Carbon Capture unter der Lupe

12 Sep 2023

carbon capture close-up

Verstärkung im Kampf gegen den Klimawandel: Mit einem umfassenden Portfolio zur CO2-Abscheidung unterstützt GEA kohlenstoffintensive Schlüsselbranchen klimafreundlicher zu arbeiten.

Der Einsatz von erneuerbaren Energien, nachhaltigen Brennstoffe und energieeffizienten Prozessen können die Erderwärmung verlangsamen. Aber das allein wird nicht ausreichen. Kurzfristig führt kein Weg an der Abscheidung von CO2 vorbei, dem sogenannten Carbon Capture an einzelnen Quellen zur Wiederverwendung oder langfristigen unterirdischen Lagerung. Kohlendioxid aufzufangen, wird weithin als die wirksamste kurzfristige Lösung angesehen, um die CO2-Emissionen einzudämmen und die Industrie auf den Weg zu bringen, ihre Klimaziele zu erreichen.

Das Abscheiden von CO2 wird bereits seit Jahrzehnten eingesetzt, um Roh-Erdgas in verkaufsfähigen Kraftstoff umzuwandeln oder das abgetrennte CO2 in Ölfelder zu injizieren, um die Ölgewinnung zu verbessern. Für die heutigen industriellen Großemittenten ist diese Methode jedoch Neuland. Während Öl- und Gasunternehmen schon immer einen klaren wirtschaftlichen Anreiz hatten, CO2 aus ihren Produktströmen abzuscheiden, galt dies nicht für Zement- oder Stahlhersteller. Das Bild ändert sich vollkommen: In Europa beispielsweise investieren diese Industrien nun in die CO2-Abscheidung, da diese bei Zertifikatseinsparung und CO2 Nutzung als Wertstoff ökonomischer wird. Dabei müssen sie ihre Preise entsprechend zusätzlichem Aufwand erhöhen, während sie gleichzeitig mit Herstellern in Ländern konkurrieren, in denen es noch keine CO2-Gesetze gibt. Warten ist keine Option. Klimaschutz – laut gefordert seitens der Regulierungsbehörden und der Öffentlichkeit, stiller gezeigt durch unseren Planeten selbst – ist zu offensichtlich und dringend notwendig. 

Kurz gesagt: Die kohlenstoffintensiven Branchen von heute brauchen einen schnellen, wirksamen und wirtschaftlichen Weg, um ihre CO2-Emissionen zu senken.

GEA auf Carbon-Capture-Mission

Als erfahrener Anbieter von Lösungen zur Emissionsminderung konzentriert sich GEA nun darauf, Industrien mit hohem Emissionsausstoß beim Einstieg in die Kohlenstoffabscheidung zu unterstützen. „Um die Erwartung der Carbon-Capture-Technologie erfüllen zu können, muss sie günstiger und leichter in verschiedenen Industrien zu implementieren sein“, sagt Dr. Felix Ortloff, Senior Director Carbon Capture Solutions bei GEA. Ortloff und sein Team haben sich auf fünf Branchen konzentriert – Zement, Eisen und Stahl, Glas, Chemie und Bioenergie – und dafür eine angepasste End to End Lösung zur Kohlenstoffabscheidung entwickelt. 

„Zunächst müssen viele dieser Unternehmen auf regulatorische Änderungen reagieren und ihren eigenen Net-Zero-Pfad verfolgen. Und sie müssen zeitnah damit beginnen“, sagt Ortloff. „Zweitens ist ohne massive Subventionen höchstwahrscheinlich ein kleinerer Anlagenmaßstab für den Anfang sinnvoller, damit die Unternehmen die Projektkosten im Griff haben und die CO2 Abscheidekapazität später ausbauen können. Drittens suchen sie nach einer Lösung mit beherrschbarer Komplexität; hier hilft sich auf einen Gesamtanbieter zu beschränken, da dadurch das dadurch Liefergrenzenrisiken reduziert werden können. Und schließlich wollen sie eine Lösung, die sich in ihren Betrieb integrieren lässt, ohne diesen zu stören.“

Für diese Anforderungen hat GEA nun sein End-to-End portfolio für Carbon Capture entwickelt, welcher in der konventionellen Rauchgasreinigung beginnt und insgesamt aus vier Kernbereichen mit verschiedenen Technologien besteht:

  • XECO Waste-Heat-Recovery – für maximale Anlagenwirtschaftlichkeit:  Prozess- und Abgaswärme der Produktionsanlage werden genutzt, um einen großen Teil der für die CO2-Abscheidung benötigten Wärme bereitzustellen
  • SETO Gas Pre-Treatment – für maximale Effektivität und Langlebigkeit:  Schädliche Spurenkomponenten werden aus dem Rauchgas entfernt, um die Langzeitstabilität der Kohlenstoffabscheidungs-Chemie zu maximieren.
  • CEBO Carbon Capturing Plants – CO2 Abscheideanlagen in vier verschiedenen Größen erlauben eine optimierte, wirtschaftliche Lösung, die einfach zu installieren ist. 
  • NAVO COUtilization & Sequestration – Lösungen für CO2-Reinigung, -Verflüssigung, -Konditionierung und -Transportvorbereitung ermöglichen es den Kunden, ihr abgeschiedenes CO2 zur Wiederverwendung in der industriellen Produktion oder zur langfristigen Lagerung vorzubereiten.

Für Ortloff machen die weitreichende Erfahrung von GEA in den Bereichen Emissionskontrolle, Abwärmerückgewinnung sowie CO2-Verflüssigung und -Wiederverwendung – zusammen mit der Kernkompetenz im Planen, Errichten und Skalieren von industriellen Prozesslinien – den Unterschied. „Wir realisieren seit Jahrzehnten Abgasbehandlungen. Auf Basis dieser Erfahrungen können wir ein standardisiertes, zielgerichtetes Design entwickeln, bei dem eine kosteneffiziente Materialwahl und Langlebigkeit im Vordergrund steht.“, sagt er. „Wir haben die Kapazitäten, um größere Projekte durchzuführen. Und wir liefern Projekt Performance, so dass das Risiko für unsere Kunden sehr gering ist.“

Carbon Capture unter der Lupe

GEA's Lösungen für die Kohlenstoffabscheidung sorgen für eine optimale und wirtschaftliche CO2-Reduktion.

Kosteneffizienz durch Wärmerückgewinnung

Der energieintensivste Schritt bei der Aminwäsche ist das Erhitzen des Lösemittels im thermischen Reboiler, um das CO2bei der Desorption zu lösen. Die XECO® Technologie nutzt die verfügbare Abwärme der Prozessanlage maximal aus, um diesen Prozessschritt zu unterstützen und die Betriebskosten zu minimieren. 

"Einige der heutigen Carbon Capture Vorzeigeprojekte werden großzügig von staatlicher Hand gefördert. Aber die überwiegende Mehrheit der industriellen Emittenten wird Carbon Capture selbst finanzieren müssen. Rückgewonnene Abwärme zum Betrieb des Carbon Capture Prozesses Erhitzen zu nutzen, ist eine gute Möglichkeit, die Betriebskosten zu reduzieren."- Dr. Felix Ortloff, Senior Director Carbon Capture Solutions, GEA

- Dr. Felix Ortloff, Senior Director Carbon Capture Solutions, GEA

Wie Ortloff betont, muss eine effektive Abwärmenutzung auch auf die Eigenschaften des Rauchgases der Anlage abgestimmt sein. Die Auswahl des geeigneten Wärmeträgermediums, Thermalöl oder Dampf, ist ein weiterer wichtiger Faktor. „Wir integrieren seit Langem Wärmerückgewinnungseinheiten in industriellen Prozessen und Rauchgasen, um Kunden bei der Verbesserung der Energieeffizienz ihrer Anlagen zu unterstützen“, sagt Ortloff. Er ergänzt: „Eine der Herausforderungen bei der Wärmerückgewinnung in Zementwerken ist beispielsweise die hohe Staubbelastung im Rauchgas des Ofens, die die Langlebigkeit der Wärmerückgewinnungsanlage stark beeinträchtigen kann. Unsere Wärmerückgewinnung hat bereits bewiesen, dass es unter diesen Bedingungen über Jahre  laufen kann und dabei eine sehr gute Wärmeübertragungsleistung beibehält.“ 

Auch Glashersteller verlassen sich seit mehr als zehn Jahren auf die XECO®-Lösung von GEA. „Bei der Glasproduktion fallen relativ große Mengen an Abwärme an. Deshalb können wir sogar 40 bis 50 Prozent des CO2 aus dem Rauchgasstrom mit wenig oder gar keinem zusätzlichen Energieaufwand entfernen“, so Ortloff.

Gasvorbehandlung für langlebigen Betrieb

Zement-, Eisen- und Stahl-, Glas-, Chemie- und Bioenergieindustrie - jeder Industriezweig hat sein eigenes Rauchgasprofil, und die richtige Vorbehandlung der Abgase ist entscheidend für eine optimale und langlebige Leistung der Kohlenstoffabscheidung. Das liegt daran, dass die typischen Abgase Spurenkomponenten enthalten, insbesondere Stickoxide (NOx), Schwefeloxide (SOx), Aerosole und feste Partikel wie Staub. Diese können die Stabilität der Aminlösung, die zur Abscheidung und Entfernung des CO2 verwendet wird beeinträchtigen. 

Zur Vorbehandlung gehört auch die Einstellung der Feuchtigkeit im Rauchgas. „Wir müssen die Wasserkonzentration in der Aminlösung auf einem stabil Niveau zu halten“ sagt Ortloff. Wird diese zu hoch oder zu niedrig, verschlechtert sich die Leistung. Eine Rauchgasvorbehandlung senkt das Risiko, dass sich Ablagerungen im Carbon-Capture-System bilden, was sich erheblich auf die Wartungskosten auswirkt. 

GEA berücksichtigt die Rauchgasprofile in der Konfiguration der Gasreinigungsanlage. „Wir können dadurch die CO2-Abtrennung nahtlos in die Abgasleitung jedes Kunden integrieren, um die Betriebskosten durch Erhöhung der Langlebigkeit des Lösemittels zu senken und eine zuverlässigere Abscheidung zu erreichen“, sagt Ortloff.

Flexible Kohlenstoffabscheidung

Abscheidung. Dabei wird das Rauchgas im Gegenstrom durch eine Aminlösung geleitet, die das CO2 durch Absorption entfernt. Das Lösungsmittel wird dann erhitzt, um reines CO2 für die endgültige Wiederverwendung oder Lagerung freizusetzen. Während dies in der Öl- und Gasindustrie seit Langem üblich ist, besteht die Herausforderung heute darin, Carbon Capture in einer Reihe anderer emissionsintensiver Industrien schnell und kostengünstig einzuführen. 

„Beim Carbon Capture auf Aminbasis in der Öl- und Gasindustrie handelt es sich in der Regel um Großprojekte mit sehr großen Gasdurchsätzen, deren Bau, Installation und Betrieb sehr kostspielig sind“, erklärt Ortloff. „Das passt einfach nicht zu den Bedürfnissen von Herstellern von Zement, Eisen und Stahl, Glas, Chemie oder Bioenergie, wo es andere Gasdurchsätze und Budgets gibt. Um diese Industrien zu bedienen, brauchen wir einen vereinfachten und flexibleren Ansatz.“

GEA bietet vier unterschiedlich große CO2-Abscheidungsanlagen an - von 16 bis 200 Kilotonnen CO2-Abscheidungskapazität pro Jahr, basierend auf der durchschnittlich verfügbaren Abwärme in verschiedenen Industrien. 

"Bei einem großen Zementwerk könnten wir mit der verfügbaren Abwärme in einem ersten Schritt 20 Prozent des Rauchgas- CO2 abscheiden, bei einem Glaswerk sind es vielleicht 40 bis 50 Prozent."- Dr. Felix Ortloff, Senior Director Carbon Capture Solutions, GEA

- Dr. Felix Ortloff, Senior Director Carbon Capture Solutions, GEA

„Bioenergie ist interessant, weil wir mit der CO2-Sequestrierung, also der Einleitung in verschiedene Lagerstätten, negative anthropogene CO2-Emissionen erreichen können. In der Gesamtbilanz entziehen wir CO2 aus der Erdatmosphäre. Das liegt daran, dass das abgeschiedene CO2ursprünglich aus dem Wachstum der Biomasse stammt – sozusagen eine natürliche direkte Luftabscheidung.“

Das Design der Carbon-Capturing-Anlagen von GEA ist einfach und modular aufgebaut. Standard-40-Fuß-Container sind für eine schnelle Installation beim Kunden vormontiert und verfügen über Seitentüren, die einen einfachen Zugang und Wartung ermöglichen. CEBO®-Carbon-Capturing-Anlagen bestehen aus korrosionsbeständigen Materialien wie thermoplastischem Kunststoff oder rostfreiem Stahl. Ein intelligentes Steuerungssystem ist fernwartungsfähig und gewährleistet eine einfache Bedienung und schnelle technische Unterstützung für den Kunden.

Klimafreundliche Verwendung & Sequestrierung

Um eine positive Auswirkung auf die Klimabilanz eines Unternehmens zu erzielen, muss das abgetrennte CO2 entweder sequestriert werden, zum Beispiel durch langfristige unterirdische Lagerung, oder  fossilen Kohlenstoff zur Herstellung von Gütern oder Kraftstoffen ersetzen. Da der Markt und die Infrastruktur sowohl für die Nutzung als auch für die Speicherung von abgeschiedenem CO2 relativ neu sind, stellt dies für Unternehmen, die mit der Kohlenstoffabscheidung beginnen, eine zusätzliche Herausforderung dar: 

  • Welche Optionen gibt es für die Wiederverwendung, die Lagerung oder den Transport? 
  • Welche Anforderungen müssen in Bezug auf Reinheit, Aggregatzustand, Druck und Temperatur erfüllt werden? 
  • Und wie kann ein Unternehmen sicherstellen, dass diese Anforderungen auch langfristig erfüllt werden? 

Aus der chemischen Verarbeitung kennt GEA die CO2-Verflüssigung und Konditionierung, den Transport und die Wiederverwendung. „Wir können das CO2 je nach Bedarf in die Form bringen, die es für den erforderlichen Transport oder die Einspeisung per Pipeline benötigt“, sagt Ortloff. „Für die industrielle Wiederverwendung ist ein gekühlter Transport in flüssigem Zustand mit Tanks über Lkw oder Bahn möglich. In Europa (EIGA) ist für die Verwendung in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie eine Reinheit von mindestens 99,9 Prozent vorgeschrieben. Für den Transport in Pipelines, zum Beispiel für die Lagerung, gelten andere Spezifikationen. Da die Transportkosten für flüssiges CO2 nach wie vor hoch sind, empfiehlt GEA den Unternehmen, potenzielle CO2-Kunden in ihrer Nähe zu identifizieren und unterstützt beim Festlegen der Anlagengrenzen

  • Als langjähriger Partner der Brauereiindustrie hat GEA Erfahrung mit der Rückgewinnung von CO2 in Lebensmittelqualität zur Wiederverwendung in der Getränkeherstellung.
  • In Zusammenarbeit mit Industriepartnern kann GEA Methanol aus CO2 und H2 synthetisieren, das als Kraftstoff, Kraftstoffzusatz oder Grundbaustein in der chemischen Industrie verwendet werden kann.  
  • GEA deckt auch die Herstellung von Karbonaten aus abgeschiedenem CO2 für den Einsatz in verschiedenen Industrien, darunter Glas, Pharmazeutika, Zellstoff und Papier, ab. „Unsere Kristallisationstechnologien sind Teil von Karbonat-/Bikarbonat Projekten mit einer Produktionskapazität von mehreren 100 Tonnen pro Tag“, so Ortloff. 
  • Für zusätzliche Flexibilität bietet GEA die Option einer Zwischenspeicherung des abgeschiedenen CO2 in flüssiger Form. 
  • Darüber hinaus kann die bei der Kühlung und Komprimierung des CO2 gewonnene Wärmeenergie in ein Wärmeübertragungssystem integriert werden, um die Gesamteffizienz zu erhöhen.
Kleine(re) Schritte für nachhaltigen Erfolg

GEA hat 2021 mit der Entwicklung seines Portfolios zur Kohlendioxidabscheidung begonnen, weil das Unternehmen die Chance erkannt hat, sein jahrzehntelanges Know-how in eine entscheidende neue Phase im Kampf gegen den Klimawandel einzubringen. Tatsache ist auch: Industrien mit hohem Schadstoffausstoß wie die Zement-, Eisen- und Stahlindustrie müssen mit der Kohlenstoffabscheidung klein anfangen, bevor sie zu größeren Anlagen übergehen können. „Wir haben unsere Anlage zur Kohlendioxidabscheidung so konzipiert, dass sie eine CO2-Abscheidung von 90 Prozent erreicht, und der Pilotversuch hat bestätigt, dass wir dazu in der Lage sind“, bilanziert Ortloff. 

"Kurzfristig ist eine Abscheidung im Full-scale Maßstab für die meisten Unternehmen nur schwer zu erreichen Oft ist es eine Frage der Abwägung zwischen Investitionskosten für Carbon Capturing vs. Emissionszertifikate. Da die Zertifikate weniger verfügbar und teurer werden, werden die Unternehmen gezwungen sein, mehr in die Kohlenstoffabscheidung zu investieren.”"- Dr. Felix Ortloff, Senior Director Carbon Capture Solutions, GEA

- Dr. Felix Ortloff, Senior Director Carbon Capture Solutions, GEA

Zukünftig werden Forderungen von Investoren, strengere Vorschriften, großzügigere staatliche Anreize und ein robuster Markt für abgeschiedenes CO2emissionsintensive Schlüsselindustrien dazu veranlassen, einen größeren Prozentsatz ihrer CO2-Emissionen zur Wiederverwendung und Speicherung abzuscheiden. „Wir sind technologisch bereit, wenn es die Industrien sind“, sagt Ortloff. „Aber in der Zwischenzeit können wir Großemittenten mit einer schnellen, kosteneffizienten und skalierbaren Lösung helfen, schrittweise Fortschritte zu erzielen. Wenn ein Zementwerk eine CO2-Entfernung von 20 Prozent erreichen kann, ist das ein immer noch großer Schritt nach vorn und eine bessere Ausgangsposition, um später Kapazitäten zu erweitern.“

Konzeptbeweis durch die Pilotanlage

Als Proof-of-Concept hat GEA eine mobile Pilotanlage zum Carbon Capturing entwickelt, die mit einem Gasvorbehandlungsmodul (SETO) ausgestattet ist. Die Versuchsanlage, die leicht in unterschiedlich großen Kundenanlagen in verschiedenen Industrien integriert werden kann, ist so konzipiert, dass sie dem Kunden volle Transparenz bietet und er sie selbst betreiben kann. Hierdurch wird dem Kunden ermöglich, die Abscheideleistung, den Automatisierungsgrad und die einfache Bedienung selbst zu erfahren. Die Anlage ist derzeit bei den PHOENIX Zementwerken in Beckum, Deutschland, für einen drei- bis sechsmonatigen Testbetrieb installiert. Sie hat bisher Ortloffs Ziel einer CO2-Abscheidungseffizienz von 90 Prozent erreicht und wertvolle Daten geliefert, die zur Optimierung des CO2-Abscheidungsbetriebs am Standort beitragen. „Die integrierte Gasvorbehandlung in die Versuchsanlage hilft uns, das Verständnis der Abgasmatrix für den jeweiligen Betrieb zu verfeinern, damit wir die langfristige Stabilität der Aminchemie sicherstellen können“, sagt Ortloff. „Wir können aus den Ergebnissen lernen und Erkenntnisse in die großindustrielle Umsetzung einfließen lassen. “ GEA arbeitet nun gemeinsam mit PHOENIX an einem Konzept für die Integration einer größeren Anlage zur Kohlendioxidabscheidung an ihrem Standort. Die Pilotanlage wird im vierten Quartal 2023 zu einem zweiten Zementhersteller umziehen.
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