Eine neue Studie der EPFL untersucht die skalierbaren Anwendungsmöglichkeiten eines neuartigen Membranmaterials namens „Pyridin-Graphen“ für die industrielle CO₂-Abscheidung. Die Studie kombiniert experimentelle Leistungsdaten mit Simulationen unter industriellen Betriebsbedingungen und zeigt, dass diese Membrantechnologie vielversprechend ist, um eine kompaktere und kostengünstigere Lösung für die CO₂-Abscheidung in emissionsintensiven Branchen wie der Erdgas-, Kohle- und Zementindustrie zu bieten.

Die CO₂-Abscheidungstechnologie ist für Industrien, die weiterhin auf fossile Brennstoffe angewiesen sind, von entscheidender Bedeutung. Die derzeit weit verbreiteten Lösungsmittelabsorptionssysteme sind typischerweise energieintensiv, erfordern eine große Infrastruktur und verursachen hohe Betriebskosten. Membrantrennsysteme, als kleinere, elektrisch betriebene Alternative, funktionieren ähnlich wie Präzisionsfilter und trennen CO₂ selektiv durch Permeation aus Rauchgasen ab. Viele bestehende Membranmaterialien verlieren jedoch an Effizienz bei der Verarbeitung von Rauchgasen mit niedrigen CO₂-Konzentrationen.

Ein Forschungsteam der EPFL unter der Leitung von Marina Micarri und Professor Kumar Varen Agrawal (Gaznath-Lehrstuhl) analysierte die Leistungsfähigkeit von Pyridin-Graphen-Membranen. Dieses Material besteht aus einer einlagigen Graphenschicht mit speziell funktionalisierten Poren und weist eine hohe Adsorptionskapazität für Kohlendioxid auf. Die Studie simulierte den Energieverbrauch und die Gasdurchflussraten im realen Betrieb mithilfe von Modellierungswerkzeugen und untersuchte verschiedene Kostenszenarien. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift *Nature Sustainability* veröffentlicht. Professor Agrawal erklärte: „Mit der Skalierung unserer Technologie ist es entscheidend zu verstehen, welche Auswirkungen die Reduzierung des Energieverbrauchs und der Kosten bei der CO₂-Abscheidung in verschiedenen Sektoren hat. Diese Arbeit befasst sich genau mit diesem Thema.“ Die Modellanalyse zeigte die Anwendbarkeit dieses Membranmaterials in verschiedenen industriellen Szenarien. Für Erdgaskraftwerke, die ein System mit dreistufiger Voranreicherung von Kohlendioxid nutzen, werden die Abscheidungskosten auf etwa 80 bis 100 US-Dollar pro Tonne geschätzt. Unter optimalen Bedingungen könnten sie potenziell auf 60 bis 80 US-Dollar pro Tonne sinken. Für Kohlekraftwerke mit hohen Kohlendioxidkonzentrationen trägt die hohe Selektivität der Membran für Kohlendioxid/Stickstoff zur Reduzierung des Energieverbrauchs bei. Die geschätzten Kosten liegen zwischen 25 und 50 US-Dollar pro Tonne. In Zementwerksabgasen, wo der Sauerstoffgehalt hoch und die selektive Abscheidung schwieriger ist, bleiben die Kosten in einem ähnlichen Bereich, und die Leistung ist in den getesteten Szenarien stabil. Die Studie zeigt, dass die hohe Permeabilität der Membran die benötigte Oberfläche reduziert und somit zu einem kleineren Platzbedarf des gesamten Abscheidungssystems beiträgt. Diese Studie belegt, dass Pyridin-Graphen-Membranen nach der Skalierung für die Anwendung vielversprechend als potenzielle Alternative zu bestehenden lösungsmittelbasierten CO₂-Abscheidungstechnologien sind. Die Forschung identifiziert zudem Verbesserungspotenziale, beispielsweise die Optimierung der Unterscheidung zwischen Kohlendioxid und Sauerstoff in Zementwerksabgasen.

Weitere Informationen: Marina Micari et al., „Efficient Capture of Carbon Dioxide from Sparse Emissions Using Pyridine-Graphene Membranes“, *Nature Sustainability* (2025). Zeitschrifteninformationen: *Nature Sustainability*