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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Schlussbericht
(Deutsch)
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Die erfolgreiche Umsetzung des vom Schweizer Bundesrat festgelegten Netto-Null-Ziels erfordert eine rasche Entwicklung energieeffizienter Technologien zur CO2-Abscheidung. Dieses Projekt basiert auf einer neuartigen zweidimensionalen (2D) Membrantechnologie der EPFL, die atomar dünne, poröse Graphenfilme (PG) als CO2-selektive Schicht nutzt. Ziel des Projekts ist die Skalierung dieser Technologie auf Metermaßstab sowie der Nachweis einer CO2-Abscheidung von 1 kg pro Tag. Im Verlauf des Projekts wurden mehrere wesentliche Innovationen eingeführt, die zu einer deutlichen Reduktion der Herstellungskosten von PG-Membranen führten, eine homogene Porenbildung über große Flächen ermöglichten und die Herstellung großflächiger Membranen mit attraktiver Leistungsfähigkeit erlaubten. Es wurde erfolgreich ein skalierter Reaktor in Betrieb genommen, der die Synthese von Graphen im Metermaßstab in einem einzigen Prozessschritt ermöglicht. Darüber hinaus wurde ein weiterer skalierter Reaktor zur kontrollierten Oxidation von Graphen entwickelt, mit dem sich hochdichte Poren im Ångström-Bereich für die CO2-Trennung erzeugen lassen. Dieser Reaktor erlaubt insbesondere die Herstellung von Proben mit Flächen bis zu 500 cm2. Wir zeigen, dass der Stofftransport des Oxidationsmittels entscheidend für eine gleichmäßige Oxidation großflächiger Graphenfilme ist. Zudem wurden Cross-Flow-Module für die Verarbeitung von Membranen unterschiedlicher Größen (1, 10, 100 und 500 cm2) entwickelt und erfolgreich validiert. Die Rissbildung während des Graphentransfers, die bislang die Reproduzierbarkeit einschränkte, konnte durch ein neuartiges Verfahren eliminiert werden, das auf empfindliche Floating- und Handhabungsschritte verzichtet. Dadurch ist die Herstellung hochleistungsfähiger Graphenmembranen mit nahezu 100% Erfolgsrate möglich. Insgesamt konnte die Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit der Membranherstellung deutlich verbessert werden. Abschließend wurde ein zweistufiger Membranprozess entwickelt und optimiert, mit dem eine CO2-Reinheit von 95% sowie eine Rückgewinnungsrate von 90% erreicht werden. Eine zweistufige Pilotanlage wurde an der EPFL in Betrieb genommen und zeigte eine langfristig stabile Leistung der Graphenmembranen unter simulierten Rauchgasbedingungen. In Zusammenarbeit mit GAZNAT konnte zudem die Stabilität der Graphenmembranen bei der Trennung von CO2 aus realem Rauchgas erfolgreich nachgewiesen werden.
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Schlussbericht
(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 on the EPFL’s novel two-dimensional (2D) membrane technology using atom-thick, porous graphene (PG) film as a CO2-selective layer. The project aims to scale up the technology (meter-scale membrane) and demonstrate the capture of 1 kg CO2/day. During the project, we introduced several interventions that significantly reduced PG membrane production costs, enabled uniform pore formation over a large area, and enabled the preparation of large-area PG membranes with attractive performance. We successfully commissioned a scaled-up reactor capable of synthesizing meter-scale graphene film in a single batch. We also developed a scaled-up reactor capable of 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 oxidant mass transfer is crucial for achieving uniform oxidation of large-area graphene. We have developed and validated cross-flow modules for handling graphene membranes of increasing size (1, 10, 100, and 500 cm2). Crack formation during graphene transfer, which also limits reproducibility, is eliminated using a novel protocol that avoids delicate floating and handling of graphene, enabling the fabrication of a high-performance graphene membrane with a near 100% success rate. Our fabrication method has improved the reproducibility and success rate of graphene membrane preparation. Finally, we developed and optimized a two-staged membrane process to achieve 95% CO2 purity and a 90% recovery rate. We also commissioned a two-stage membrane pilot plant at EPFL. The pilot plant demonstrated long-term stability of the graphene membrane in simulated flue gas. In collaboration with GAZNAT, we demonstrated the stability of graphene membranes in separating CO2 from real flue gas.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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La réalisation réussie de l’objectif de zéro émission fixé par le Conseil fédéral suisse nécessite le développement rapide de technologies de captage du carbone à haute efficacité énergétique. Ce projet s’appuie sur une technologie innovante de membranes bidimensionnelles (2D) développée à EPFL, utilisant des films de graphène poreux (PG) d’épaisseur atomique comme couche sélective au CO2. Le projet vise à passer à l’échelle (membranes de taille métrique) et à démontrer une capacité de captage de 1 kg de CO2 par jour. Au cours du projet, plusieurs avancées majeures ont été introduites, permettant de réduire significativement les coûts de production des membranes PG, d’assurer une formation uniforme des nanopores sur de grandes surfaces, et de produire des membranes de grande taille présentant des performances attractives. Nous avons notamment mis en service un réacteur à l’échelle pilote capable de synthétiser du graphène de taille métrique en un seul lot. Par ailleurs, un réacteur de mise à l’échelle pour l’oxydation contrôlée du graphène a été développé, permettant la formation de pores de taille angströmique à haute densité pour la séparation du CO2. Ce réacteur permet en particulier la préparation d’échantillons allant jusqu’à 500 cm2. Nous démontrons que le transfert de masse de l’agent oxydant joue un rôle déterminant pour garantir une oxydation homogène sur de grandes surfaces de graphène. Nous avons également développé et validé des modules à écoulement tangentiel (cross-flow) pour le traitement de membranes de tailles croissantes (1, 10, 100 et 500 cm2). La formation de fissures lors du transfert du graphène, qui limitait auparavant la reproductibilité, a été éliminée grâce à un protocole innovant évitant les étapes délicates de manipulation et de flottation du graphène. Cette approche permet la fabrication de membranes de haute performance avec un taux de réussite proche de 100%. Notre méthode de fabrication améliore ainsi significativement la reproductibilité et la fiabilité du procédé. Enfin, nous avons développé et optimisé un procédé membranaire en deux étages permettant d’atteindre une pureté en CO2 de 95 % et un taux de récupération de 90%. Une unité pilote à deux étages a été mise en service à l’EPFL, démontrant la stabilité à long terme des membranes en graphène dans des conditions simulées de gaz de combustion. En collaboration avec GAZNAT, nous avons également démontré la stabilité de ces membranes pour la séparation du CO2 à partir de gaz de combustion réels.
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