Use of high temperature heat pump for solvent regeneration in post-combustion carbon capture unit with liquefaction facility: Concept and thermodynamic analysis

Zement ist das unsichtbare Skelett der modernen Welt, das Material, das unsere Städte zusammenhält. Doch der Prozess seiner Herstellung ist ein wesentlicher Verursacher der globalen Erwärmung. Wenn Kalkstein erhitzt wird, um Zement herzustellen, werden enorme Mengen an Kohlendioxid freigesetzt – ein Treibhausgas, das Wärme in der Atmosphäre einschließt. Um dies zu stoppen, haben Ingenieure Wege entwickelt, dieses Gas einzufangen, bevor es in den Himmel entweicht. Eine der zuverlässigsten Methoden besteht darin, die Abgase mit einer speziellen Flüssigkeit zu waschen, die das Kohlendioxid aufsaugt. Diese Flüssigkeit wird jedoch schließlich gesättigt und muss gereinigt werden, damit sie wiederverwendet werden kann. Der Reinigungsprozess erfordert eine enorme Menge an Wärme, oft mehr, als die Fabrik übrig hat. Wenn die Fabrik nicht genügend Wärme findet, um die Flüssigkeit zu reinigen, kann das System zur Kohlenstoffabscheidung nicht effizient arbeiten, wodurch das Verschmutzungsproblem ungelöst bleibt.

Gleichzeitig muss das Kohlendioxid, sobald es eingefangen wurde, in eine flüssige Form gebracht werden, um für die Lagerung abtransportiert werden zu können. Diese Umwandlung erfordert die Kühlung des Gases auf extrem niedrige Temperaturen. Dabei erzeugt die Maschinerie, die das Gas kühlt, eine große Menge an Abwärme, die normalerweise einfach in die Luft abgegeben wird. Dies schafft ein frustrierendes Paradoxon: Die Fabrik benötigt Wärme, um die Flüssigkeit zu reinigen, aber der Prozess zur Vorbereitung des Gases für den Transport wirft genau die Art von Wärme weg, die sie eigentlich benötigt. Forscher der Norwegischen Universität für Naturwissenschaften und Technik sowie von SINTEF Energy Research haben einen Weg vorgeschlagen, dieses Rätsel zu lösen. Sie schlagen vor, das Kühlsystem in einer cleveren Schleife mit dem Heizsystem zu verbinden und so ein Abfallprodukt in eine nützliche Ressource zu verwandeln.

Das Team konzentrierte sich auf einen spezifischen Aufbau, der in Zementwerken verwendet wird, in denen Kohlendioxid abgeschieden und anschließend verflüssigt wird. In der Standardversion dieses Prozesses wird das Gas unter Verwendung eines Kältemittels namens Ammoniak gekühlt, einem in der Industrie weit verbreiteten Kältemittel. Während das Ammoniak Wärme aus dem Kohlendioxid absorbiert, um es abzukühlen, wird das Ammoniak selbst warm. In einer typischen Anlage wird dieses warme Ammoniak abgekühlt, indem seine Wärme an die Umgebungsluft abgegeben wird, was bedeutet, dass die Energie, die es gerade absorbiert hat, im Grunde verschwendet wird. Die Forscher stellten eine einfache Frage: Was wäre, wenn man diese Wärme nicht einfach entsorgen würde, sondern sie zur Reinigung der kohlenstofffangenden Flüssigkeit nutzen würde?

Um dies zu ermöglichen, entwarfen sie ein System, das wie ein thermischer Aufzug funktioniert. Sie fügten dem bestehenden Ammoniak-Setup einen zweiten Kreislauf hinzu, der eine andere Flüssigkeit namens Pentan verwendet. Das warme Ammoniak aus dem Kühlkreislauf überträgt seine Wärme auf das Pentan. Diese Wärme reicht aus, um das Pentan zum Sieden zu bringen und in ein Gas zu verwandeln. Wenn das Pentangas komprimiert wird, wird es noch heißer. Dieses überhitzte Pentan wird dann an die Stelle der Fabrik geleitet, die die Reinigung der kohlenstofffangenden Flüssigkeit benötigt. Dort gibt es seine Wärme ab und erwärmt die Flüssigkeit gerade so weit, dass das eingefangene Kohlendioxid freigesetzt wird, damit die Flüssigkeit wiederverwendet werden kann. Das Pentan kühlt dann ab, wird wieder flüssig und ist bereit, erneut Wärme vom Ammoniak aufzunehmen, wodurch ein kontinuierlicher Kreislauf entsteht.

Die Forscher nutzten hochentwickelte Computersimulationen, um zu testen, wie gut diese Idee in einem realen Szenario funktionieren würde. Sie modellierten eine Anlage, die jährlich eine Million Tonnen Kohlendioxid abscheidet. Ihre Berechnungen zeigten, dass dieses neue System erfolgreich einen erheblichen Teil der Wärme zurückgewinnen könnte, die zur Reinigung der Flüssigkeit benötigt wird. Konkret könnte das System etwa 22 Prozent der gesamten Wärme bereitstellen, die für den Reinigungsprozess erforderlich ist, falls die Flüssigkeit eine Standardmenge an Energie zur Regeneration benötigt. Wenn die Anlage eine effizientere Art von Flüssigkeit verwendet, die weniger Wärme benötigt, könnte das System bis zu 34 Prozent des Bedarfs decken. Das bedeutet, dass die Fabrik viel weniger Brennstoff verbrennen müsste, um Dampf zu erzeugen, was Geld spart und weitere Emissionen reduziert.

Die Studie untersuchte auch, wie viel Energie das neue System benötigt, um die Pumpen und Kompressoren zu betreiben. Obwohl das Hinzufügen des zusätzlichen Kreislaufs zwar etwas zusätzliche Elektrizität erfordert, ist die Gesamtbilanz positiv. Die Forscher fanden heraus, dass das System hocheffizient darin ist, die von ihm verrichtete Arbeit in nutzbare Wärme umzuwandeln. In ihren Simulationen erreichte der Aufbau einen Wirkungsgrad von über 57 Prozent, was eine starke Leistung für ein System ist, das zwei Aufgaben gleichzeitig erfüllt: das Kühlen des Gases und das Heizen der Flüssigkeit. Dies ist deutlich besser als das Standardsystem, das das Gas nur kühlt und die Wärme verschwendet. Das Team stellte fest, dass das System am besten funktioniert, wenn das Kohlendioxid vor der Kühlung auf einen spezifischen Druck komprimiert wird – ein Detail, das es ermöglicht, dass die Wärmerückgewinnung bei der richtigen Temperatur stattfindet.

Einer der entscheidenden Vorteile dieses Ansatzes ist, dass er nicht vom Wetter oder dem Standort der Fabrik abhängt. In vielen Teilen der Welt haben Zementwerke Schwierigkeiten, Abwärme zu finden, da die Rohstoffe feucht sind und getrocknet werden müssen, was die gesamte verfügbare thermische Energie verbraucht. In diesen feuchten Klimazonen scheitert die übliche Methode, Wärme aus anderen Teilen der Fabrik zu entnehmen, oft. Dieses neue System hingegen erzeugt seine eigene Wärmequelle direkt dort, wo sie benötigt wird, indem es die Energie aus dem Kühlprozess selbst nutzt. Es verwandelt den Akt des Einfrierens des Kohlendioxids in eine Möglichkeit, die Reinigungsflüssigkeit zu erwärmen, und recycelt so effektiv Energie, die andernfalls verloren ginge.

Die Forscher räumten ein, dass der Bau dieses Systems größere und leistungsstärkere Kompressoren erfordern würde, als eine Standardanlage verwendet, was eine erhebliche technische Herausforderung darstellt. Die Maschinen müssen den Fluss der Pentan-Flüssigkeit effizient handhaben, ohne Energie zu verschwenden. Sie merkten auch an, dass ihre Ergebnisse auf Computermodellen basieren, die physikalischen Grundlagen des Designs jedoch auf etablierten thermodynamischen Prinzipien beruhen. Die Studie legt nahe, dass die Nachrüstung bestehender Kohlenstoffabscheidungsanlagen mit diesem Dual-Loop-System ein gangbarer Weg sein könnte, insbesondere für Anlagen, denen es an anderen Abwärmequellen mangelt. Durch die Verknüpfung der Kühl- und Heizbedarfe der Anlage bietet die Technologie eine Möglichkeit, die Kohlenstoffabscheidung weniger energieintensiv und praktischer für die Zementindustrie zu machen, was dazu beiträgt, eine große Verschmutzungsquelle in einen beherrschbaren Teil der Lösung zu verwandeln.