Mit konzentrierter Solarstrahlung betriebenes Kalziumoxid-Looping
Laufzeit: 1.8.2018 – 31.7.2021
Das Kalziumoxid-Looping, die wechselweise Umwandlung von gebranntem Kalk (CaO) in kohlensauren Kalk (CaCO3), ist ein konventionelles, energieaufwändiges Verfahren zur Abscheidung von Kohlendioxid (CO2) aus industriellen Abgasen. Im Projekt CALyPSOL wird der Ansatz verfolgt dieses Verfahren mit konzentrierter Solarenergie zu betreiben. Hierzu wird ein Reaktor entwickelt, in dem die Kalzinierung, also die endotherme Umwandlung von CaCO3 in CaO und CO2 mittels konzentrierter Solarstrahlung betrieben wird. Der Gesamtprozess wird im Hochflussdichte-Sonnenofen des DLR in Köln-Porz demonstriert.
Hauptziel ist die Absorption von CO2 durch Calziumoxid-Looping, einem bekannten chemischen Kreisprozess, der in diesem Projekt durch konzentrierte Solarenergie betrieben wird. Zunächst wird der gesamte Kreisprozess experimentell im Labormaßstab betrieben, um anschließend ein Scale-Up sowie die mögliche Integration des Prozesses in bestehende industrielle Anlagen theoretisch zu untersuchen. Der experimentelle Teil umfasst sowohl eine Materialanalyse, als auch das Design, die Konstruktion und experimentelle Tests des Karbonisierungs- und Kalizinierungsreaktors.
Das Verhalten von CaO/CaCO3-Partikeln wird durch thermodynamische Modellierung und thermogravimetrische Experimente untersucht. Die Reaktionskinetik des Kalzinierungs- und Karbonisierungsschrittes wird bei verschiedenen Gaszusammensetzungen untersucht, entsprechend der Zusammensetzung verschiedener industrieller Abgase. Für jede Gaszusammensetzung werden geeignete Betriebsbedingungen und die erreichbare Effizienz ermittelt. Verschiedene Metalle werden zur Dotierung eingesetzt, um Degradierungseffekte zu verringern. Die Materialtests erfolgen durch thermogravimetrische Untersuchungen.
Vor der Bestrahlung im Sonnenofen
Der CALyPSOL-Reaktor für die solar-betriebene Umwandlung von Kalziumcarbonat in Kalziumoxid und Kohlendioxid wird für Versuchsreihen im Hochflussdichte-Sonnenofen in Köln-Porz aufgebaut.
Zwei Reaktoren werden entwickelt: Der erste der beiden ist der Kalzinator, in dem bei Temperaturen von circa 1.000 Grad Celsius die endotherme Reaktion stattfindet. In diesem Reaktor, der auf dem Konzept eines Drehrohrofens basiert, werden Kalksteinpartikel verschiedener Größe durch konzentrierte solare Direktstrahlung auf die Reaktionstemperatur erhitzt. Danach wird die Kalzinierungsreaktion durch isotherme Wärmeabsorption betrieben. Vollständig umgesetzte Partikel (CaO) verlassen den Reaktor über ein Auslassrohr.
Der zweite Reaktor ist der Karbonisator. Dessen Auslegung hängt stark von der Anwendung ab. Falls die festen Partikel beispielsweise nach der Kalzinierung im heißen Zustand gelagert werden und das verwendete Industrieabgas ebenfalls heiß ist, kann die Reaktionswärme vollständig extrahiert und weiter genutzt werden. Für den Fall, dass der Feststoff oder das Gas im kalten Zustand zugeführt werden, muss ein Teil der Reaktionsenthalpie zur Erhitzung der Ausgangsstoffe verwendet werden, um diese bis zur Reaktionstemperatur zu erhitzen. Sollte die Reaktionswärme dafür nicht ausreichend sein, beispielsweise bei hohen Gasströmen, so ist eine externe (solare) Energiequelle nötig.
Für die Untersuchung des Scale-Up erfolgt zunächst eine Analyse potentieller Anwendungsfelder. Dazu werden technische Daten verschiedener Industrieanlagen zusammengetragen. Die Möglichkeit die Energiequelle vom Anwendungsort zu entkoppeln (24h-Betrieb des CCS) wird ebenfalls untersucht. In einer vergleichenden Analyse werden die vielversprechendsten Industrieprozesse ermittelt. Für diese wird eine vollständige Prozessanalyse (Flowsheeting) inklusive Definition und Dimensionierung der Komponenten durchgeführt, die schließlich noch durch eine ökonomische Analyse vervollständigt wird.
