Physik | Technik
Denis Etienne Spring, 2003 | Frauenfeld, TG
Durch die Emission von Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre wird der Treibhauseffekt verstärkt und die Erde erwärmt sich. Neben der Reduzierung des CO2-Ausstosses kann das Treibhausgas auch aktiv aus der Atmosphäre entfernt werden. Dieses Verfahren nennt sich Direct Air Capture (DAC). Dabei wird Luft mit einem Ventilator durch einen speziellen Filter bewegt, welcher das CO2 abscheidet. In dieser Arbeit wird die Relevanz von DAC erklärt, Messungen mit einer selbst entwickelten DAC-Anlage durchgeführt und diese optimiert. Daraus resultiert eine Abscheiderate von bis zu 3.2 Gramm CO2 in einer Stunde. Der Energieverbrauch beträgt dabei 6’000 Joule pro abgeschiedenem Gramm CO2.
Fragestellung
Meine Arbeit liefert Antworten auf die folgenden drei Teilfragen. (I) Hat DAC im Kampf gegen den Klimawandel eine Daseinsberechtigung? (II) Kann mit meiner DAC-Anlage nachweislich CO2 abgeschieden werden? (III) Wie kann die Effizienz einer Versuchs-Anlage optimiert werden?
Methodik
Zuerst werden Informationen aus Büchern und dem Internet recherchiert und verarbeitet. Das Interview mit einem technischen Spezialisten einer DAC-Firma gibt Antworten auf spezifische Fragen. Für die Konstruktion der Apparatur wird das CAD-Programm «Autodesk Fusion 360» verwendet. Die Bauteile sind mit einem 3D-Drucker (Prusa i3 MK3S+) gefertigt worden. Die DAC-Maschine wird über einen «Arduino» Mikrokontroller gesteuert, über welchen auch die Messung vorgenommen und in einem spezifischen Programm verarbeitet und dargestellt wird, wobei über diesen auch die Messung abläuft, was alles zusammen in einem Programm abgewickelt wird.
Ergebnisse
Mit der selbstgebauten DAC-Anlage konnte die Kohlendioxid-Abscheidung nachgewiesen und die CO2-Abscheiderate durch Verbesserungen der Anlage stetig gesteigert werden. Das effizienteste Setup scheidet innerhalb einer Stunde zwischen 2.5 und 3.2 Gramm CO2 ab, bei einem Energieverbrauch von 5’000 bis 6’000 Joule pro abgeschiedenem Gramm (ohne Regeneration des Filters).
Diskussion
Im Vergleich zu einer industriellen Anlage von Climeworks konnte der Energieverbrauch meiner DAC-Anlage pro Gramm abgeschiedenes CO2 vom 14-fachen auf das Dreifache gesenkt werden. Dies ist das Resultat der Optimierungen (Umpositionierung des Ventilators in den Aspirations-Modus, sowie Anpassung der Fliessgeschwindigkeit). Daraus lässt sich folgern, dass die konstruierte Anlage sowie die verwendeten Methoden passend sind. In einem weiterführenden Schritt könnte auch die Regeneration des Filters in der Energiebilanz miteinbezogen werden.
Schlussfolgerungen
Mit der theoretischen Auseinandersetzung des Themas bin ich zum Schluss gekommen, dass einerseits DAC eine erfolgversprechende Technologie ist, um den CO2-Gehalt der Atmosphäre zu senken und aktiv den Klimawandel zu bremsen. Die weitere Erforschung dieser Technologie und die Verbreitung der Anlagen sind jedoch notwendig, um mit DAC einen signifikanten Beitrag gegen den Klimawandel leisten zu können. Weiter konnte ich die Effizienz meiner selbst gebauten DAC-Anlage optimieren, wodurch die Abscheiderate erhöht sowie der Energieverbrauch gesenkt wurden. Mit dem Eigenbau einer DAC-Anlage kann ich messbare Mengen Kohlendioxid aus der Atmosphäre entfernen. Die Arbeit bietet einen wertvollen Einblick in die Materie und trägt zur Forschung an der Technologie bei, welche zukünftig zur Lösung des Klimaproblems beitragen kann.
Würdigung durch den Experten
Prof. Dr. Daniel Matthias Meier
Mit der Konzeption, dem Bau und der Anwendung eines Prototyps zur Abscheidung von CO2 aus der Atmosphäre legte Denis Spring eine Arbeit von hoher Brisanz und Aktualität vor. Der Prototyp wurde in einer Parameterstudie zur effizienten CO2-Abscheidung erfolgreich optimiert. Dabei hat er verschiedene Disziplinen und Technologien wie 3D-Druck, Elektrotechnik, Physik und Chemie eindrucksvoll kombiniert. Ebenfalls wurden die Grenzen seines Prototyps selbstkritisch diskutiert. Die Arbeit zeugt von Herr Springs vielseitigen Kompetenzen, sowie seiner hohen Motivation komplexe Probleme konkret zu lösen.
Prädikat:
sehr gut
Sonderpreis Gebauer Stiftung – Regeneron International Science and Engineering Fair (ISEF)
Kantonsschule Frauenfeld
Lehrer: Dr. Sebastian Pilgram