Cadfem: Strömungen berechnen und analysieren

Mit Simulation CO2-Bilanz verbessern

| Redakteur: Konrad Mücke

Simulation der Luftströmungen in einem Filterelement zur Analyse und Optimierung.
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Simulation der Luftströmungen in einem Filterelement zur Analyse und Optimierung. (Bild: Cadfem)

Der Weltklimarat befürwortet, bereits in der Atmosphäre befindliches Kohlendioxid physisch wieder zu entfernen, um den Temperaturanstieg zu bremsen oder zu verhindern. Geeignete Anlagen lassen sich dank ausgereifter Strömungsanalysen mit Simulationssoftware von Ansys optimieren.

Wesentliches Ziel des Pariser Abkommens vom Jahr 2016 ist, die Durchschnittstemperatur auf Erden maximal um 2 °C – verglichen mit dem über dem vorindustriellen Niveau – ansteigen zu lassen. 87 Prozent aller Klimaszenarien des Weltklimarats deuten darauf hin, dass dies allein dadurch möglich ist, die bereits in der Luft befindlichen Mengen an Kohlendioxid deutlich zu reduzieren. Obwohl der Anteil an erneuerbaren Energien zunimmt und bestehende Maschinen, Fahrzeuge, Heizungs- und Klimaanlagen energieeffizienter arbeiten, ist es erforderlich, zusätzlich Kohlendioxid zu beseitigen. Nur so lässt sich das sogenannte 2-°C-Ziel erreichen. Dazu sagt Dr. Phillip Williamson, Universität von East Anglia: «Die Direct-Air-Capture-Technologie (DAC) kann die umweltfreundlichste Option sein, um grossflächig CO2 zu entfernen.» Julio Friedmann fügt hinzu: «Vor drei Jahren taten die Leute so, als ob man in Feenstaub und Einhörner investiert. Inzwischen erkennen Unternehmen, dass der Klimawandel eine Bedrohung darstellt, und sie sehen die Direct-​Air-Capture-Technologie als ein wesentliches Instrument zu dessen Minderung.» Friedmann ist Forscher am Zentrum für globale Energiepolitik der Columbia Universität und Gründer von Carbon Wrangler, einer Beratungsgesellschaft, die Start-ups in der Direct-Air-Capture-Technologie berät.

Kohlendioxid einsammeln

Um Kohlendioxid direkt aus der Atmosphäre zu extrahieren, hat das Unternehmen Climeworks modulare CO2-Kollektoren verwirklicht. Diese nutzen Niedertemperaturwärme, erzeugt aus erneuerbaren Energien oder aus Abfall. Die Anlagen können über die Massenproduktion skaliert werden. Sie filtern Kohlendioxid aus der Luft mit Hilfe der weltweit ersten kommerziellen Direct-Air-Capture-​Technologie. Das gewonnene Kohlendioxid wird an technische Nutzer verkauft oder in der Erde gelagert.

Weltweit gibt es inzwischen an 14 Standorten funktionstüchtige Anlagen. Eine Anlage besteht aus mehreren Einheiten. Der Prozess der CO2-Extraktion ist in zwei Schritte unterteilt. Im ersten Schritt saugt jede Einheit die Umgebungsluft ein. Diese strömt durch einen Filter, der das CO2 chemisch bindet. Die von CO2 befreite Luft wird am Ende des Prozesses freigesetzt. Ist der CO2-Filter gesättigt, wird er auf 100 °C erwärmt. Dann gibt das Filtermaterial das CO2 frei. Dadurch steht ein hochkonzentriertes, hochreines Gas für unterschiedliche Anwendungen zur Verfügung. Es kann beispielsweise in der Lebensmittel- und der Getränkeindustrie sowie in Gewächshäusern eingesetzt werden. Darüber hinaus lässt sich das Kohlendioxid verwenden, um erneuerbare Kraftstoffe zu synthetisieren.

Mineralisieren

Um das Kohlendioxid endgültig aus der Umgebung zu entfernen, verbindet man die Direct-Air-Capture-​Technologie mit der sicheren und dauerhaften Lagerung. Das Kohlendioxidgas wird mit Wasser gemischt und in den Boden gepumpt. Innerhalb von zwei Jahren mineralisiert es. Wegen der besonders günstigen Bedingungen gelingt das vorteilhaft derzeit in Island. Die zum Freisetzen des Kohlendioxids benötigte Wärme erhält man wahlweise geothermisch, aus Energieresten oder aus erneuerbaren Energien. Die Anlagen erreichen derzeit rund 90 Prozent Entfernungsrate für Kohlenstoff (netto). Geplant ist, das auf rund 96 Prozent zu erhöhen.

In mehreren Pilotanlagen hat sich das Arbeitsprinzip als praxistauglich erwiesen. Ein Beispiel ist die Anlage DAC-18. Sie entfernt täglich etwa 2460 kg Kohlendioxid aus der Atmosphäre. Ihr Kohlendioxid wird für ein Gewächshaus genutzt. Sie wird in Hinwil mit Abwärme betrieben. Eine zweite Anlage, Variante DAC-1, entfernt 135 kg Kohlendioxid täglich aus der Umgebungsluft. Die zum Freisetzen des Kohlendioxids benötigte Wärme erhält man wahlweise geothermisch, aus Energieresten oder aus erneuerbaren Energien. Die Anlagen erreichen derzeit rund 90 Prozent Entfernungsrate für Kohlenstoff (netto). Geplant ist, das auf rund 96 Prozent zu erhöhen.

In mehreren Pilotanlagen hat sich das Arbeitsprinzip als praxistauglich erwiesen. Ein Beispiel ist die Anlage DAC-18. Sie entfernt täglich etwa 2460 kg Kohlendioxid aus der Atmosphäre. Ihr Kohlendioxid wird für ein Gewächshaus genutzt. Sie wird in Hinwil mit Abwärme betrieben. Eine zweite Anlage, Variante DAC-1, entfernt 135 kg Kohlendioxid täglich aus der Umgebungsluft. Ihr CO2-Gas wird mineralisiert. Sie erhält die erforderliche Wärmemenge aus geothermischen Quellen. Sie arbeitet in Hellisheidi in Island. Weitere, derzeit entwickelte Anlagen sollen Kohlendioxid bereitstellen, um erneuerbare Kraftstoffe für industrielle Anwendungen zu generieren. Sie dienen zudem zur Forschung im Rahmen von geförderten Projekten (EU). Beteiligt sind etwa 60 Partnerunternehmen und Forschungsinstitute. Ihnen stehen knapp 63 Mio Euro zur Verfügung.

Dank Simulation wirtschaftlicher

Das Unternehmen Climeworks beabsichtigt, mit der Technologie und den Anlagen Direct Air Capture das Klima weltweit zu verbessern. Gefordert wird aktuell insbesondere, dass Anlagen für die DAC-Technologie wirtschaftlicher zu realisieren und zu betreiben sind. Nur so lassen sich Anlagen in grösserer Anzahl installieren und betreiben. Speziell Simulationssoftware von Ansys trägt dazu bei, die Technologie und die Anlagen derart zu optimieren. Die Software verkürzt die Zeiten in der Entwicklung. Zudem reduziert sie die Anzahl an Prototypen, die ansonsten kosten- und arbeitsaufwendig erstellt werden müssten. Unter anderem setzen die Entwickler eine strömungsmechanische Simulation (CFD, Computational Fluid Dynamics) ein, um den Luftstrom im Prozess zu analysieren, zu beurteilen und zu verbessern.

Die ausgereifte Simulationssoftware trägt somit dazu bei, die Kosten zu senken und eine breitere Anwendung zu ermöglichen. - kmu - SMM

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