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„Baustein für die Energiewende“: Erste Direct-Air-Capture-Anlage in der Metropolregion Hamburg in Betrieb genommen

Die erste Direct-Air-Capture-Anlage in Norddeutschland ist im Betrieb: Am 20. August 2021 gaben Katharina Fegebank, Hamburgs Senatorin für Wissenschaft, Forschung, Gleichstellung und Bezirke, und Jens Kerstan, Hamburgs Senator für Umwelt, Klima, Energie und Agrarwirtschaft, sowie Prof. Dr. Micha Teuscher, Präsident der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg (HAW Hamburg) den Startschuss am TEC Technologiezentrum Energie-Campus des CC4E Competence Center für Erneuerbare Energien und EnergieEffizienz.

CO2 wird in Power-to-Gas-Prozess integriert

Die Anlage ist ein wichtiger Baustein, künftig CO2-Quellen für die Dekarbonisierung zu nutzen. Sie filtert Kohlenstoffdioxid aus der Umgebungsluft, bereinigt es und leitet das so gewonnene Kohlendioxid zusammen mit Wasserstoff aus der Elektrolyse in einen Bioreaktor. Darin wandeln spezielle anaerobe Einzeller, sogenannte Archaeen, die beiden Gase in Methan um. Dieses kann später zum Beispiel in einem Heizkraftwerk Strom und Wärme erzeugen, wenn die Stromproduktion aus Windkraft und Photovoltaik zu niedrig ist. Der Prozess ist kohlendioxidneutral: Die Verbrennung des erzeugten Methans setzt nur genauso viel CO2 frei, wie die Direct-Air-Capture-Anlage zuvor der Atmosphäre entnommen hat.

Um die Erderwärmung zu verlangsamen, ist aus Sicht von K. Fegebank die Reduzierung von CO2-Emissionen in der Umgebungsluft entscheidend. Lösungsansätze wie der des Closed Carbon Loops können mithilfe der Direct-Air-Capture-Anlage die Energiewende entscheidend voranbringen. Das CC4E der HAW Hamburg entwickelt sich laut Hamburgs Wissenschaftssenatorin zu einem großen Player in der Erforschung neuer regenerativer Energien und das zeigt für sie einmal mehr, dass der Wissenstransfer zwischen Wissenschaft, Wirtschaft, Politik und Gesellschaft entscheidend für Innovation ist, aber auch entscheidend für die Zukunft.

Auch J. Kerstan betont den hohen Stellenwert eines effizienten Zusammenspiels von Forschung und Politik. Neue Energiewende-Technologien müssen erprobt und bewertet werden, was an der HAW Hamburg – unter anderem mit diesem Projekt – für ihn eindrucksvoll unter Beweis gestellt wird. Er hofft darauf, dass sich diese Technologie in naher Zukunft auch im großen Maßstab einsetzen lässt, denn das wäre aus seiner Sicht ein kaum zu unterschätzender Beitrag aus Hamburg für die weltweiten Bemühungen um mehr Klimaschutz.

Nach Aussage von Prof. Dr.-Ing. Hans Schäfers, stellvertretender Leiter des CC4E und Leiter des TEC, ist die Kombination unterschiedlichster Technologien im Bereich von geschlossenen Kohlenstoffkreisläufen und negativer CO2-Emissionen notwendig, um bis zum Jahr 2045 Klimaneutralität zu erreichen. Die neue Direct-Air-Capture-Anlage ermöglicht es, an direkter Kohlenstoffabscheidung für stark vernetzte Sektorkopplungs- und Power-to-Gas-Technologien zu forschen. Im Projekt Closed Carbon Loop wird ein geschlossener CO2-Kreislauf und damit Klimaneutralität erreicht. Künftig will H. Schäfers mit seinem Forschungsteam zeigen, wie sich auf diese Weise und mit Hilfe erneuerbarer Energien auch negative CO2-Emissionen erreichen lassen.

Die neue Direct-Air-Capture-Anlage gehört zum Teilprojekt ClosedCarbonLoop der Projektpartnerschaft X-Energy. Zusammen mit 16 regionalen und überregionalen Unternehmenspartnern arbeiten Professoren aller Fakultäten der HAW Hamburg im Rahmen von X-Energy interdisziplinär daran, das lastgeführte Stromsystem in ein überwiegend erzeugungsgeführtes, flexibles umzugestalten.

Technischer Hintergrund

Das Projekt ClosedCarbonLoop wird im Rahmen der Projektpartnerschaft X-Energy vom BMBF Bundesministerium für Bildung und Forschung, Berlin/Bonn, gefördert. In dem Projekt bauen Forscher der HAW Hamburg zusammen mit dem Kooperationspartner Climeworks AG, Zürich, ein Direct-Air-Capture-Verfahren zur CO2-Adsorption auf und integrieren es in einen bestehenden Power-to-Gas-Prozess am CC4E-Technologiezentrum Energie-Campus. Mit einem großen Ventilator wird dabei Umgebungsluft durch ein hochselektives Adsorptionsmaterial im Inneren des Kollektors geleitet. An der Oberfläche dieses Materials lagern sich durch Chemisorption CO2-Moleküle an. Sobald das Adsorptionsmaterial gesättigt ist und kein weiteres CO2 mehr aufgenommen werden kann, schließt der Kollektor und die Desorptionsphase beginnt. Hierfür heizt der Kollektor auf eine Temperatur von rund 100 °C auf und ein Unterdruck entsteht. In diesem Zustand löst sich das Kohlenstoffdioxid wieder von der Sorptionsoberfläche und kann in hoher Reinheit abgepumpt und in einem Tank gespeichert werden. Das Besondere im ClosedCarbonLoop-Projekt: die intelligente Vernetzung der Direct-Air-Capture-Anlage mit dem bereits am Technologiezentrum bestehenden Anlagenverbund aus Photovoltaik, Elektrolyseur, Methanisierung, Gasspeicherung und Heizkraftwerk. Das gewonnene CO2 wird dabei zusammen mit Wasserstoff aus der Elektrolyse in einen Bioreaktor geleitet. Darin wandeln spezielle anaerobe Einzeller, sogenannte Archaeen, die beiden Gase in Methan um. Das Methan kann später als Brennstoff verwendet werden und zum Beispiel in einem Heizkraftwerk Strom und Wärme erzeugen, wenn die Stromproduktion aus Windkraft und Photovoltaik zu niedrig ist. Die Verbrennung des erzeugten Methans setzt dann nur genauso viel CO2 frei, wie die Direct-Air-Capture-Anlage zuvor der Atmosphäre entnommen hat. Der Prozess ist damit kohlendioxidneutral und der Kohlenstoffkreislauf bei der Methanverbrennung geschlossen.