Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Der Erfolg des vom Schweizer Bundesrat formulierten Null-Emissions-Projekts erfordert eine schnelle Entwicklung von Technologien zur CO2-Abscheidung. Derzeit wird CO2 im industriellen Maßstab hauptsächlich mithilfe von Aminen aufgefangen und absorbiert, die im industriellen Maßstab besonders gut funktionieren. Dennoch wird diese Technologie stark durch ihre Kosten sowie durch mehrere operative Schwierigkeiten beeinträchtigt. An der EPFL haben wir eine leistungsfähige Membrantechnologie entwickelt, die auf der Verwendung einer atomaren Graphenschicht als selektive Schnittstelle beruht. Mit dieser Technologie lassen sich außergewöhnliche Leistungen bei der CO2/N2-Trennung erzielen. Unserer technisch-wirtschaftlichen Analyse zufolge kann diese Technologie die "Strafe" für die Abscheidung aus Rauchgasen und Zementwerken auf 30 bzw. 44 CHF/t CO2 reduzieren. Auch der Preis für die Reinigung von Biogas (CO2/CH4-Abscheidung) kann um bis zu 17 CHF/Tonne CO2 gesenkt werden. Der technologische Reifegrad liegt bei 4-5, in Verbindung mit einem Molekularsieb, das durch Membranen im Zentimetermaßstab demonstriert wird. Durch dieses Projekt, das von GAZNAT sowie der Walliser Verwaltung mitbegründet wurde, wollen wir die Oberfläche der Membranen vergrößern, um die Abscheidung von 10 kg CO2/Tag aus Verbrennungsgasen sowie aus Biogas zu demonstrieren. Der Erfolg dieses Projekts würde es der Schweiz erleichtern, ihr Klimaziel zu erreichen und gleichzeitig ihren Energiebedarf zu decken.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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The success of the zero emission project, as stated by the Swiss Federal Council, requires a rapid development of CO2 capture technologies. Currently, on an industrial scale, CO2 is mainly captured and absorbed using amines, which work particularly well on an industrial scale. Nevertheless, this technology is strongly impacted by its cost as well as by several operational difficulties. At EPFL, we have developed an efficient membrane technology, based on the use of an atomic layer of graphene as a selective interface. This technology allows to reach exceptional performances for CO2/N2 separation. According to our techno-economic analysis, this technology is able to reduce the capture "penalty" from flue gas and cement plants to 30 and 44 CHF/tonne CO2. Also, the price of biogas purification (CO2/CH4 separation) can be lowered to 17 CHF/ton CO2. The technological maturity level is 4-5, associated with a molecular sieve, demonstrated through centimeter-scale membranes. Through this project, co-funded by GAZNAT and the Valais administration, we want to increase the surface area of the membranes in order to demonstrate the capture of 10 kg CO2/day from flue gas and biogas. The success of this project would help Switzerland to achieve its climate target while covering its energy needs.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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La réussite du projet zéro émission, énoncée par le Conseil Fédéral Suisse, requiert un développement rapide des technologies de capture du CO2. Actuellement, à l’échelle industrielle, le CO2 est principalement capturé et absorbé, utilisant des amines, fonctionnant particulièrement bien à l’échelle industrielle. Néanmoins, cette technologie est fortement impactée par son coût ainsi que par plusieurs difficultés opérationnelles. A l’EPFL, nous avons développé une technologie membranaire performante, reposant sur l’utilisation d’une couche atomique de graphène comme interface sélective. Cette technologie permet d’atteindre des performances exceptionnelles pour la séparation CO2/N2. D’après notre analyse technico-économique, cette technologie est en mesure de réduire la « pénalité » de capture à partir du gaz de combustion et des cimenteries jusqu’à 30 et 44 CHF/tonne CO2. Egalement, le prix de la purification de biogaz (CO2/CH4 séparation) peut être abaissé jusqu’à 17 CHF/tonne CO2. Le niveau de maturité technologique est de 4-5, associé à un tamis moléculaire, démontré à travers des membranes à l’échelle du centimètre. A travers ce projet, co-fondé par GAZNAT ainsi que par l’administration du Valais, nous voulons augmenter la surface des membranes afin de démontrer la capture de 10 kg CO2/jour à partir de gaz de combustion ainsi que de biogaz. La réussite de ce projet faciliterait la Suisse à réaliser son objectif climatique tout en parvenant à couvrir ses besoins énergétiques.
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Die erfolgreiche Umsetzung des vom Schweizer Bundesrat festgelegten Null-Emissionsziels erfordert eine rasche Entwicklung einer energieeffizienten Technologie zur CO2-Abscheidung. Dieses Projekt baut auf der neuartigen zweidimensionalen (2D) Membrantechnologie der EPFL auf, bei der ein atomar dicker, poröser Graphenfilm als CO2-selektive Schicht verwendet wird. Das Projekt zielt darauf ab, die Technologie zu vergrössern (Membran im Metermassstab) und die Abscheidung von 10 kg CO2/Tag zur Reinigung von Rauchgas und Biogas zu demonstrieren. Im ersten Jahr des Projekts haben wir erfolgreich einen hochskalierten Reaktor in Betrieb genommen, der in der Lage ist, eine Graphenschicht im Metermaßstab in einer einzigen Charge zu synthetisieren. Der Reaktor kann eine kontrollierte Oxidation von Graphen durchführen, um hochdichte Poren im Å-Maßstab für die CO2-Abscheidung zu bilden. Außerdem haben wir Polymerbeschichtungssysteme zur mechanischen Verstärkung von großflächigem Graphen in Betrieb genommen und validiert. Wir haben ein neuartiges Modul für 2D-Membranen entwickelt und dabei die Konzentrationspolarisation und die Druckabfall-Effekte optimiert. Wir haben Modulprototypen mit zunehmendem Maßstab (10 cm2, 100 cm2) hergestellt und erfolgreiche Dichtungsmembranen hergestellt. Schließlich haben wir den Membranprozess optimiert, um eine CO2-Reinheit von 98 % zu erreichen, die die Integration eines nachgeschalteten CO2-Umwandlungsprozesses ermöglicht.
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Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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A successful realization of the zero-emission target set by the Swiss Federal Council requires a rapid development of energy-efficient carbon capture technology. This project builds up on the EPFL’s novel two-dimensional (2D) membrane technology using atom-thick, porous graphene film as CO2-selective
layer. The project aims to scale-up the technology (meter-scale membrane) and demonstrate capture of 10 kg CO2/day to clean flue gas and purify biogas.
In the first year of the project, we have successfully commissioned a scaled-up reactor capable of synthesizing meter-scale graphene film in a single batch. The reactor can carry out controlled oxidation of graphene to form high-density Å-scale pores for CO2 separation. We have also commissioned and validated polymer coating systems to mechanically reinforce large area graphene. We have developed a novel module for 2D membrane while optimizing concentration polarization and pressure drop effects. We have fabricated module prototypes with increasing scale (10 cm2, 100 cm2) and have carried out successful sealing membranes. Finally, we have optimized the membrane process to yield CO2 purity of 98% to allow the integration of downstream CO2 conversion process.
Zugehörige Dokumente
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Publikationen / Ergebnisse
(Französisch)
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Pour atteindre l'objectif de zéro émission fixé par le Conseil fédéral suisse, il faut développer rapidement une technologie de capture du carbone efficace sur le plan énergétique. Ce projet s'appuie sur la nouvelle technologie de membrane bidimensionnelle (2D) de l'EPFL, qui utilise un film de graphène poreux de l'épaisseur d'un atome comme couche sélective du CO2. Le projet vise à mettre à l'échelle la technologie (membrane à l'échelle du mètre) et à démontrer la capture de 10 kg de CO2/jour pour nettoyer les gaz de combustion et purifier le biogaz. Au cours de la première année du projet, nous avons mis en service avec succès un réacteur à grande échelle capable de synthétiser un film de graphène à l'échelle du mètre en un seul lot. Le réacteur peut effectuer une oxydation contrôlée du graphène pour former des pores de haute densité à l'échelle Å pour la séparation du CO2. Nous avons également mis en service et validé des systèmes de revêtement en polymère pour renforcer mécaniquement le graphène sur de grandes surfaces. Nous avons développé un nouveau module pour la membrane 2D tout en optimisant la polarisation de la concentration et les effets de chute de pression. Nous avons fabriqué des prototypes de modules à échelle croissante (10 cm2, 100 cm2) et avons réalisé avec succès des membranes d'étanchéité. Enfin, nous avons optimisé le processus membranaire pour obtenir une pureté de CO2 de 98 % et permettre l'intégration d'un processus de conversion du CO2 en aval.
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