Wie Cellulosefasern helfen, CO2 aus der Luft zu filtern

Deutlich unter zwei Grad Celsius ist das Ziel, das 2015 auf dem UN-Klimagipfel von Paris beschlossen wurde. Gemeint ist der globale Temperaturanstieg gegenüber dem vorindustriellen Niveau. Die Weltgemeinschaft hat sich darauf verständigt, die Erderwärmung auf 1,5 °C zu begrenzen. Soll dieser Wert gehalten werden, braucht es Anstrengungen auf sämtlichen Ebenen der Wertschöpfung. Hier stehen Industrie wie auch Gesellschaft vor großen Aufgaben. Das Einsparen allein von CO₂ reicht nicht aus, dieses muss auch durch entsprechende Kompensationsmaßnahmen aufgefangen werden. Im Rahmen dessen bieten sich Maßnahmen wie Aufforstung, Kohlenstoffbindung im Boden oder auch das aktive Abtrennen von CO₂ aus der Luft an. Bei Letzterem wird auch vom Direct-Air-Capture (DAC) gesprochen. Hier existieren verschiedene Technologien beziehungsweise Ansätze, mit deren Hilfe CO₂ aktiv aus der Atmosphäre abgeschieden werden. Auch die Forschung hat sich diesem Themengebiet angenommen. Die Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF) entwickeln im Rahmen eines Forschungsprojektes textile Materialien zur CO₂-Abtrennung aus der Luft. Diese ermöglichen es, das Kohlenstoffdioxid längerfristig zu fixieren und es dem Klimakreislauf dauerhaft zu entziehen. Optional lässt es sich auch als Rohstoff für das Herstellen von CO₂-neutralem Wasserstoffen nutzen.

Das Entziehen von Treibhausgasen aus der Atmosphäre hat hierbei Potenzial, allein die wirtschaftlichen Aspekte verwehren diesem Verfahren bislang noch den großen Durchbruch. Um das CO₂ aus der Atmosphäre anzapfen zu können, bedarf es enormer Mengen an Luft, die durch einen Filter gepumpt werden. Denn: Der CO₂-Anteil in der Atmosphäre beträgt lediglich 0,04 %. Das Abscheiden des absorbierten Kohlendioxids aus den Filtern benötigt wiederum größere Mengen an Wärmeenergie. Ein unter den aktuellen Bedingungen noch eher kostspieliges Unterfangen, das einem wirtschaftlichen Betrieb im Weg steht. Aufgabe ist es deshalb, die dahinterstehenden Technologien entsprechend weiterzuentwickeln. Die Stichwörter lauten hier Effizienz und Energieverbrauch.

Im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojektes, an dem neben dem DITF Denkendorf das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg und dem Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg auch der Automobilhersteller Mercedes-Benz partizipiert, wird an einem hocheffizienten Verfahren zum Abtrennen von CO₂ aus der Luft gearbeitet. Dazu soll auch ein Demonstrator realisiert werden, der autark betrieben werden kann. Die Ressourcen dafür sollen durch erneuerbare Energie wie Solarenergie und Abwärme aus Wärmepumpen gedeckt werden. Beim Luftfilter wird ein anderer Ansatz als bei bereits etablierten Verfahren verfolgt. Bedingt durch die Bauweise ist ein kontinuierlicher Betrieb der Anlage möglich, was wiederum die Skalierbarkeit in Bezug auf industrielle Maßstäbe verbessert.

Als Filtermedium für die Demonstratoranlage werden Cellulosefasern eingesetzt. Das Know-how dafür kommt von der DITF. Die Entscheidung zugunsten von cellulosebasierten Fasermaterialien lieferten Ergebnisse eines vorangegangenen Forschungsvorhabens. Dabei wurde ein Screening möglicher Verfahren und Materialien durchgeführt, welche sich für das Filtern von Kohlendioxid aus der Luft eignen. Cellulosefasern besitzen eine offene, luftdurchlässige Struktur, was für einen hohen Luftdurchsatz von Vorteil ist. Ihre spezifische Oberfläche begünstigt zudem das Anbinden möglichst großer CO₂-Volumina.

Wo aber kommen nun die bereits erwähnten Amine ins Spiel? Sie sorgen für die temporäre Bindung des Kohlenstoffdioxids an den Fasern. Dafür werden die Cellulosefasern unter Leitung von Dr. Frank Hermanutz im Kompetenzzentrum Biopolymerwerkstoffe der DITF in speziell dafür optimierten Spinnverfahren chemisch modifiziert, dass die Amine an deren Oberfläche koppeln. Ziel ist es, die Cellulose derart zu optimieren, dass die Adsorptionsfähigkeit für CO₂ bestmöglich ausgereizt ist.

Neue Wege geht man auch beim Filteraufbau: Es wird nicht wie sonst üblich, ein statischer Filter verwendet, der nach vollständiger Beladung der Aminogruppen mit CO₂ ausgeheizt werden muss. Der Filtriervorgang wird in einen kontinuierlich arbeitenden Prozess eingebunden, der einen dauerhaften und energiesparenden Betrieb zulässt. Sofern das System an bestehende Luftströme wie Gebäudeklimatisierungen oder Abluft angeschlossen wird, entfällt die Notwendigkeit, energieintensive Ventilatoren einzusetzen. In der Filteranlage sind die Cellulosefasern in Form von Vliesen zu Endlosbändern verarbeitet. Die Bänder laufen in einem kontinuierlichen Prozess auf Rollenbahnen durch den Anluftstrom und binden dort das CO₂. Anschließend werden in einem räumlich abgetrennten Desorptionsbereich die Bänder in drei Temperaturzonen aufgeheizt. Dort trennt sich von den Aminogruppen Wasser und CO₂. Das Wasser wird separat entnommen. Ein hoher synergetischer Effekt insbesondere, da die Anlage energieautark betrieben werden kann, kosten- und energieeffizient arbeitet und somit auch in infrastrukturschwachen und wasserarmen Regionen installiert werden kann. Die Ausführung des Filters als Bandapparat erleichtert es, das Verfahren in sehr große Leistungsklassen hoch zu skalieren. Die Bandlänge muss hierzu lediglich entsprechend größer ausgeführt werden.

Quelle: DITF