Fragen und Antworten: Kohlenstoffreise

Jan 10, 2024

Forscher des Penn State Department of Mechanical Engineering erhielten vom Navy Decarbonization Research Consortium einen Zuschuss in Höhe von 2 Millionen US-Dollar, um die Kohlenstoffabscheidung an Bord und die Nutzung alternativer Kraftstoffe zu untersuchen. Das Projekt wird in einem Q&A mit Associate Professor Brian Fronk zusammengefasst. Bildnachweis: Kate Myers/Penn State. Alle Rechte vorbehalten.

9. August 2023

Von Sarah Small

UNIVERSITY PARK, Pennsylvania – Das Navy Decarbonization Research Consortium ist eine öffentlich-private Zusammenarbeit, die darauf abzielt, die interdisziplinäre Forschung voranzutreiben, um der US-Marine bei der Bewältigung der komplexen Herausforderungen der Dekarbonisierung von Plattformen zu helfen, wobei der Schwerpunkt auf Schiffen und Flugzeugen liegt, heißt es auf der Website des Konsortiums. Im Rahmen dieser Initiative haben der außerordentliche Professor für Maschinenbau an der Penn State University, Brian Fronk, und die Professorin für Maschinenbau, Jacqueline O'Connor, vom Office of Naval Research ein dreijähriges Stipendium in Höhe von 2 Millionen US-Dollar für die Entwicklung eines Systems zur CO2-Abscheidung an Bord von Schiffen erhalten Verwendung mit Marinegasturbinen. Der Penn State Distinguished Professor of Mechanical Engineering Adri van Duin wird ebenfalls bei der Forschung behilflich sein.

Nachfolgend finden Sie eine Frage-und-Antwort-Runde mit Fronk, in der die geplante Forschung detailliert beschrieben wird.

F: Was ist CO2-Abscheidung und was sind „E-Fuels“?

Fronk: Bei der Kohlenstoffabscheidung wird Kohlendioxid entweder direkt aus der Atmosphäre oder aus den Abgasen von Geräten wie Gasturbinen entfernt, die kohlenstoffhaltige Brennstoffe verbrennen. Der abgeschiedene Kohlenstoff kann dann abgetrennt werden, um zu verhindern, dass er in die Atmosphäre gelangt, oder recycelt werden, um neue kohlenstoffhaltige Kraftstoffe herzustellen, die in bestehenden Schiffen und Motoren verwendet werden können.

Kohlenwasserstoffkraftstoffe, die mit Strom aus erneuerbaren oder nuklearen Quellen hergestellt werden, gelten als „E-Fuels“. Es handelt sich im Wesentlichen um synthetische Versionen der uns bekannten flüssigen fossilen Brennstoffe. Diese alternativen Kraftstoffe haben eine hohe Energiedichte – je höher die Dichte, desto mehr Energie kann bei gleichem Volumen gespeichert und transportiert werden – und haben dennoch geringe Netto-Kohlenstoffemissionen und können theoretisch überall hergestellt werden.

F: Wie trifft das auf die US-Marine zu?

Fronk: Bei Schiffsanwendungen kann der Wasserstoff-Ausgangsstoff für diesen Kraftstoff durch Elektrolyse aus Meerwasser gewonnen werden, während der Kohlendioxid-Ausgangsstoff über ein Bordsystem aus der Atmosphäre, den Abgasen oder auch aus Meerwasser gewonnen werden könnte. Somit unterstützt es die Dekarbonisierungsmission der Marine und bietet gleichzeitig einen Weg zur verteilten Produktion und Nutzung alternativer Kraftstoffe, was einen logistischen Vorteil bietet.

Es ist wichtig zu beachten, dass die CO2-Abscheidung mit einem Energieaufwand verbunden ist, was bedeutet, dass Energie zum Betreiben der Geräte verwendet wird, was je nach Energiequelle möglicherweise zu Emissionen führt. Allerdings ist die Strafe geringer, wenn mehr Kohlenstoff abgeschieden werden muss. Schiffe verwenden typischerweise Gasturbinentriebwerke für Strom und Antrieb, und es ist weniger energieintensiv, Kohlenstoff aus den Abgasen von Gasturbinen zu binden, wo Kohlendioxid etwa 5 bis 15 % der Abgase ausmacht, als direkt aus der Atmosphäre, wo Kohlendioxid vorhanden ist macht typischerweise etwa 0,05 % aus.

F: Wie wollen Sie den Kohlenstoff aus Turbinenabgasen einfangen?

Fronk: Die ausgereiftesten Kohlenstoffabscheidungssysteme für landgestützte Anwendungen verwenden chemische Lösungen, um Kohlendioxid aus der Atmosphäre oder dem Abgas zu absorbieren. Der Einsatz einer chemischen Kohlenstoffabscheidung auf Schiffen ist jedoch aus Gesundheits- und Sicherheitsgründen nicht ideal. In diesem Projekt werden wir das Kohlendioxid durch Komprimieren, Kühlen und Expandieren des Abgases abtrennen, um direkt aus dem Abgasstrom gefrorenes Kohlendioxid – Trockeneis – zu erzeugen. Dieses System kann kompakt gebaut, relativ einfach zu bedienen und in bestehende und zukünftige Marineschiffe integriert werden.

Um eine effizientere Abscheidung zu fördern, werden wir auch den Einsatz der Abgasrückführung (AGR) untersuchen, bei der ein Prozentsatz des Abgases zum Einlass zurückgeführt wird, um die Kohlendioxidkonzentration zu erhöhen. Diese Technologie wird bereits seit einiger Zeit in Nutzfahrzeugmotoren und Pkw-Motoren eingesetzt, wurde jedoch bei Gasturbinen noch nicht flächendeckend eingesetzt, obwohl großes Interesse besteht.

F: Was sind die Ziele des Projekts? Irgendwelche breiteren Anwendungen?

Fronk: Wir freuen uns über unseren integrierten Ansatz, die komplexen Probleme der Nutzung alternativer Kraftstoffe, der Abgasrückführung und der Kohlenstoffabscheidung gemeinsam zu betrachten. Dies wurde in der offenen Literatur nicht umfassend berücksichtigt. Erkenntnisse aus dieser Arbeit können auch auf die kommerzielle maritime und landbasierte Energiesystemindustrie angewendet werden, die auf die Dekarbonisierung hinarbeitet.

Neben der Entwicklung eines für den Schiffsbetrieb konzipierten Abgas-Kohlenstoffabscheidungssystems wird das Team Verbrennungsexperimente im Labormaßstab mit aktuellen und potenziellen zukünftigen Kraftstoffen – mit und ohne AGR – durchführen, um zu verstehen, wie sich die Leistung von Gasturbinen ändern kann. Außerdem werden Simulationen durchgeführt, um das thermodynamische Verhalten von Abgas bei den sehr niedrigen Temperaturen zu verstehen, bei denen Kohlendioxid fest wird.

Unser Projekt wird auch eine Komponente zur Personalentwicklung enthalten. Jeden Sommer laden wir möglicherweise mehrere Kadetten der US Naval Academy ein, um an der Penn State zu forschen und sie in der Technologie zu schulen, die sie in der zukünftigen Flotte sehen könnten.

College of Engineering Media Relations

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