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 gesetzten Netto-Null-Ziels erfordert eine rasche Entwicklung energieeffizienter Technologien zur CO2-Abscheidung. Dieses Projekt baut auf der neuartigen zweidimensionalen (2D) Membrantechnologie der EPFL auf, bei der ein poröser Graphenfilm mit atomarer Dicke als CO2-selektive Schicht verwendet wird. Ziel des Projekts ist es, die Technologie auf den Metermaßstab zu skalieren (Membranen im Quadratmeterbereich) und die Abscheidung von 1 kg CO2 pro Tag zu demonstrieren. Bisher wurden mehrere Maßnahmen eingeführt, die die Kosten für poröse Graphenmembranen (PG) deutlich senken, eine gleichmäßige Porenbildung auf großen Flächen ermöglichen und die Herstellung großflächiger PG-Membranen mit attraktiver Leistung erlauben. Ein skalierter Reaktor zur Synthese von Graphenfilmen im Metermaßstab konnte erfolgreich in Betrieb genommen werden. Zudem wurde ein großtechnischer Reaktor entwickelt, mit dem sich eine kontrollierte Oxidation des Graphens zur Erzeugung hochdichter Ångström-großer Poren für die CO2-Abtrennung durchführen lässt. Mit diesem Reaktor können unter anderem Proben mit einer Fläche von bis zu 500 cm² hergestellt werden. Wir konnten zeigen, dass der Stofftransport des Oxidationsmittels – bislang kaum systematisch untersucht – eine entscheidende Rolle für die gleichmäßige Oxidation großflächiger Graphenfilme spielt. Für die Handhabung von Membranen mit zunehmender Größe (1, 10, 100, 500 cm²) wurden Querströmungsmodule entwickelt und validiert; auch das zuverlässige Abdichten der Membranen wurde erfolgreich umgesetzt. Die Bildung von Rissen beim Transfer des Graphens – ein Faktor, der bislang die Reproduzierbarkeit einschränkte – konnte durch ein neues Protokoll vollständig verhindert werden. Dieses Verfahren kommt ohne empfindliches Schwebenlassen oder manuelles Handling des Graphens aus und ermöglicht so die Herstellung leistungsstarker Graphenmembranen mit nahezu 100 % Erfolgsrate. Abschließend wurde der Membranprozess so optimiert, dass eine CO2-Reinheit von 95 % bei einer Rückgewinnungsrate von 90 % erreicht wird. Unsere Herstellungsmethode hat die Reproduzierbarkeit und Erfolgsrate bei der Fertigung von Graphenmembranen deutlich verbessert. In Zusammenarbeit mit GAZNAT konnte zudem die Stabilität der Membranen bei der CO2-Abtrennung aus Rauchgas nachgewiesen werden.
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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 the capture of 1 kg CO2/day. So far, we introduce several interventions that significantly reduce PG membrane cost, allow uniform pore formation in a large area, and enable the preparation of large-area PG membranes with attractive performance. We have successfully commissioned a scaled-up reactor capable of synthesizing meter-scale graphene film in a single batch. We have also successfully developed a scaled-up reactor which can carry out controlled oxidation of graphene to form high-density Å-scale pores for CO2 separation. In particular, this reactor can prepare samples that are up to 500 cm2 in size. We show that mass transfer of the oxidant, which has not been systematically studied, plays a crucial role in achieving uniform oxidation of large-area graphene. We have developed and validated cross-flow modules for handling increasing size of graphene membranes (1, 10 cm2, 100 cm2, 500 cm2) and have carried out successful sealing membranes. Crack formation during the transfer of graphene, which also limits reproducibility, is eliminated using a novel protocol that does not require delicate floating and handling of graphene, allowing the realization of a high-performance graphene membrane with near 100% success rate. Finally, we have optimized the membrane process to yield CO2 purity of 95% with a recovery rate of 90%. Our method of fabrication has improved the reproducibility and success rate of preparing graphene membranes. In collaboration with GAZNAT, we have shown stability of graphene membranes in separating CO2 from flue gas.
Zugehörige Dokumente
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Publikationen / Ergebnisse
(Französisch)
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La réalisation réussie de l’objectif zéro émission fixé par le Conseil fédéral suisse nécessite un développement rapide de technologies de capture du carbone à haute efficacité énergétique. Ce projet s’appuie sur la technologie innovante de membranes bidimensionnelles (2D) développée à l’EPFL, utilisant un film de graphène poreux d’épaisseur atomique comme couche sélective au CO2. L’objectif est de porter cette technologie à l’échelle (membrane au mètre carré) et de démontrer la capture de 1 kg de CO2 par jour. À ce jour, plusieurs avancées ont permis de réduire considérablement le coût des membranes en graphène poreux (PG), d’assurer une formation homogène des pores sur de grandes surfaces, et de produire des membranes de grande taille avec des performances prometteuses. Nous avons mis en service un réacteur de synthèse à grande échelle capable de produire un film de graphène au mètre carré en un seul lot. Un second réacteur, également à grande échelle, a été développé avec succès pour oxyder de manière contrôlée le graphène, formant ainsi des pores de taille angström à haute densité pour la séparation du CO2. Ce réacteur permet notamment de traiter des échantillons allant jusqu’à 500 cm². Nous avons démontré que le transfert de masse de l’oxydant, un paramètre encore peu étudié, joue un rôle déterminant dans l’obtention d’une oxydation uniforme sur des surfaces de graphène étendues. Des modules à écoulement transversal ont été développés et validés pour la manipulation de membranes de tailles croissantes (1, 10, 100, 500 cm²), accompagnés d’un scellement efficace des membranes. La formation de fissures lors du transfert du graphène, facteur limitant la reproductibilité, a été éliminée grâce à un protocole innovant ne nécessitant ni flottaison ni manipulation délicate du graphène, permettant ainsi d’obtenir des membranes performantes avec un taux de réussite proche de 100 %. Enfin, le procédé membranaire a été optimisé pour atteindre une pureté en CO2 de 95 % avec un taux de récupération de 90 %. Notre méthode de fabrication a considérablement amélioré la reproductibilité et le taux de succès dans la préparation des membranes en graphène. En collaboration avec GAZNAT, nous avons également démontré la stabilité de ces membranes pour la séparation du CO2 dans des gaz de combustion.
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