Direct Air Capture - experimentelle Versuche zur Integration in raumlufttechnische Anlagen

Abstract

Als Direct Air Capture (DAC) bezeichnet man eine Technologie zur Abscheidung von CO2 aus der Umgebungsluft als Maßnahme gegen den Klimawandel. Im aktuellen Stadium der Forschungen ist eine ökonomische Rentabilität, und damit ein kommerzieller Einsatz im großen Stil jedoch noch nicht gegeben. Im übergeordneten Forschungsprojekt dieser Arbeit soll eine Kommerzialisierung der DAC-Technologie über zwei zentrale Ansätze erreicht werden. Der erste Ansatz, auf den sich die vorliegende Arbeit fokussiert, umfasst die Integration in Heating, Ventilation and Air Conditioning (HVAC) Systeme. Der zweite Ansatz befasst sich mit der weiteren Nutzung des abgeschiedenen Kohlendioxides. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die verglichen mit der Umgebungsluft günstigere Abscheidung von CO2 in HVAC-Systemen mittels der Durchführung und Auswertung von Adsorptionsversuchen an der Versuchsanlage im Technikum der TU Wien und einer Literaturrecherche in dem Technologiefeld näher zu betrachten.Bei den HVAC-spezifischen Adsorptionsversuchen wurden übliche, in der Praxis auftretende Prozessbedingungen in Form von Temperatur, CO2-Konzentration und relativer Luftfeuchtigkeit simuliert und daraus Versuchsdaten gewonnen. Die Ergebnisse umfassen dabei im Wesentlichen CO2-Bilanzen, die Aufschluss über die Kohlendioxidkapazität bei verschiedenen Bedingungen und deren Veränderung geben und Wasserbilanzen, welche für die HVAC-Integration von zentraler Bedeugung sind. Die gewonnenen Performancedaten der Versuchsanlage wurden dann in einem Scale-Up auf einen möglichen praktischen Anwendungsfall skaliert.Es konnte gezeigt werden, dass eine steigende CO2-Konzentration in der Zuluft bei der Adsorption, zu einem schnelleren Durchbruch des Adsorbens führt. Weiters steigt die Adsorptionskapazität mit zunehmender CO2-Konzentration und fallender Temperatur in der Zuluft an. Niedrigere Temperaturen und höhere relative Luft- feuchtigkeiten begünstigen zudem das auf den Luftstrom bezogene Entfeuchtungsverhalten des Adsorbens während der Adsorption. Bei sehr trockener Zuluft mit nur 20 %rH bis hin zu 35 %rH kehrt sich das erwünschte Entfeuchtungsverhalten in eine Befeuchtung um. Ein geringerer Desorptionsdruck bei gleichbleibender Temperatur der Wärmetauscher im und um das Festbett führt trotz Wasserzufuhr in Form von Spüldampf zu einer Trocknung des Adsorbens während der Desorption.

Direct Air Capture (DAC) is the term used to describe a technology for capturing CO2 from ambient air as a measure against climate change. At the current stage of research, however, it is not yet commercially viable and therefore a commercial application on a large scale is not yet given.In the overarching research project of this thesis, the aim is to commercialize DAC technology via two central approaches. The first approach, which is the focus of this work, involves the integration into Heating, Ventilation and Air Conditioning (HVAC) systems. The second approach is concerned with the further utilization of the captured carbon dioxide.The goal of this work is to demonstrate the more favorable CO2 capture conditions in HVAC systems compared to ambient air by conducting and evaluating adsorption experiments at the test facility in the Technical Center of the TU Wien. Furthermore a supplementary literature research should be conducted in the present technology field.The HVAC specific adsorption tests were carried out under the usual process conditions that occur in practical applications. Therefore, specific temperatures, CO2 concentrations and conditions of relative humidity were simulated for the collection of data. The results essentially comprise CO2 balances, which provide information on the carbon dioxide capacity under different conditions and how they change, and water balances, which are of key importance for HVAC integration. The performance data obtained from the experimental plant have then been scaled up to a possible practical application.It could be shown that an increasing CO2 concentration on the supply air during ad- sorption leads to a faster breakthrough of the adsorbent. Furthermore, the adsorption capacity enlarges with increasing CO2 concentration and decreasing temperature in the supply air. Lower temperatures and higher relative humidities also favor the dehumidification behavior of the adsorbent during adsorption, which is related to the air flow. In the case of very dry supply air with only 20 %rH up to 35 %rH, the desired dehumidification behavior is reversed to a humidification. A lower desorption pressure with a constant temperature of the heat exchangers in and around the fixed bed leads to a drying of the adsorbent during desorption despite supplying water in form of steam.