Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Derzeit erfordert die CO2-Abscheidung mit flüssigen Alkanolaminen Energiekosten von 2,5 bis 3,5 MJ/kg CO2.1 Diese Werte sind noch weit von dem Zielwert von 1 MJ/kg CO2 entfernt, bei dem Abscheidungsverfahren als rentabel gelten. Wir haben kürzlich geschätzt, dass der Energieverbrauch durch den Einsatz fester Adsorbentien auf 500 kJ/kg CO2 gesenkt werden kann, während die CO2-Produktivität bei über 200 kg CO2/m3/h bleibt.2 Wenn ein solches Ziel erreicht wird, würde dies zu einer beträchtlichen Verringerung der Grösse (Fixkosten) und des Energieverbrauchs (variable Kosten) der Kohlenstoffabscheidungsanlage führen. Die EPFL hat synthetische Strategien entwickelt, um die Leistung von porösen Materialien in CO2-basierten Abscheidungen mit hohen, zyklischen CO2-Kapazitäten zu verbessern. Unser Ziel ist es daher, eine Pilotanlage zur Abscheidung von CO2 aus Gasgemischen zu errichten, deren Zusammensetzung und Temperaturen denen von Kraftwerken und anderen Abgasströmen entsprechen, wobei die an der EPFL entwickelten festen Adsorbentien verwendet werden. Mit der Anlage werden wir verschiedene wichtige Leistungsindikatoren wie Produktivität, prozentuale Reinheit und prozentuale Rückgewinnung bei unterschiedlichen Material- und Prozessparametern überwachen, um zu verstehen, wie sich diese Faktoren auf den Energie- und Kostenaufwand für die CO2-Abscheidung auswirken.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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Currently, CO2 capture with liquid alkanolamines requires an energy cost ranging from 2.5 to 3.5 MJ / kg CO2; 1 values that are still far from the target, 1 MJ / kg CO2, where capture processes are considered viable. We recently estimated that using solid adsorbents, one can decrease the energy consumption as low as 500 kJ/kg CO2, while keeping CO2 productivity greater than 200 kg CO2/m3/h.2 If such a target is reached, it would lead to a considerable decrease in the size (fixed cost) and energy consumption (variable cost) of the carbon capture plant. EPFL has developed synthetic strategies to enhance the performance of porous materials in CO2-based separations with high, cyclable CO2 capacities. Thus, our goal is to construct a pilot plant to capture CO2 from gas mixtures that have compositions and temperatures matching those of power plants and other exhaust gas streams using the solid adsorbents that were developed at EPFL. With the unit, we will monitor various key performance indicators, like productivity, percentage purity, and percentage recovery with varying material and process parameters to understand how such factors impact the energy and cost required for the capture of CO2.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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Actuellement, la capture du CO2 à l'aide d'alcanolamines liquides nécessite un coût énergétique allant de 2,5 à 3,5 MJ/kg de CO21 ; des valeurs qui sont encore loin de l'objectif de 1 MJ/kg de CO2, pour lequel les procédés de capture sont considérés comme viables. Nous avons récemment estimé qu'en utilisant des adsorbants solides, il est possible de réduire la consommation d'énergie jusqu'à 500 kJ/kg de CO2, tout en conservant une productivité de CO2 supérieure à 200 kg CO2/m3/h.2 Si un tel objectif est atteint, cela conduirait à une réduction considérable de la taille (coût fixe) et de la consommation d'énergie (coût variable) de l'usine de capture du carbone. L'EPFL a développé des stratégies synthétiques pour améliorer la performance des matériaux poreux dans les séparations basées sur le CO2 avec des capacités de CO2 élevées et cyclables. Notre objectif est donc de construire une installation pilote pour capturer le CO2 à partir de mélanges de gaz dont la composition et la température correspondent à celles des centrales électriques et d'autres flux de gaz d'échappement, en utilisant les adsorbants solides développés à l'EPFL. Avec l'unité, nous surveillerons divers indicateurs de performance clés, tels que la productivité, le pourcentage de pureté et le pourcentage de récupération en fonction de différents paramètres de matériaux et de processus, afin de comprendre comment ces facteurs influencent l'énergie et le coût requis pour la capture du CO2.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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In den vergangenen Jahrzehnten sind steigende CO2-Emissionen aufgrund der nachteiligen Auswirkungen zunehmender atmosphärischer Treibhausgaskonzentrationen auf die Umwelt zu einer zentralen gesellschaftlichen Herausforderung geworden. Dies hat die Entwicklung großskaliger Technologien zur CO2-Abscheidung vorangetrieben. Die bislang technologisch am weitesten entwickelten Abscheidesysteme sind flüssige, aminhaltige Wäscher. Trotz ihrer nachgewiesenen Leistungsfähigkeit ist die CO2-Abscheidung mit flüssigen Alkanolaminen jedoch mit einem sehr hohen Energiebedarf verbunden und erfordert typischerweise ≥ 4 MJ pro Kilogramm abgeschiedenem CO2 für die Regeneration.1,2 Diese hohe energetische Belastung hat den großtechnischen Einsatz eingeschränkt und das wachsende Interesse an alternativen Abscheidekonzepten gefördert. Vor diesem Hintergrund haben sich feste Adsorbentien als vielversprechende Kandidaten etabliert, da sie geringere Wärmekapazitäten aufweisen und das Potenzial besitzen, den Regenerationsenergiebedarf deutlich zu reduzieren. Ziel dieses Projekts war es, die CO2-Abscheidung mittels Adsorption an festen Adsorbentien im Kilogrammmaßstab zu demonstrieren und die optimale Kombination aus Adsorbens und Prozesskonfiguration zu identifizieren, um den Energiebedarf und die Abscheidekosten zu minimieren, ohne dabei die Trennleistung zu beeinträchtigen. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass durch eine geeignete Materialauswahl und Prozessoptimierung der Energieverbrauch auf unter 1 MJ kg-1 CO2 gesenkt werden kann, während gleichzeitig CO2-Produktivitäten von über 200 kg CO2 m-3 h-1 aufrechterhalten werden. Dadurch könnten sowohl die fixen als auch die variablen Kosten von CO2- Abscheideanlagen signifikant reduziert werden. Zur Umsetzung dieses Ziels wurde im Verlauf des Projekts ein integrierter Ansatz entwickelt und angewendet, der die dynamische Prozessmodellierung, die Validierung im Pilotmaßstab, die techno-ökonomische Analyse sowie die Lebenszyklusanalyse miteinander kombiniert. Eine Vielzahl fester Adsorbentien, darunter Zeolithe, Siliken und metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs), sowohl mit als auch ohne Amin-Funktionalisierung, wurde entwickelt, skaliert und evaluiert. Parallel dazu wurde eine dedizierte Pilotanlage konzipiert und in Betrieb genommen, die unter Gaszusammensetzungen und Temperaturen arbeitet, die für industrielle Abgasströme repräsentativ sind. Dies ermöglichte eine systematische Bewertung zentraler Leistungskennzahlen wie CO2-Reinheit, Rückgewinnungsgrad, Produktivität und Energieverbrauch. Dynamische Prozessmodelle wurden entwickelt und anhand experimenteller Durchbruchsdaten validiert, wodurch eine zuverlässige Extrapolation auf industrielle Szenarien möglich wurde. Unter den untersuchten Prozesskonfigurationen erwies sich die Temperatur-Vakuum-Wechseladsorption (Temperature–Vacuum Swing Adsorption) durchgängig als die vorteilhafteste Variante und erreichte CO2-Reinheiten von über 95 % sowie Rückgewinnungsgrade von etwa oder über 90 % bei industriell relevanten Maßstäben. Für Zeolith 13X ergaben Simulationen im industriellen Maßstab bei trockenen Rauchgasbedingungen und vollständiger Abwärmenutzung Abscheidungskosten von etwa 50 CHF pro Tonne CO2. Unter Berücksichtigung von feuchtem Rauchgas und Vor-Trocknungsanforderungen stiegen die Abscheidungskosten moderat auf etwa 60 CHF pro Tonne CO2, während eine geringere Verfügbarkeit von Abwärme die Kosten weiter auf etwa 70–75 CHF pro Tonne CO2 erhöhte, was auf eine Wettbewerbsfähigkeit mit modernsten lösungsmittelbasierten Abscheidungstechnologien hindeutet. Parallel dazu wurden aminfunktionalisierte Verbundadsorbentien auf Basis von KIT-6-Silika und der metallorganischen Gerüstverbindung MIL-101(Cr) erfolgreich entwickelt und skaliert. Deren Integration in optimierte Adsorptionszyklen zeigte, dass hohe CO2-Reinheiten und Rückgewinnungsgrade bei Energieverbräuchen erreicht werden können, die den relevanten Zielvorgaben des DOE entsprechen. Die Lebenszyklusanalyse ergab, dass die adsorptionsbasierte CO2-Abscheidung zwar günstige ökologische Eigenschaften im Betrieb aufweist, die Herstellung der Adsorbentien – insbesondere lösungsmittelintensive Prozessschritte bei MOF-basierten Systemen – jedoch den dominierenden Beitrag zur gesamten Umweltbilanz leistet. Durch die Implementierung von Lösungsmittelrückgewinnung und alternativen Trocknungsstrategien konnte der CO2-Fußabdruck jedoch um bis zu etwa 80 % reduziert werden, was klare Ansatzpunkte für eine ökologisch wettbewerbsfähige Materialproduktion aufzeigt. Der Einfluss der Feuchte im Abgas wurde explizit untersucht. Dabei zeigte sich, dass eine vorgeschaltete Trocknung zwar eine moderate, aber beherrschbare Kostensteigerung verursacht, die grundsätzliche wirtschaftliche und technische Tragfähigkeit der adsorptionsbasierten CO2-Abscheidung jedoch nicht beeinträchtigt. Insgesamt belegen die Ergebnisse, dass die adsorptionsbasierte CO2-Abscheidung – insbesondere die Temperatur-Vakuum-Wechseladsorption – einen Reifegrad in technischer, energetischer, ökologischer und ökonomischer Hinsicht erreicht hat, der den Übergang zu integrierten Demonstrationsanlagen und einem großskaligen Einsatz rechtfertigt. Die unmittelbaren Prioritäten für den weiteren Fortschritt sind die Produktion fortschrittlicher Adsorptionsmittel im Tonnenmaßstab in Zusammenarbeit mit industriellen Herstellern sowie eine integrierte Demonstration in einer Schweizer Kehrichtverbrennungsanlage, wo die günstige Zusammensetzung der Rauchgase und die verfügbare Abwärme die wettbewerbsfähigsten Bedingungen bieten. Vor allem aber bleibt der Nachweis der langfristigen Beständigkeit der Sorptionsmittel unter realistischen Rauchgasbedingungen – einschließlich Feuchtigkeit, SO? und NO? – die wichtigste noch zu bewältigende technische Herausforderung vor einem großtechnischen Einsatz. Über die Kehrichtverbrennung hinaus ermöglicht der modulare Aufbau der Technologie eine Anpassung an andere Sektoren, in denen Emissionsminderungen besonders schwierig sind, darunter die Zement-, Stahl- und Chemieindustrie, und trägt so direkt zum Ziel der Schweiz bei, bis 2050 jährlich 12 Millionen Tonnen CO2 abzuscheiden. Die detaillierten Schritte, Meilensteine und Industriepartnerschaften, dieerforderlich sind, um die Technologie von ihrem derzeitigen Entwicklungsstand zur Marktreife zu bringen, sind in der Technologie-Roadmap (Abschnitt 6.3) dargelegt.
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Schlussbericht
(Englisch)
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Over the past decades, rising CO2 emissions have become a major societal concern due to the adverse effects of increasing atmospheric greenhouse gas concentrations on the environment, motivating the development of large-scale carbon capture technologies. The most mature capture systems to date are liquid amine–based scrubbers; however, despite their proven performance, CO2 capture with liquid alkanolamines remains highly energy intensive, typically requiring ≥ 4 MJ per kilogram of CO2 captured.1,2 This high energy penalty has constrained large-scale deployment and has driven growing interest in alternative capture approaches. In this context, solid adsorbents have emerged as promising candidates owing to their lower heat capacities and potential for substantially reduced regeneration energy. The objective of this project was to demonstrate adsorption-based CO2 capture using solid adsorbents at the kilogram scale and to identify the optimal combination of adsorbent and process configuration that minimizes energy demand and capture cost while maintaining high separation performance. It was hypothesized that, through appropriate material selection and process optimization, energy consumption could be reduced below 1 MJ kg-1 CO2 while sustaining CO2 productivities above 200 kg CO2 m-3 h-1, thereby enabling meaningful reductions in both the fixed and variable costs of carboncapture plants. To achieve this, an integrated framework combining dynamic process modelling, pilotscale validation, techno-economic analysis, and life-cycle assessment was developed and applied over the course of the project. A range of solid adsorbents, including zeolites, silicas, and metal–organic frameworks, with and without amine functionalization, were developed, scaled, and evaluated. In parallel, a dedicated pilot plant was designed and commissioned to operate under gas compositions and temperatures representative of industrial exhaust streams, enabling systematic assessment of key performance indicators such as CO2 purity, recovery, productivity, and energy consumption. Dynamic process models were developed and validated against experimental breakthrough data, providing confidence for extrapolation to industrialscale scenarios. Among the process configurations investigated, temperature–vacuum swing adsorption consistently emerged as the most favorable, achieving CO2 purities exceeding 95 percent and recoveries around or above 90 percent at industrially relevant scales. For zeolite 13X, industrial-scale simulations yielded capture costs of approximately 50 CHF t-1 CO2 under dry flue-gas conditions with full waste-heat integration. When humid flue gas and pre-drying requirements were considered, capture costs increased moderately to approximately 60 CHF t-1 CO2, while reduced waste-heat availability increased costs further to around 70–75 CHF t-1 CO2, indicating competitiveness with state-of-the-art solvent-based capture technologies. In parallel, aminefunctionalized composite adsorbents based on KIT-6 silica and MIL-101(Cr) metal–organic frameworks were successfully developed and scaled, and their integration into optimized adsorption cycles demonstrated that high purity and recovery can be achieved with energy consumptions meeting DOErelevant targets. Life-cycle assessment revealed that, while adsorption-based capture offers favorable operational environmental performance, adsorbent synthesis, particularly solvent-intensive processing steps for MOF-based systems, dominates the overall environmental footprint. However, solvent recovery and alternative drying strategies can reduce the carbon footprint by up to approximately 80 percent, highlighting clear pathways toward environmentally competitive material production. The influence of flue-gas humidity was explicitly examined, showing that pre-drying introduces a moderate but manageable cost penalty without undermining the overall viability of adsorption-based capture. Overall, the results indicate that adsorption-based CO2 capture, and temperature–vacuum swing adsorption in particular, can reach a level of technical, energetic, environmental, and economic maturity that supports progression toward integrated demonstration and large-scale deployment. The immediate priorities for progression are tonne-scale production of advanced adsorbents in collaboration with industrial manufacturers and integrated demonstration at a Swiss municipal solid waste incineration facility, where favourable flue gas composition and available waste heat provide the most competitive conditions. Most importantly, confirmation of long-term sorbent durability under realistic flue gas conditions - including humidity, SO?, and NO? - remains the key outstanding technical challenge to be addressed before large-scale deployment. Beyond incineration, the modular nature of the technology supports adaptation to other hard-to-abate sectors including cement, steel, and the chemical industry, directly contributing to Switzerland's target of capturing 12 million tonnes of CO2 per year by 2050. The detailed steps, milestones, and industrial partnerships required to bring the technology from its current development stage to market readiness are outlined in the Technology Roadmap (Section 6.3).
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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Au cours des dernières décennies, l'augmentation des émissions de CO2 est devenue un enjeu sociétal majeur en raison des effets néfastes sur l'environnement de la concentration croissante des gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Cela a stimulé le développement de technologies à grande échelle pour le captage du CO2. Les systèmes de captage les plus avancés sur le plan technologique à ce jour sont les laveurs liquides à base d'amines. Malgré leur efficacité avérée, le captage du CO2 à l’aide d’alcanolamines liquides est toutefois associé à une consommation d’énergie très élevée et nécessite généralement ≥ 4 MJ par kilogramme de CO2 capté pour la régénération.1,2 Cette forte charge énergétique a limité leur déploiement à grande échelle et favorisé un intérêt croissant pour des concepts de captage alternatifs. Dans ce contexte, les adsorbants solides se sont imposés comme des candidats prometteurs, car ils présentent des capacités thermiques plus faibles et ont le potentiel de réduire considérablement les besoins énergétiques liés à la régénération. L’objectif de ce projet était de démontrer le captage du CO2 par adsorption sur des adsorbants solides à l’échelle du kilogramme et d’identifier la combinaison optimale entre adsorbant et configuration du procédé afin de minimiser les besoins énergétiques et les coûts de captage, sans pour autant compromettre les performances de séparation. L’hypothèse émise était qu’un choix approprié des matériaux et une optimisation du procédé permettraient de réduire la consommation d’énergie à moins de 1 MJ kg?¹ de CO2, tout en maintenant des productivités de CO2 supérieures à 200 kg CO2 m?³ h?¹. Cela permettrait de réduire de manière significative tant les coûts fixes que les coûts variables des installations de captage du CO2. Pour atteindre cet objectif, une approche intégrée combinant la modélisation dynamique des procédés, la validation à l’échelle pilote, l’analyse technico-économique et l’analyse du cycle de vie a été développée et mise en œuvre au cours du projet. Une multitude d’adsorbants solides, parmi lesquels des zéolithes, des silices et des composés organométalliques (MOF), avec ou sans fonctionnalisation par des amines, ont été développés, mis à l’échelle et évalués. Parallèlement, une installation pilote dédiée a été conçue et mise en service ; celle-ci fonctionne avec des compositions de gaz et des températures représentatives des flux de gaz résiduaires industriels. Cela a permis une évaluation systématique des indicateurs de performance clés tels que la pureté du CO2, le taux de récupération, la productivité et la consommation d’énergie. Des modèles de procédé dynamiques ont été développés et validés à l’aide de données expérimentales de percée, ce qui a permis une extrapolation fiable à des scénarios industriels. Parmi les configurations de procédé étudiées, l’adsorption alternée température-vide (Temperature–Vacuum Swing Adsorption) s’est systématiquement révélée être la variante la plus avantageuse, atteignant des puretés de CO2 supérieures à 95 % ainsi que des taux de récupération d’environ 90 % ou plus à des échelles pertinentes sur le plan industriel. Pour la zéolite 13X, des simulations à l’échelle industrielle, dans des conditions de gaz de combustion secs et avec une récupération totale de la chaleur résiduelle, ont abouti à des coûts de captage d’environ 50 CHF par tonne de CO2. En tenant compte de gaz de combustion humides et des exigences de préséchage, les coûts de captage ont augmenté modérément pour atteindre environ 60 CHF par tonne de CO2, tandis qu’une disponibilité moindre de la chaleur résiduelle a encore fait grimper les coûts à environ 70–75 CHF par tonne de CO2, ce qui indique une compétitivité par rapport aux technologies de captage à base de solvants les plus modernes. Parallèlement, des adsorbants composites fonctionnalisés par des groupes amines, à base de silice KIT-6 et du composé organométallique MIL-101(Cr), ont été développés et mis à l’échelle avec succès. Leur intégration dans des cycles d’adsorption optimisés a montré qu’il était possible d’atteindre des degrés élevés de pureté du CO2 et de taux de récupération avec des consommations d’énergie conformes aux objectifs fixés par le DOE. L’analyse du cycle de vie a révélé que, si le captage du CO2 par adsorption présente des caractéristiques écologiques favorables en phase d’exploitation, la fabrication des adsorbants – en particulier les étapes de procédé à forte consommation de solvants dans les systèmes à base de MOF – constitue toutefois le facteur dominant du bilan environnemental global. La mise en œuvre d’une récupération des solvants et de stratégies de séchage alternatives a toutefois permis de réduire l’empreinte carbone de près de 80 %, ce qui ouvre clairement la voie à une production de matériaux compétitive sur le plan environnemental. L’influence de l’humidité dans les gaz d’échappement a été étudiée de manière approfondie. Il est apparu qu’un séchage en amont entraîne certes une augmentation modérée mais maîtrisable des coûts, sans pour autant compromettre la viabilité économique et technique fondamentale du captage du CO2 par adsorption. Dans l’ensemble, les résultats démontrent que le captage du CO2 par adsorption – en particulier l’adsorption alternée sous vide et à température variable – a atteint un niveau de maturité sur les plans technique, énergétique, environnemental et économique qui justifie le passage à des installations de démonstration intégrées et à une mise en œuvre à grande échelle. Les priorités immédiates pour la poursuite des progrès sont la production d’adsorbants de nouvelle génération à l’échelle de la tonne, en collaboration avec des fabricants industriels, ainsi qu’une démonstration intégrée dans une usine suisse d’incinération des déchets, où la composition favorable des gaz de combustion et la chaleur résiduelle disponible offrent les conditions les plus compétitives. Mais surtout, la démonstration de la stabilité à long terme des sorbants dans des conditions réalistes de gaz de combustion – notamment en présence d’humidité, de SO? et de NO? – reste le principal défi technique à relever avant une mise en œuvre à grande échelle. Au-delà de l’incinération des déchets, la conception modulaire de cette technologie permet de l’adapter à d’autres secteurs où la réduction des émissions est particulièrement difficile, notamment l’industrie du ciment, de l’acier et de la chimie, et contribue ainsi directement à l’objectif de la Suisse de capter 12 millions de tonnes de CO2 par an d’ici 2050. Les étapes détaillées, les jalons et les partenariats industriels nécessaires pour faire passer la technologie de son stade actuel de développement à la maturité commerciale sont présentés dans la feuille de route technologique (section 6.3).
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