Direct Air Capture Offshore – Abgefischt und eingefangen

Die Menschheit pustet täglich rund 100 Millionen Tonnen CO₂ in die Atmosphäre. Für eine lebenswerte Zukunft der Menschheit deutlich zu viel. In Hamburg wird an einer Technologie gearbeitet, um auch künftigen Generationen ein Überleben zu ermöglichen. Und vor Helgoland lernt sie schwimmen …

Es schwankt ein wenig, als ein Schlepper vorbeirauscht. Der Hauch eines Vorgeschmacks. Denn wenn die Plattform, die hier in Bremerhaven festgemacht in einem Hafenbecken schwimmt, erst einmal in der freien und wilden Nordsee angekommen ist, dann kann man den Technikern und Wissenschaftlern, die hier arbeiten, nur einen ziemlich robusten Magen wünschen.

Endziel E-Fuels offshore 

60 Meter lang und 15 Meter breit ist eines der momentan wohl spannendsten schwimmenden Versuchslabore der sieben Weltmeere. H2Mare sieht auf den ersten Blick nach einer ziemlich schnöder Arbeitsplattform aus, gespickt mit lauter aufeinander gestapelten Containern. Doch das gleichnamige Projekt hat ein Gesamtbudget von 100 Millionen Euro und soll die Atmosphäre retten. Naja, oder zumindest einen Weg aufzeigen, um das CO₂-Problem anzugehen, was uns unter anderem den Klimawandel beschert. 

An Bord dieser schwimmenden Plattform, Barge genannt, befinden sich gleich vier Einzelprojekte, die sich hier zu einem Verbundprojekt vereinen. Zunächst soll CO₂ aus der Luft gefischt werden. Die Technologie dafür stammt von der Hamburger Firma DACMA. Und zu einem nicht geringen Teil von Phoenix Contact.
Ebenfalls an Bord befindet sich eine Meerwasserentsalzungsanlage. In einem speziellen chemischen Verfahren, der Co-Elektrolyse, hilft elektrische Energie dabei, die beiden Moleküle H₂O und CO₂ um eines ihrer jeweiligen Sauerstoff-Atome zu reduzieren. Das macht beide übrig bleibenden „Restmoleküle“, also Kohlenmonoxid CO und H₂, sehr reaktionsfreudig. Das wiederum nutzt das jetzt folgende Verfahren, die Fischer-Tropsch-Synthese, um langkettige Kohlenstoffe wie E-Fuels zusammenzusetzen. und mittels einer Co-Elektrolyse Wasserstoff produziert. Dieser Wasserstoff wird zusammen mit dem gewonnenen CO₂ in einer speziellen Anlage zu flüssigem Kerosin veredelt. Die nötige Energie für die Anlagen stammt aus Offshore-Windkraftanlagen. Gemeinsames Ziel des Gesamtprojekts ist die komplett regenerative Erzeugung von E-Fuels.

Das Projekt H₂Mare findet Offshore statt, denn hier ist die Stromzufuhr aus Windenergie deutlich stabiler als an Land. Und Energie ist eine der Hauptzutaten für das ambitionierte Treiben. Denn Moleküle haben ein ziemliches Beharrungsvermögen im Bestreben, ihre Bestandteile beieinander zu halten. Ihre Trennung erfordert raffinierte Technologie und eben eine Menge Energie, um sie zur Aufspaltung zu bewegen. Zudem ist auf offener See Platz für solche Anlagen.

Innovatoren von Flügelspitze bis Restmolekül

Alexander Backs ist der Produktverantwortliche von DACMA. „Wir sind mit unserer Anlage, die hier montiert ist, in der Lage, an jedem beliebigen Platz auf der Erde CO₂ direkt aus der Luft zu entnehmen und abzuscheiden.“ Was es im H₂Mare Projekt zu beweisen gilt, denn die raue und salzhaltige Seeluft stellt alle hier kombinierten Einzelbausteine vor schwierige Bedingungen. „In diesem Versuchsaufbau filtern wir das CO₂ mittels Absorber nicht nur aus der Luft, sondern reinigen und verflüssigen es dann auch, um es den nachgelagerten Systemen zur Verfügung zu stellen“, erklärt der 40jährige Ingenieur. Backs war bereits seit 2012 bei Spitzner Engineers, dem Ingenieursbüro, aus dem DACMA hervorging, beschäftigt. Schon in früheren Projekten kam er mit der Optimierung der Aerodynamik von Flugzeug-Flügelprofilen in Berührung, um die Erkenntnisse dann auf Rotorblätter von Windkraftanlagen zu übertragen. Der gelernte Fahrzeugingenieur begleitete auch die Entwicklung von Heizsystemen für Windkraftflügel. Ein Projekt, in dem auch Phoenix Contact eingebunden war.

2016 haben wir dann begonnen, uns mit dem Thema CO₂ zu beschäftigen. Damals inspiriert von den Optimierungen an Rotorblättern, die wir durch Öffnungen an den Flügeln erreicht haben. Dort strömte dann Luft durch die Blätter. Und diesen Luftstrom wollten wir nutzen, um CO₂ einzufangen.“ Die Ideen, die das Team rund um Jörg Spitzner entwickelt, sind stets visionär (siehe auch Er ist ein Windkraft-Innovator – zu Besuch bei Jörg Spitzner). „Anfangs haben wir gedacht, wir könnten die Luft waschen wie mit einer Waschmaschine. Anfangs noch klein und geheim, haben wir dann 2019 DACMA gegründet und richtig losgelegt.“

Zunächst ging es den Hamburger Ingenieuren darum, mögliche Synergien im Bereich Windkraftanlagen zu nutzen. Es gab einen Luftstrom durch die Flügel, Abwärme des Generators und erneuerbare Energie. Alles ideale Zutaten, um CO₂ direkt am Windrad aus der Luft zu fischen. Mit viel Schwung und noch mehr Idealismus machten sich die Norddeutschen zunächst auf in die Schweiz, denn dort gab es bereits ein SpinOff der ETH Zürich namens Climeworks (siehe auch Die CO2-Fänger). Doch schnell folgte die Ernüchterung, denn die Schweizer setzten ihren Fokus auf Großanlagen zur Filterung und Speicherung von CO₂.

Klein anfangen, groß skalieren

Alexander Backs schmunzelt: „Einem Ingenieur ist doch nix zu schwör. Also dachten wir, wir bauen die Anlagen eben selbst!“ Der Haken: Es gab nur kleine Forschungsprojekte und so gut wie keine Literatur. Außer im Labor waren noch keine Anlagen gebaut worden, die mehr als wenige Gramm CO₂ gewinnen konnten. Und auch die nötige Zuliefererindustrie, etwa für Verdampfer, Lüfter oder Vakuumpumpen, wusste mit den exotischen Anforderungen von DACMA zunächst nichts anzufangen. Grundlagenarbeit war angesagt. „Das ganze Thema ist sehr hardwarelastig und damit teuer. Also war auch das Thema der Finanzierung von Beginn an ein zentrales Thema“, erzählt Backs weiter.  

„Ich war Projektleiter von der allerersten Idee über ein Forschungs- und dann Entwicklungsprojekt bis hin zum Proof of concept, um dann eine erste Produktion mit aufzubauen und internationale Prototypen und Anlagen zu organisieren.“ Backs zeigt mit dem Daumen hinter sich auf einen offenen Container: „Wir sehen hier bereits die nächste Anlagengeneration, die sich modular in Containergröße aufbauen und erweitern lässt. Diese Art der Anlage haben wir unter anderem auch schon in Brasilien aufgebaut.“ Nicht ohne Stolz fügt er an: „Das ist die größte Anlage ihrer Art in Süd-Amerika.“ Jedes Projekt wird individuell engineered und an die Standortumgebung angepasst. „Mittlerweile sind wir in Sachen Knowhow breit aufgestellt: Konstrukteure, Statiker, Chemieingenieure, Prozess- und Verfahrenstechniker, Elektroingenieure und Automatisierungsexperten – nur die Produktion selbst machen Partnerunternehmen. Und die Forschung an den Absorbenzien, also den Stoffen, mit denen wir CO₂ aus der Atmosphäre gewinnen – daran arbeiten Forschungsunternehmen.“

Der ideale Projektpartner aus Ostwestfalen

Phoenix Contact war bei DACMA von Beginn an Partner. Ingo Gerhardt, der betreuende Außendienst von Phoenix Contact, schildert die intensive Zusammenarbeit bei dem innovativen Projekt: „Unser Part ist die gesamte elektrotechnische Planung, mit der Steuerungstechnik der PLCnext und deren Programmierung, der Schaltschrankfertigung bis hin zur Automatisierung der Anlagen. Die Steuerungsschränke inklusive des Bedienpanels, welches den Betrieb vor Ort deutlich erleichtert, wurden von unserer Abteilung Combinations gebaut und hier in Betrieb genommen. Selbst der Low-Voltage-Schrank wird jetzt von uns gebaut, da der bisherige Lieferant eine nur unzureichende Dokumentation liefern konnte.“

Dank des eingesetzten Profinet-Bussystems wurde die Einzeladerverdrahtung nahezu überflüssig. Als eine der ersten Anwendungen in der Prozesstechnik wurden in diesem Projekt Single-Pair-Ethernet (SPE)-Switche eingesetzt. Die so angesteuerten SPE-Sensoren erfassen viele zusätzliche Messwerte, etwa Durchflussmengen, Temperaturen oder Drücke. Andere Daten werden von Axioline-E Modulen gesammelt; diese können ohne zusätzlichen Schaltschrank direkt an den Absorbermodulen installiert werden und eignen sich für die Aufnahme von Signalen in beengten Räumen. Die Daten werden von Axioline E-Modulen gesammelt, die die IP67-Norm erfüllen, also gegen Umwelteinflüsse besonders gesichert sind. Dann geht es weiter an die PLCnext-Steuerung.

Alexander Backs erklärt: „Die Anbindung an Cloud-Dienste war für uns Neuland. Momentan arbeiten wir mit der Phoenix Contact-eigenen ProfiCloud.“ Ingo Gerhardt ergänzt: „Das ist eine günstige Möglichkeit, die zunächst noch moderaten Datenmengen schnell verfügbar zu machen. Bei kleineren Anwendungen klappt das auch in der Prozessindustrie problemlos. Die Cloud arbeitet natürlich elegant mit unserer Steuerungstechnologie aus dem PLCnext-Bereich zusammen.

Dank einer umfassenden Sicherheitsanalyse der Phoenix Contact-eigenen Safety und Security-Abteilung konnte eine zertifizierungsrelevante Dokumentation der Anlage erstellt werden. Lohn dieser Anstrengungen war der Segen des deutschen TÜV. Das ermöglichte die Genehmigung der Anlagen etwa in Brasilien ohne eine separate Zulassung. Dort sind nämlich gleich vier dieser Anlagen bereits im täglichen Einsatz.

Size does matter

Momentan installiert DACMA in Kanada erste Anlagen im Industrieformat der Generation zwei. Dafür wird alles in Hamburg gefertigt, was sich direkt und rund um das Absorptionsmaterial dreht. Alle anderen Komponenten, also die großen Standardkomponenten, werden vor Ort zugekauft und installiert. Was hier noch in 20- oder 40-Fußcontainern Platz hat, erreicht dort dann Dimensionen von Gebäuden.

Von der ursprünglichen Idee vom Windrad, welches bei Überlast in den Netzen mit überschüssiger Energie nebenbei noch CO₂ abscheiden kann, sind die Experten von DACMA mittlerweile deutlich abgerückt. Alexander Backs beschreibt die naheliegenden Gründe: „Anlagen zur CO₂-Abscheidung sind so groß, prozess- und auch kostenintensiv, dass sie idealerweise rund um die Uhr 24/7 auf Volllast laufen müssen. Das erreichen nur Großanlagen, wie wir sie jetzt in Kanada gerade aufbauen. Das ist auch für Investoren wichtig, die wollen ja nicht 20 Jahre und länger auf ihren Return of Invest warten. Kleinanlagen wie hier beim H₂Mare-Projekt sind Erkenntnisanlagen, mit denen wir Technik erproben und verbessern.“

Bis zu 60 Tonnen CO₂ kann eine einzelne Anlage dieser ersten Generation pro Jahr aus der Luft abfischen. Was sich zunächst respektabel anhört, ist allerdings nicht mehr als der Tropfen auf dem heißen Stein: „Pro Tag werden mehr als 100 Millionen Tonnen CO₂ in die Atmosphäre gepustet.“ Folgende Anlagengenerationen werden zwar deutlich mehr CO₂ einfangen. Klar ist aber, dass allein durch die Anstrengungen der industriellen CO₂-Fänger das Problemgas nicht aus der Atmosphäre verschwindet. Hier hilft nur der Umbau der Weltwirtschaft weg von fossilen Energieträgern.

Und doch ist der Ansatz vom Gesamtprojekt H2Mare zukunftsweisend. Denn es wird auch in Zukunft Anwendungen geben, in denen kohlenstoffbasierte Stoffe nicht zu ersetzen sind, ob Arzneimittel, Kunststoffe oder Spezialtreibstoffe etwa für die Luftfahrt. Und das „Nebenprodukt“ Wasserstoff wird in Zukunft ebenfalls in immer größeren Mengen benötigt. Dazu können die Technologien der Hamburger DACMA einen substantiellen Beitrag leisten – indem sie abfischen und einfangen …

DACMA GmbH
Wasserstoffleitprojekt H₂Mare
Karlsruher Institut für Technologie KIT
Phoenix Contact Power-to-X