft in einem Sorptionsmittel, eine Desorptionskammer zur Abgabe des in dem Sorptionsmittel gebundenen Kohlenstoffdioxids und eine Kühlkammer zur Abkühlung des Sorptionsmittels nach der Abgabe des in dem Sorptionsmittel gebundenen Kohlenstoffdioxids sowie ein Endlosband, welches das Sorptionsmittel umfasst oder trägt und ein Antriebselement, welches dazu eingerichtet ist, das Endlosband durch die Adsorptionskammer, die Desorptionskammer und die Kühlkammer zu bewegen, umfasst. In der Desorptionskammer sind Heizmittel zum Aufheizen des Sorptionsmittels angeordnet.

Die erfindungsgemäße Anlage ermöglicht eine vergleichsweise einfache und kostengünstige Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft. Insbesondere wird durch einen kontinuierlichen Umlauf des Endlosbandes erreicht, dass die Absorption, die Desorption und das Abkühlen des Endlosbandes als Träger des Sorptionsmittels in entsprechenden Abschnitten des Endlosbandes gleichzeitig erfolgt, sodass ein ständiges Aufheizen, Evakuieren und Abkühlen einer Sorptionskammer vermieden wird. Vielmehr können in der Adsorptionskammer und in der Desorptionskammer jeweils ideale Bedingungen für die Adsorption bzw. nachfolgende Desorption von Kohlenstoffdioxid eingestellt werden. Ferner kann der Energiebedarf gegenüber bekannten Lösungen drastisch reduziert werden, da nicht die gesamte Sorptionskammer aufgeheizt und abgekühlt werden muss, sondern lediglich das Endlosband und das Sorptionsmittel. Durch die Kühlkammer ist eine schnelle Abkühlung des Endlosbandes nach der Desorption des Kohlenstoffdioxids möglich, sodass ein entsprechender Abschnitt des Endlosbandes auf einer kurzen Wegstrecke auf eine Temperatur abgekühlt werden kann, welche nachfolgend eine optimale Adsorption von Kohlenstoffdioxid ermöglicht.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten zusätzlichen Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklung der im unabhängigen Anspruch aufgeführten Anlage zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft möglich.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Heizmittel in der Desorptionskammer einen Infrarotemitter umfassen. Durch einen Infrarotemitter kann gezielt energiereiche Strahlung in das Endlosband eingebracht werden, um das Sorptionsmittel auf eine Desorptionstemperatur von mindestens 90°C aufzuheizen. Dabei muss nicht die gesamte Desorptionskammer auf die Desorptionstemperatur aufgeheizt werden, sondern es genügt, wenn lokal das Endlosband und das mit dem Endlosband in Wirkverbindung stehende Sorptionsmittel auf die Desorptionstemperatur aufgeheizt werden.

Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Heizmittel in der Desorptionskammer einen Mikrowellenemitter umfassen. Durch einen Mikrowellenemitter kann gezielt energiereiche Strahlung in das Endlosband eingebracht werden, um das Sorptionsmittel auf eine Desorptionstemperatur von mindestens 90°C aufzuheizen. Dabei muss nicht die gesamte Desorptionskammer auf die Desorptionstemperatur aufgeheizt werden, sondern es genügt, wenn lokal das Endlosband und das mit dem Endlosband in Wirkverbindung stehende Sorptionsmittel auf die Desorptionstemperatur aufgeheizt werden. Eine Mikrowellenstrahlung ist dabei besonders geeignet, um Wassermoleküle an oder in dem Endlosband anzuregen und somit das Endlosband auf die Desorptionstemperatur aufzuheizen. Eine Infrarotstrahlung ist dazu geeignet, selektiv Kohlenstoffdioxid anzuregen, sodass eine besonders energieeffiziente Möglichkeit besteht, um das in dem Endlosband gebundene Kohlenstoffdioxid in der Desorptionskammer wieder freizusetzen.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Heizmittel in der Desorptionskammer ein heißes Fluidbad umfassen, mit welchem das Endlosband und/oder das Sorptionsmittel auf eine Temperatur von mindestens 90°C aufheizbar ist/sind. Eine Temperatur von 95°C - 110°C stellt einen guten Kompromiss in Hinblick auf die Ausbringung von Kohlenstoffdioxid aus dem Sorptionsmittel und den notwendigen Energieeinsatz dar. Ferner wird in diesem Temperaturbereich die Gefahr einer thermischen Zersetzung und einer Degradation des Sorptionsmittels gering gehalten. Das Eintauchen des Endlosbandes in ein heißes Fluidbad mit einer Temperatur von mindestens 90°C ermöglicht einen notwendigen Partialdruck, um das in dem Sorptionsmittel gebundene Kohlenstoffdioxid freizusetzen. Da die Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid in einer Flüssigkeit, insbesondere in Wasser, mit steigender Temperatur der Flüssigkeit abnimmt, löst sich das Kohlenstoffdioxid aus dem Sorptionsmaterial des Endlosbandes und wird nicht von der Flüssigkeit aufgenommen, sondern in der Desorptionskammer freigesetzt. Ferner schützt die Flüssigkeit das Sorptionsmaterial vor einer Aufnahme von Sauerstoff bei der Desorptionstemperatur, sodass das Sorptionsmaterial nicht geschädigt wird und im Wesentlichen seine vollständige Aufnahmekapazität zur Speicherung von Kohlenstoffdioxid beibehält. Alternativ zu einer Flüssigkeit kann das Endlosband in der Desorptionskammer auch durch ein Gas oder einen Dampf, insbesondere Wasserdampf, auf die Desorptionstemperatur aufgeheizt werden. Dabei sind Gase oder Dämpfe zu bevorzugen, welche sich aufgrund ihrer Kondensationstemperatur und/oder ihrer Dichte auf einfache Art und Weise von dem Kohlenstoffdioxid trennen lassen. Wasserdampf ist dabei ein bevorzugter Dampf, da er als Inertgas keine Reaktion mit dem Kohlenstoffdioxid aufweist und sich in einem nachgeschalteten Kondensationsschritt auf einfache Art und Weise wieder aus dem Kohlenstoffdioxid-Wasserdampf-Gemisch abscheiden lässt, sodass konzentriertes Kohlenstoffdioxid verbleibt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Anlage ist vorgesehen, dass in die Kühlkammer eine Kühlflüssigkeit eingefüllt wird, wobei das Endlosband zur Abkühlung des Sorptionsmittels durch die Kühlflüssigkeit geführt wird. Die Kühlflüssigkeit sollte dabei so beschaffen sein, dass vorzugsweise keine Kühlflüssigkeit oder nur geringe Mengen an Kühlflüssigkeit in das Sorptionsmittel eindringen, um dessen Aufnahmefähigkeit für Kohlenstoffdioxid nicht zu stören. Durch eine Kühlflüssigkeit kann eine entsprechend hohe Wärmemenge aus dem Endlosband abgeführt werden, wodurch ein schnelles Abkühlen des Endlosbandes und des Sorptionsmaterials auf einer kurzen Wegstrecke möglich ist.

Besonders bevorzugt ist dabei, wenn an oder in einer Durchgangsöffnung, welche die Kühlkammer mit der Adsorptionskammer verbindet, ein Flüssigkeitsabstreifer zum Abstreifen der Kühlflüssigkeit von dem Endlosband angeordnet ist. Dadurch kann verhindert werden, dass die Kühlflüssigkeit aus der Kühlkammer transportiert wird. Ferner kann die Feuchtigkeit in dem Endlosband reduziert werden, wodurch die erneute Aufnahme von Kohlenstoffdioxid in der Adsorptionskammer begünstigt wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Anlage ist vorgesehen, dass in oder an der Adsorptionskammer ein Förderelement, insbesondere ein Gebläse, zur Förderung eines Luftstroms durch die Adsorptionskammer angeordnet ist. Um einen gleichmäßigen Gasstrom an Umgebungsluft durch die Adsorptionskammer zu fördern, ist es hilfreich, wenn an oder in der Adsorptionskammer ein Förderelement zur Erzeugung eines solchen Gasstromes angeordnet ist. Damit ist eine Aufnahme von Kohlenstoffdioxid in der Adsorptionskammer unabhängig von den Windverhältnissen am Standort der Anlage möglich.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Anlage ist vorgesehen, dass in der Adsorptionskammer eine Vielzahl von Umlenkelementen angeordnet sind, wobei das Endlosband durch die Umlenkelemente mäanderförmig durch die Adsorptionskammer geführt wird. Dadurch kann das Endlosband über eine entsprechend große Länge durch die Adsorptionskammer geführt werden, wodurch eine Aufnahme einer größeren Menge von Kohlenstoffdioxid, vorzugsweise einer Aufnahme bis zu Sättigung der Aufnahmekapazität des Sorptionsmittels, möglich ist. Dadurch ist eine besonders effiziente Abscheidung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft möglich. Die Ausrichtung der Umlenkelemente kann in Abhängigkeit von dem in der Anlage verwendeten Endlosbad erfolgen. Dabei ist es bei einem Endlosband mit einem gasdurchlässigen Trägermaterial besonders vorteilhaft, wenn das Endlosband mehrfach von dem Gasstrom durch die Adsorptionskammer durchströmt wird. Bei einem Endlosband, welches ein gasdichtes Trägermaterial umfasst, welches mit einem Sorptionsmaterial beschichtet ist, ist es vorteilhaft, wenn der Gasstrom über eine möglichst lange Wegstrecke des Endlosbandes parallel zu dem Endlosband geführt wird. Alternativ kann auch ein gasdurchlässiges Trägermaterial für das Endlosband verwendet werden. Dabei kann die Umgebungsluft durch die poröse Trägerstruktur hindurchströmen und wird in dem Sorptionsmaterial des Endlosbandes gebunden. Alternativ ist auch eine Kombination möglich, in der ein Teilstrom der Umgebungsluft durch eine poröse Trägerstruktur des Endlosbandes hindurchströmt und ein zweiter Teilstrom an dem Endlosband entlangströmt. Ferner ist es möglich, dass das Endlosband in Abschnitten, insbesondere in den Randabschnitten, zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit gasdicht und im mittleren Bereich gasdurchlässig ist, sodass ebenfalls eine Kombination von Entlangströmen und Durchströmen durch das Endlosband möglich ist.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Anlage ist vorgesehen, dass an der Desorptionskammer Mittel zur Beaufschlagung der Desorptionskammer mit einer Kohlenstoffdioxidatmosphäre angeordnet sind. Durch eine Kohlenstoffdioxidatmosphäre in der Desorptionskammer kann eine besonders hohe Kohlenstoffdioxidkonzentration in einem aus der Desorptionskammer abgeführten Gasstrom erreicht werden. Ferner schützt die Kohlenstoffdioxidatmosphäre das Sorptionsmaterial vor einer Aufnahme von Sauerstoff und damit verbunden vor einem Nachlassen der Sorptionsfähigkeit in einem nächsten Umlauf des Endlosbandes.

Zur Abfuhr des desorbierten Kohlenstoffdioxids ist es vorteilhaft, wenn an der Desorptionskammer ein Auslass zur Abfuhr eines kohlenstoffdioxidhaltigen Gasstroms ausgebildet ist. Unter einem kohlenstoffdioxidhaltigen Gasstrom ist in diesem Zusammenhang ein Gasstrom mit einer Kohlenstoffdioxidkonzentration von mindestens 15%, vorzugsweise von mindestens 35% zu verstehen. Dadurch kann das im Prozess abgetrennte Kohlenstoffdioxid gezielt einem Speicher oder einem Prozess zugeführt werden, insbesondere einem Prozess zur Herstellung eines synthetischen Kraftstoffs zugeführt werden, in welchem Kohlenstoffdioxid als Ausgangsstoff verwendet wird. Geringere Konzentrationen von Kohlenstoffdioxid sind insbesondere dann möglich und sinnvoll, wenn zum Austreiben von Kohlenstoffdioxid aus dem Sorptionsmaterial Wasserdampf verwendet wird und dieser Wasserdampf in einem folgenden Verfahrensschritt aus dem ausgetriebenen Gasstrom durch Kondensation wieder entfernt wird.

Besonders bevorzugt ist dabei, wenn an dem Auslass oder stromabwärts des Auslasses ein Wasserabscheider zur Abtrennung von Wasser, insbesondere von Wasserdampf, aus dem kohlenstoffdioxidhaltigen Gasstrom angeordnet ist. Um einen möglichst hoch konzentrierten Kohlenstoffdioxid-Gasstrom zu erzeugen, kann es hilfreich sein, die Desorptionskammer mit einem Inertgas wie Wasserdampf zu fluten. Ferner enthält die Umgebungsluft eine gewisse Luftfeuchte, welche aus dem abgetrennten Kohlenstoffdioxid entfernt werden muss, um ein möglichst reines Kohlenstoffdioxidgas herzustellen. Um die Luftfeuchte aus dem Gasstrom abzutrennen ist es daher vorteilhaft, an dem Auslass oder stromabwärts des Auslasses einen Wasserabscheider anzuordnen, um die Feuchtigkeit des Kohlenstoffdioxidgases zu reduzieren.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Anlage ist vorgesehen, dass das Endlosband als ein Endlosbeutel ausgeführt ist, welcher mit einem Sorptionsmittel gefüllt ist. Dadurch kann auf einfache Art und Weise eine größere Menge von Sorptionsmaterial in das Endlosband eingebracht werden. Dabei ist der Endlosbeutel aus einem gasdurchlässigen Material ausgeführt, welcher eine Aufnahme von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft in dem Sorptionsmaterial erleichtert und einen Gasdurchtritt durch den Endlosbeutel verbessert.

Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Endlosband als ein funktionales Gewebe oder eine funktionalisierte Folie ausgebildet ist, in welcher ein Sorptionsmittel gebunden ist. Dadurch kann ein besonders strapazierfähiges Endlosband hergestellt werden, welches eine hinreichende Aufnahmekapazität für das Sorptionsmittel aufweist. Alternativ kann das Endlosband auch als Flies, Netz, Gaze oder Filtermaterial ausgebildet sein, in welchem ein Sorptionsmittel gebunden ist. Das funktionale Gewebe oder die funktionalisierte Folie sind dabei durchlässig für einen Luftstrom, um auf einfache Art und Weise in der Absorptionskammer Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft zu binden.

In einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Endlosband eine Trägerfolie umfasst, welche mit einer Funktionsschicht zur Sorption von Kohlenstoffdioxid beschichtet ist. Dadurch lässt sich ein besonders stabiles Endlosband herstellen, welches auch höhere Zugkräfte im Durchlauf durch die Anlage verträgt. Zudem kann das Trägermaterial derart ausgebildet sein, dass es einen Korrosionsschutz aufweist und nicht bei Kontakt mit dem Heizfluid oder der Kühlflüssigkeit zu rosten anfängt. Das Sorptionsmittel der Beschichtung kann derart ausgebildet werden, dass es eine besonders effiziente Aufnahme und/oder Abgabe von Kohlenstoffdioxid ermöglicht.

Besonders bevorzugt ist dabei, wenn zwischen der Trägerfolie und der Funktionsschicht ein Washcoat aufgetragen wird. Durch einen Washcoat kann das Aufträgen der Funktionsschicht erleichtert oder überhaupt erst ermöglicht werden. Zudem vergrößert ein Washcoat die Oberfläche der Funktionsschicht, wodurch die Aufnahme von Kohlenstoffdioxid in der Funktionsschicht des Sorptionsmittels verbessert werden kann. Ferner kann die Bindung der Funktionsschicht an die Trägerfolie erhöht werden, um ein Abplatzen der Funktionsschicht zu vermeiden und die Lebensdauer des Endlosbandes zu erhöhen. <

Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft mit einer solchen Anlage. Dabei wird Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft in der Adsorptionskammer in dem Sorptionsmittel des Endlosbandes gebunden, das Endlosband in der Desorptionskammer auf eine Temperatur von mindestens 90°C, vorzugsweise von 95°C bis 110°C, aufgeheizt, wobei sich das in dem Sorptionsmittel gebundene Kohlenstoffdioxid aus dem Endlosband löst. Anschließend wird das Endlosband in der Kühlkammer abgekühlt, wobei das Endlosband auf eine Temperatur von weniger als 50°C, vorzugsweise auf eine Temperatur von weniger als 35°C abgekühlt wird, um eine erneute Aufnahme von Kohlenstoffdioxid in dem Sorptionsmittel des Endlosbandes zu ermöglichen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine vergleichsweise einfache und kostengünstige Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft. Insbesondere wird durch einen kontinuierlichen Umlauf des Endlosbandes erreicht, dass die Absorption, die Desorption und das Abkühlen des Endlosbandes als Träger des Sorptionsmittels in entsprechenden Abschnitten des Endlosbandes gleichzeitig erfolgt, sodass ein ständiges Aufheizen, Evakuieren und Abkühlen einer Sorptionskammer vermieden wird. Vielmehr können in der Adsorptionskammer und in der Desorptionskammer jeweils ideale Bedingungen für die Adsorption bzw. nachfolgende Desorption von Kohlenstoffdioxid eingestellt werden. Ferner kann der Energiebedarf gegenüber bekannten Lösungen drastisch reduziert werden, da nicht die gesamte Sorptionskammer aufgeheizt und abgekühlt werden muss, sondern lediglich das Endlosband und das Sorptionsmittel. Durch die Kühlkammer ist eine schnelle Abkühlung des Endlosbandes nach der Desorption des Kohlenstoffdioxids möglich, sodass ein entsprechender Abschnitt des Endlosbandes auf einer kurzen Wegstrecke auf eine Temperatur abgekühlt werden kann, welche nachfolgend eine optimale Adsorption von Kohlenstoffdioxid ermöglicht.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Temperatur in der Desorptionskammer konstant in einem Bereich von 90°C bis 110°C gehalten wird. Dadurch ist nur ein einmaliges Aufheizen der Desorptionskammer notwendig, sodass der Energiebedarf vergleichsweise gering gehalten werden kann und die Atmosphäre in der Desorptionskammer stets eine Temperatur oberhalb der Desorptionstemperatur von Kohlenstoffdioxid aus der Sorptionsmaterial aufweist. Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Endlosband oder das im Endlosbad gebundene Sorptionsmittel durch eine elektromagnetische Strahlung aufgeheizt wird. Durch elektromagnetische Strahlung kann gezielt Energie in das Endlosband eingebracht werden, um das Sorptionsmittel auf eine Desorptionstemperatur von mindestens 90°C aufzuheizen. Dabei muss nicht die gesamte Desorptionskammer auf die Desorptionstemperatur aufgeheizt werden, sondern es genügt, wenn lokal das Endlosband und das mit dem Endlosband in Wirkverbindung stehende Sorptionsmittel auf die Desorptionstemperatur aufgeheizt werden.

Dabei kann die elektromagnetische Strahlung zum Aufheizen des Endlosbandes und/oder des Sorptionsmittels eine Mikrowellenstrahlung sein. Alternativ kann die elektromagnetische Strahlung zum Aufheizen des Endlosbandes und/oder des Sorptionsmittels eine Infrarotstrahlung sein.

Die verschiedenen, in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anlage zur

Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft,

Figur 2 ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße

Anlage zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft,

Figur 3 ein Ausführungsbeispiel für ein Endlosband für eine solche Anlage,

Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Endlosband für eine solche Anlage,

Figur 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Endlosband für eine solche Anlage,

Figur 6 eine schematische Darstellung zum Aufbau eines bevorzugten

Ausführungsbeispiels eines solchen Endlosbandes,

Figur 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein solches Endlosband, Figur 8 ein alternatives Ausführungsbeispiel für ein Endlosband für eine solche

Anlage, und

Figur 9 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft.

Figur 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anlage zum Abtrennen von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft 10. Die Anlage 10 umfasst eine Adsorptionskammer 12 zur Bindung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft in einem Sorptionsmittel 80, eine Desorptionskammer 14 zur Abgabe des in dem Sorptionsmittel 80 gebundenen Kohlenstoffdioxids und eine Kühlkammer 16 zur Abkühlung des Sorptionsmittels 80 nach der Abgabe des in dem Sorptionsmittel 80 gebundenen Kohlenstoffdioxids. Die Anlage umfasst ferner ein Endlosband 20, welches das Sorptionsmittel 80 umfasst oder trägt, sowie ein Antriebselement 84, welches dazu eingerichtet ist, das Endlosband 20 durch die Adsorptionskammer 12, die Desorptionskammer 14 und die Kühlkammer in dieser Reihenfolge zu bewegen.

Die Adsorptionskammer 12 weist eine erste Eintrittsöffnung 34 auf, an welcher ein Luftstrom 38 aus Umgebungsluft mit einem Kohlenstoffdioxidgehalt von 400 - 500 ppm in die Adsorptionskammer 12 eintritt. Alternativ kann auch Umgebungsluft mit einer erhöhten Kohlenstoffdioxidkonzentration in die Adsorptionskammer 12 eintreten. Die Absorptionskammer 12 weist ferner eine erste Austrittsöffnung 36 auf, an welcher der Luftstrom 38 wieder aus der Adsorptionskammer 12 austritt. Ferner ist an oder in der Adsorptionskammer 12 ein Förderelement 18, insbesondere ein Gebläse, angeordnet, um den Gasstrom durch die Adsorptionskammer zu fördern. In der Adsorptionskammer 12 sind eine Vielzahl von Umlenkelementen 22 angeordnet, welche das Endlosband 20 mäanderförmig durch die Adsorptionskammer 12 führen, um eine möglichst lange Wegstrecke des Endlosbandes 20 durch die Adsorptionskammer 12 zu führen und somit eine möglichst umfangreiche Aufnahme von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft in dem Sorptionsmittel 80 zu ermöglichen. Zusätzlich können in der Adsorptionskammer 12 zwischen den Umlenkelementen 22 zusätzliche Stützelemente, insbesondere Stützrollen, angeordnet sein, um das Endlosband 20 zu stützen und die Führung des Endlosbandes 20 durch die Adsorptionskammer 12 zu verbessern. Die Adsorptionskammer 12 weist ferner eine zweite Eintrittsöffnung 40 auf, durch welche das Endlosband 20 in die Adsorptionskammer 12 eintritt. Ferner weist die Adsorptionskammer 12 eine zweite Austrittsöffnung 42 auf, durch welche das Endlosband 20 aus der Adsorptionskammer 12 geführt wird. An einer ersten Durchgangsöffnung 44, welche die Adsorptionskammer 12 mit der Desorptionskammer 14 verbindet, ist ein Dichtelement 24 angeordnet, um einen Gasaustausch zwischen der Adsorptionskammer 12 und der Desorptionskammer 14 zu minimieren.

Die Desorptionskammer 14 umfasst eine Wanne 88, in welcher ein heißes Fluidbad 26 bevorratet ist. Die Desorptionskammer 14 und insbesondere die Wanne 88 zur Aufnahme des Fluidbades 26 sind über Heizmittel 82 beheizbar, um in der Desorptionskammer 14 zumindest abschnittsweise eine Desorptionstemperatur von mindestens 90°C zu erreichen. Die Desorptionskammer 14 weist einen Auslass 50 auf, durch welchen ein kohlenstoffdioxidreicher Gasstrom aus der Desorptionskammer 14 abgeführt und einem nicht dargestellten Speicher oder einem Prozess, bei welchem das Kohlenstoffdioxid als Ausgangsmaterial dient, zuzuführen. An dem Auslass 50 oder stromabwärts des Auslasses 50 kann ein Wasserabscheider 86 angeordnet sein, um Wasserdampf aus dem kohlenstoffdioxidreichen Gasstrom abzutrennen. Die Desorptionskammer 14 steht unter einer Kohlenstoffdioxidatmosphäre 52. Dabei wird angestrebt, dass die Temperatur in der Desorptionskammer 14 konstant im Bereich von 90° bis 120°C, vorzugsweise im Bereich von 95° bis 105°C liegt, um ein ständiges Aufheizen und Abkühlen der Desorptionskammer 14 zu vermeiden und somit den Energiebedarf zu minimieren. Das Endlosband 20 taucht in das Fluidbad 26 ein, wobei das Sorptionsmittel 80 eine Temperatur und einen Partialdruck erreicht, bei dem sich der im Sorptionsmittel 80 gebundene Kohlenstoffdioxid aus dem Sorptionsmittel 80 löst und aus dem Fluidbad 26 in die Atmosphäre der Desorptionskammer 14 aufsteigt. Über weitere Umlenkelemente 22 wird das Endlosband 20 an einer zweiten Durchgangsöffnung 46 in einer Trennwand 58 aus der Desportionskammer 14 in die Kühlkammer 16 geführt.

In der Kühlkammer 16 wird das Endlosband 20 in eine Kühlflüssigkeit 28, beispielsweise in Wasser 30 eingetaucht, um die Wärme aus dem Endlosband 20 abzuführen und das Sorptionsmittel 80 abzukühlen. An einer dritten Durchgangsöffnung 48, welche die Kühlkammer 16 mit der Adsorptionskammer 12 verbindet, ist ein Fluidabscheider 32 angeordnet, um die Kühlflüssigkeit 28 von dem Endlosband 20 abzustreifen und die Feuchtigkeit des Sorptionsmittels 80 zu reduzieren, bevor das Endlosband 20 mit dem Sorptionsmittel 80 wieder der Adsorptionskammer 12 zugeführt wird. Wasser 30 ist dann als Kühlflüssigkeit ideal, wenn das Sorptionsmittel 80 selbst kein Wasser 30 oder nur wenig Wasser 30 aufnimmt oder trotz Wasseraufnahme in seiner Speicherfähigkeit für Kohlenstoffdioxid wenig eingeschränkt ist. Alternativ kann auch eine andere Kühlflüssigkeit verwendet werden, welche die Aufnahme von Kohlenstoffdioxid durch das Sorptionsmittel 80 nicht oder nur geringfügig einschränkt. Die Anlage 10 umfasst ferner ein Steuergerät 90 mit einer Speichereinheit 92 und einer Recheneinheit 94. In der Speichereinheit 92 ist ein maschinenlesbarer Programmcode 96 abgelegt, welcher bei Ausführung durch die Recheneinheit 94 die Anlage zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft steuert oder regelt.

In Figur 2 ist ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anlage 10 zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft dargestellt. Die Anlage 10 umfasst eine Adsorptionskammer 12 zur Bindung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft in einem Sorptionsmittel 80, eine Desorptionskammer 14 zur Abgabe des in dem Sorptionsmittel 80 gebundenen Kohlenstoffdioxids und eine Kühlkammer 16 zur Abkühlung des Sorptionsmittels 80 nach der Abgabe des in dem Sorptionsmittel 80 gebundenen Kohlenstoffdioxids. Die Anlage umfasst ferner ein Endlosband 20, welches das Sorptionsmittel 80 umfasst oder trägt, sowie ein Antriebselement 84, welches dazu eingerichtet ist, das Endlosband 20 durch die Adsorptionskammer 12, die Desorptionskammer 14 und die Kühlkammer in dieser Reihenfolge zu bewegen.

Die Adsorptionskammer 12 weist eine erste Eintrittsöffnung 34 auf, an welcher ein Luftstrom 38 aus Umgebungsluft mit einem Kohlenstoffdioxidgehalt von 400 - 500 ppm in die Adsorptionskammer 12 eintritt. Die Absorptionskammer 12 weist ferner eine erste Austrittöffnung 36 auf, an welcher der Luftstrom 38 wieder aus der Adsorptionskammer 12 austritt. Ferner ist an oder in der Adsorptionskammer 12 ein Förderelement 18, insbesondere ein Gebläse angeordnet, um den Gasstrom durch die Adsorptionskammer zu fördern. In der Adsorptionskammer 12 sind eine Vielzahl von Umlenkelementen 22 angeordnet, welche das Endlosband 20 mäanderförmig durch die Adsorptionskammer 12 führen, um eine möglichst lange Wegstrecke des Endlosbandes 20 durch die Adsorptionskammer 12 zu führen und somit eine möglichst umfangreiche Aufnahme von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft in dem Sorptionsmittel 80 zu ermöglichen. Die Adsorptionskammer 12 weist ferner eine zweite Eintrittsöffnung 40 auf, durch welche das Endlosband 20 in die Adsorptionskammer 12 eintritt. Ferner weist die Adsorptionskammer 12 eine zweite Austrittsöffnung 42 auf, durch welche das Endlosband 20 aus der Adsorptionskammer 12 geführt wird. An einer ersten Durchgangsöffnung 44, welche die Adsorptionskammer 12 mit der Desorptionskammer 14 verbindet, ist ein Dichtelement 24 angeordnet, um einen Gasaustauch zwischen der Adsorptionskammer 12 und der Desorptionskammer 14 zu minimieren. Um das in dem Sorptionsmittel 80 gebundene Kohlenstoffdioxid in der Desorptionskammer 14 freizusetzen, sind in der Desorptionskammer 14 Heizmittel 82 in Form eines Infrarotemitters 54 und/oder eines Mikrowellenemitters 56 angeordnet, mit welchen das Endlosband 20 zumindest abschnittsweise über eine Desorptionstemperatur aufgeheizt werden kann. Dabei löst sich Kohlenstoffdioxid aus dem Sorptionsmittel 80 und kann über einen Auslass 50 abgeführt und einem nicht dargestellten Speicher oder einem Prozess, bei welchem das Kohlenstoffdioxid als Ausgangsmaterial dient, zugeführt werden. Die Desorptionskammer 14 steht unter einer Kohlenstoffdioxidatmosphäre 52.

Ferner können an der Desorptionskammer 14 Mittel zur Absenkung des Drucks in der Desorptionskammer 14, insbesondere eine Unterdruckpumpe, angeordnet sein, um den Partialdruck in der Desorptionskammer 14 abzusenken und das Lösen des Kohlenstoffdioxids aus dem Sorptionsmittel 80 zu begünstigen. Über weitere Umlenkelemente 22 wird das Endlosband 20 an einer zweiten Durchgangsöffnung 46 in einer Trennwand 58 aus der Desportionskammer 14 in die Kühlkammer 16 geführt.

In der Kühlkammer 16 wird das Endlosband 20 in eine Kühlflüssigkeit 28, insbesondere in Wasser 30 eingetaucht, um die Wärme aus dem Endlosband 20 abzuführen und das Sorptionsmittel 80 abzukühlen. An einer dritten Durchgangsöffnung 48, welche die Kühlkammer 16 mit der Adsorptionskammer 12 verbindet, ist ein Fluidabscheider 32 angeordnet, um die Kühlflüssigkeit 28 von dem Endlosband 20 abzustreifen und die Feuchtigkeit des Sorptionsmittels 80 zu reduzieren, bevor das Endlosband 20 mit dem Sorptionsmittel 80 wieder der Adsorptionskammer 12 zugeführt wird. Alternativ kann das Endlosband 20 auch durch das Einblasen eines kalten Gasstroms in die Kühlkammer 16 abgekühlt werden, wodurch auf einen Kühlkreislauf mit einer Kühlflüssigkeit 28 verzichtet werden kann und das Endlosband 20 im Wesentlichen trocken der Adsorptionskammer 12 zugeführt wird.

Die Anlage 10 umfasst ferner ein Steuergerät 90 mit einer Speichereinheit 92 und einer Recheneinheit 94. In der Speichereinheit 92 ist ein maschinenlesbarer Programmcode 96 abgelegt, welcher bei Ausführung durch die Recheneinheit 94 die Anlage zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft steuert oder regelt.

In Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel für ein Endlosband 20 für eine solche Anlage 10 dargestellt. Das Endlosband 20 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Endlosbeutel 64 ausgeführt, welcher mit einem Sorptionsmaterial 80 gefüllt ist. Dabei weist der Endlosbeutel 64 eine gasdurchlässige Struktur auf, durch welche ein Gasstrom durchtreten kann und das Kohlenstoffdioxid in der Adsorptionskammer 12 entsprechend gebunden und in der Desorptionskammer 14 entsprechend aus dem Sorptionsmittel 80 freigesetzt werden kann.

In Figur 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Endlosband 20 für eine solche Anlage 10 dargestellt. Das Endlosband 20 ist in diesem Ausführungsbeispiel als funktionalisiertes Gewebe 60 ausgeführt, welches das Sorptionsmaterial 80 umfasst und eine gasdurchlässige Struktur aufweist, durch welche ein Gasstrom durchtreten und das Kohlenstoffdioxid in der Adsorptionskammer 12 entsprechend gebunden und in der Desorptionskammer 14 entsprechend aus dem Sorptionsmittel 80 freigesetzt werden kann.

Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Endlosband 20 für eine solche Anlage 10. Das Endlosband 20 ist in diesem Ausführungsbeispiel als funktionalisierte Folie 62 ausgeführt, an welcher ein Sorptionsmaterial 80 anhaftet. Die funktionalisierte Folie 62 kann gasdurchlässig, oder wie in Figur 5 dargestellt, im Wesentlichen gasundurchlässig sein. Dabei wird das Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft gebunden, wenn ein Luftstrom an einer Oberfläche der funktionalisierten Folie 62 entlangstreift. Die Desorption des Kohlenstoffdioxids in der Desorptionskammer 14 erfolgt auch bei dieser Ausführung durch Erhöhen der Temperatur und ggf. gleichzeitiges Herabsetzen des Partialdrucks. Alternativ kann bei einer gasdurchlässigen Folie 62 das Sorptionsmittel auch zwischen unterschiedlichen Schichten der Folie 62 angeordnet sein, durch welche ein Gasstrom durchtreten und das Kohlenstoffdioxid in der Adsorptionskammer 12 entsprechend gebunden und in der Desorptionskammer 14 entsprechend aus dem Sorptionsmittel 80 freigesetzt werden kann.

In Figur 6 ist eine schematische Darstellung zum Aufbau eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines solchen Endlosbandes 20 gezeigt. Das Endlosband 20 ist als Gaze, Flies 66, Netz 68 oder ähnliches Gewebe 72 aus einem gasdurchlässigen Stoff ausgeführt, wobei das Sorptionsmittel 80 zwischen den Schichten des Endlosbandes 20 bevorratet ist.

In Figur 7 ist eine weitere schematische Darstellung zum Aufbau eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines solchen Endlosbandes 20 gezeigt. Das Endlosband 20 ist als Filtermedium 70 ausgebildet und kann mehrere Taschen aufweisen, in welchem das Sorptionsmaterial 80 bevorratet ist.

Figur 8 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Endlosbandes 20 für eine solche Anlage 10. Das Endlosband 20 umfasst eine, vorzugsweise gasundurchlässige, reißfeste Trägerfolie 74, welche mit einem Washcoat 76 und mit einer Funktionsschicht 78 beschichtet ist, wobei die Funktionsschicht 78 ein Sorptionsmittel 80 umfasst. Durch die Beschichtung kann die Oberfläche des Endlosbandes 20 vergrößert werden, um die Adsorption bzw. die nachfolgende Desorption von Kohlenstoffdioxid zu optimieren. Dabei wird bei dieser Ausführungsform das Kohlenstoffdioxid in der Absorptionskammer 12 gebunden, wenn der Luftstrom mit einer reaktiven Oberfläche der Funktionsschicht 78 in Kontakt kommt. Die Desorption des Kohlenstoffdioxids in der Desorptionskammer 14 erfolgt auch bei dieser Ausführung durch Erhöhen der Temperatur und ggf. gleichzeitiges Herabsetzen des Partialdrucks.

In Figur 9 ist ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft mit einer solchen Anlage 10 dargestellt. In einem Verfahrensschritt <100> wird das Endlosband 20 von dem Antriebselement 84 durch die Adsorptionskammer 12 gezogen und dabei Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft in dem Sorptionsmittel 80 in einem Abschnitt des Endlosbandes 20 gebunden. In einem darauffolgenden Verfahrensschritt <110> wird der entsprechende Abschnitt des Endlosbandes 20 in der Desorptionskammer 14 gezogen und auf eine Temperatur von mindestens 90°C aufgeheizt, wobei sich das in dem Sorptionsmittel 80 gebundene Kohlenstoffdioxid aus dem Endlosband 20 löst. In einem Verfahrensschritt <120> wird das Endlosband 20 zur Abkühlung in die Kühlkammer 16 gezogen, wobei der entsprechende Abschnitt des Endlosbandes 20 auf eine Temperatur von weniger als 50°C, vorzugsweise auf eine Temperatur von 0°C bis 30°C abgekühlt wird, um eine erneute Aufnahme von Kohlenstoffdioxid in das Sorptionsmittel 80 des Endlosbandes 20 zu ermöglichen.

Bezugszeichenliste

Anlage

Adsorptionskammer

Desorptionskammer Kühlkammer

Förderelement

Endlosband

Umlenkelement

Dichtelement heißes Fluidbad

Kühlflüssigkeit

Wasser

Fluidabscheider erste Eintrittsöffnung erste Austrittsöffnung Luftstrom zweite Eintrittsöffnung zweite Austrittsöffnung erste Durchgangsöffnung zweite Durchgangsöffnung dritte Durchgangsöffnung

Auslass

Kohlenstoffdioxidatmosphäre

Infrarot-Emitter

Mikrowellenemitter

Trennwand - I8 funktionales Gewebe funktionalisierte Folie Endlosbeutel Flies Netz

Filtermaterial Gewebe Trägerfolie Washcoat Funktionsschicht

Sorptionsmittel Heizmittel Antriebselement Wasserabscheider Wanne

Steuergerät Speichereinheit Recheneinheit Programmcode