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Climeworks nutzt CFD-Simulation mit CADFEM zur umfassenden CO2-Abscheidung

Der Weg von Climeworks zum Ausbau der direkten Lufterfassung zur Eindämmung des Klimawandels

Climeworks ist nicht nur ein technisches Abenteuer im Kampf gegen den Klimawandel, sondern auch ein menschliches, das Nathalie Casas, Head of Technology bei Climeworks mit den Gründern Christoph Gebald und Jan Wurzbacher sowie Markus Dutly, CEO der CADFEM (Suisse) AG, verbindet. Climeworks unterhält seit Gründung eine besondere Beziehung zu CADFEM.

Climeworks' Mission: Lösungen um CO2 dauerhaft aus der Luft zu entfernen

Wenn es um die Eindämmung des Klimawandels geht, sind sich heute alle einig, dass zur Bewältigung dieser Herausforderung verschiedene Lösungen notwendig sind.

Zunächst müssen wir die Kohlendioxidemissionen aus fossilen Energieträgern reduzieren, die unter anderem im Verkehr, beim Heizen und bei der Stromerzeugung entstehen. Wir müssen dringend in erneuerbare Energien investieren, auf Elektrofahrzeuge umsteigen und die Heizungseffizienz erhöhen. Um das 1,5-Grad-Ziel zu erreichen, wird zur Umkehr des Klimawandels eine drastische Reduzierung der Emissionen allein jedoch nicht ausreichen. Der jüngste IPCC-Bericht, der am 4. April 2022 veröffentlicht wurde, hat erneut bestätigt, dass wir aktiv Milliarden von Tonnen CO2 direkt aus der Atmosphäre entfernen müssen. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, Bäume zu pflanzen und die Abholzung zu stoppen. Aber es dauert, bis Bäume wachsen, und Wälder können durch Waldbrände zerstört werden, wie wir in Australien oder im Amazonasgebiet sehen, wodurch das absorbierte CO2 freigesetzt wird. 

Seit seiner Gründung im Jahr 2009 hat Climeworks seine Direct Air Capture (DAC)-Technologie entwickelt, um CO2 direkt aus der Umgebungsluft zu entfernen. Was DAC zu einem einzigartigen Ansatz macht, ist die Tatsache, dass es sich um einen der effektivsten Ansätze zur Kohlenstoffentfernung handelt, da er:

  1. in Kombination mit geologischer Speicherung eine dauerhafte Entfernung bietet
  2. vollständig messbar und somit transparent ist und
  3. eine der am besten skalierbaren Lösungen zur Kohlenstoffentfernung darstellt: Der Einsatz ist modular und flexibel, er erfordert relativ wenig Land und steht daher nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittel- und Wassersicherheit.


In den letzten Jahren wurde die Effizienz der DAC-Technologie von Climeworks durch hochqualifizierte Ingenieure wie Nathalie Casas (Head of Technology) gesteigert. Sie nutzt die Vorteile von Simulationswerkzeugen und die Unterstützung der CADFEM (Suisse) AG, um die Markteinführungszeit zu verkürzen.

Über Climeworks

Climeworks mit Sitz in Oerlikon, Stadt Zürich, ist das erste Unternehmen, das DAC mit der unterirdischen Mineralisierung von CO2 zur dauerhaften und sicheren Entfernung von Kohlendioxid kombiniert. Das Unternehmen betreibt die meisten Anlagen zur direkten Abscheidung von Kohlendioxid in ganz Europa und hat bewiesen, dass seine Technologie unter den verschiedensten klimatischen Bedingungen effizient ist, wobei es mehrere zehntausend Betriebsstunden gesammelt hat. Derzeit betreibt es die weltweit größte Anlage zur direkten Abscheidung und Speicherung von Kohlendioxid (DAC+S) “Orca” in Island. Außerdem bietet es die hochwertigste Kohlendioxidabscheidung, die derzeit auf dem Markt erhältlich ist (es ist das einzige Unternehmen mit einer 5-Sterne-Bewertung in der CarbonPlan’s database).

Die Mission von Climeworks ist es, die Menschheit zu befähigen, Kohlendioxid aus der Luft zu entfernen. Meine Aufgabe ist es, diese Technologie verfügbar und effizient zu machen."

Nathalie Casas, Head of Technology

Wie funktioniert die DAC-Technologie von Climeworks und wie entfernt sie CO2 aus der Luft?

Kohlendioxid ist das Treibhausgas, das am stärksten zum Klimawandel beigetragen hat und über Tausende von Jahren in der Atmosphäre verbleibt. Mit seiner Technologie zur direkten Abscheidung aus der Luft entfernt Climeworks historische und restliche CO₂-Emissionen aus der Luft, die dann sicher und dauerhaft unterirdisch gespeichert werden können. Mit dieser Methode trägt das entfernte CO2 nicht mehr zur globalen Erwärmung bei.

DAC ist eine der besten Möglichkeiten, überschüssige Mengen an CO₂ aus der Erdatmosphäre zu entfernen. Die CO₂-Kollektoren von Climeworks fangen Kohlendioxid in einem zweistufigen Verfahren ab:

  1. Zunächst wird mit einem Ventilator Luft in den Kollektor gesaugt. Das Kohlendioxid wird an der Oberfläche eines hochselektiven Filtermaterials aufgefangen, das sich im Inneren der Kollektoren befindet ("Adsorption").
  2. Nachdem das Filtermaterial mit Kohlendioxid gefüllt ist, wird der Kollektor geschlossen. Das Filtermaterial wird dann auf etwa 100 °C erhitzt - dadurch wird das Kohlendioxid freigesetzt ("Desorption"), das in hoher Reinheit und Konzentration gesammelt werden kann. 

 
Was macht Climeworks einzigartig im Vergleich zu anderen DAC-Unternehmen? Climeworks verwendet ausschließlich erneuerbare Energien oder Energie aus Abfällen für den Betrieb seiner Anlagen, und das aus der Luft abgeschiedene CO2 wird niemals zur Gewinnung fossiler Brennstoffe verwendet. Außerdem verkaufen sie ausschließlich den Netto-Kohlenstoffabbau ihrer Anlagen, d. h. sie kompensieren die (sehr geringen) grauen Emissionen von 10 %, die durch ihre Anlagen verursacht werden.

Mehrere Lebenszyklusanalysen (LCA) wurden mit unabhängigen Partnern durchgeführt (z. B. diese Studie der RWTH Aachen), die bestätigen, dass eine typische Climeworks-Anlage über ihre gesamte Lebensdauer (einschließlich Bau, Betrieb und Recycling) weniger als 10 % des Kohlendioxids wieder ausstößt, das sie durch die Verwendung von kohlenstoffarmem Strom einfängt. Das bedeutet, dass von 100 Tonnen abgeschiedenem CO2 nur 10 Tonnen wieder emittiert werden. 

Orca ist die neueste Anlage von Climeworks und die weltweit erste großtechnische DAC+S-Anlage im kommerziellen Betrieb. Orca hebt die Kohlendioxidabscheidung auf die nächste Stufe: Sie kombiniert die Technologie der direkten Luftabscheidung von Climeworks mit der unterirdischen Speicherung von Kohlendioxid, die von dem isländischen Unternehmen Carbfix durchgeführt wird. Mit einer nominellen Abscheidekapazität von 4.000 Tonnen Kohlendioxid pro Jahr ist es die bisher größte Anlage von Climeworks. Orca befindet sich in der Nähe des geothermischen Kraftwerks Hellisheiði in Island, das Orca und die CO2-Injektionsstellen von Carbfix mit erneuerbarer Energie für den Betrieb des DAC+S-Prozesses versorgt. Durch die natürliche Mineralisierung reagiert das Kohlendioxid mit dem Basaltgestein und verwandelt sich innerhalb weniger Jahre in Stein und wird so für Tausende von Jahren dauerhaft der Atmosphäre entzogen. 

Die Herausforderung bei der Entwicklung effektiver DAC-Anlagen

Eine Herausforderung für jede DAC-Technologie ist das große Luftvolumen, das durch die DAC-Kollektoren strömen muss. Dies bedeutet, dass der Druckabfall der Filterstruktur ein Schlüsselfaktor für ein effizientes System ist.

Eine weitere Herausforderung für jede DAC-Technologie ist die Tatsache, dass es sich bei dem Zufuhrstrom um Umgebungsluft handelt, deren Temperatur und Feuchtigkeit rund um den Globus stark schwankt. Daher muss geprüft werden, ob die Technologie für die örtlichen Bedingungen geeignet ist.   

Eine große Herausforderung für Climeworks auf dem Weg zum Scale-up ist die Schaffung der Logistik- und Lieferkette, die für den Bau einer Anlage wie Orca erforderlich ist. Die DAC-Branche befindet sich in einer ähnlichen Situation wie die Windenergie vor etwa zwanzig Jahren. In Island zum Beispiel hat Climeworks drei Kilometer Pipeline für das CO2 gebaut, die sie betreiben und besitzen.  

Ein weiteres Beispiel ist ihr Anlagensteuerungssystem, das zum Teil auf standardisierten Komponenten basiert, aber auch einige spezielle Teile enthält, die noch nicht als Standardkomponenten erhältlich sind. Um größere Anlagen zu realisieren, müssen DAC-Player wie Climeworks eine entsprechende Zulieferindustrie aufbauen. Eine weitere Orca-spezifische Herausforderung war das Industriedesign der Anlage. Aufgrund des Standorts in Island musste Climeworks sicherstellen, dass sich die Anlage nahtlos in die schöne isländische Landschaft einfügt, einschließlich der Optimierung des Platzes.  

CFD- und Struktursimulationen unterstützen Climeworks bei der Verwirklichung seiner Vision

Climeworks optimiert seine Technologie kontinuierlich, um den Abscheidungsprozess noch effizienter zu gestalten. Im Falle der CO2-Adsorption sind ein paar Prozent sehr viel. Climeworks arbeitet an der Optimierung des Druckabfalls, der Erhöhung der Durchsatzgeschwindigkeit und der Lebensdauer der DAC-Anlagen sowie an der Verringerung des Gewichts der Kollektoren, um eine robuste Technologie zur effektiven Abscheidung von CO2 an jedem beliebigen Ort der Welt anbieten zu können.  

Die numerische Strömungsmechanik (CFD) spielte bei der Entwicklung und Optimierung von DAC eine wichtige Rolle. Ansys CFX/Fluent für die Luftströmungssimulation ermöglichte es Climeworks, den Druckverlust zu optimieren und die Wärmeübertragungsanwendungen im DAC-System zu steuern. Die Ingenieure von Climeworks konnten den Druckabfall analysieren und verbessern, um die Effizienz der Filtration zu gewährleisten.

Die Anlage im Originalmaßstab einschließlich ihrer Umgebung und externer Gebäude wurde mit den neuesten CFD-Methoden modelliert. Es wurde ein mehrphasiger Modellansatz implementiert, der den Unterschied in der CO2-Konzentration der gefilterten Luft und der anströmenden Umgebungsluft berücksichtigt. Darüber hinaus wurden vereinfachte Modelle mit der Strömungscharakteristik der Ventilatoren in Verbindung mit einem "Impulsquellen-Verlustmodell" angewandt, das die Druckverluste innerhalb der Filter wiedergibt. Diese umfassende Art der Modellierung ermöglicht ein besseres Verständnis des gesamten Strömungsverhaltens um die Anlage im großen Maßstab und des lokalen Verlustverhaltens, die beide für Leistungsvorhersagen und die Betriebscharakteristik entscheidend sind. Eine leistungsorientierte Optimierung kann durchgeführt werden, um eine Rückführung bereits gefilterter Luft innerhalb der Anlage oder einen durch Windeinflüsse oder die Anlagenauslegung bedingten reduzierten Volumenstrom an den Ventilatoren zu vermeiden. 

Climeworks wählte Ansys Workbench Mechanical für die Strukturanalyse, um die mechanische Stabilität der Anlage in der tatsächlichen Umgebung (Ermüdung, Wind) zu bewerten und den Material- und Platzbedarf für die gesamte Anlage zu reduzieren. Zusätzliche Analysen wurden mit den​​​​​​​ CADFEM’s specific tools inside Ansys, z. B. Knick- oder FKM-Nachweise. Schließlich konnte die gesamte Anlage in ihrer Umgebung mit Ansys getestet werden, um die Lebenszyklusdauer der Anlage zu verbessern.

Nathalie Casas (Head of Technology bei Climeworks) bestätigt, dass Simulationen im Rahmen der Produktentwicklung eine schnelle Bewertung von Konzepten ermöglichen und somit die gesamte Konzeptphase beschleunigen und unterstützen. Sie ermöglichen auch Einblicke in Details, die mit anderen Methoden nur sehr schwer zu gewinnen sind. Die Designoptimierung kann wesentlich umfangreicher und detaillierter ausfallen, wenn die experimentellen Aktivitäten durch Simulationen erweitert werden. Dadurch erhöht sich die Chance, die Technologien und Prozesse weiter zu optimieren. So könnte beispielsweise das Filterdesign aerodynamisch optimiert werden, um die Energieeffizienz der Anwendung zu erhöhen. Die Simulation erlaubt Untersuchungen, die sonst nur schwer oder gar nicht realisiert werden können. Diese Informationen sind im Rahmen des Skalierungsprozesses solcher Anlagen sehr nützlich.

Schließlich wurden der Adsorptionsprozess von Orca, die Wärmeverteilung und die mechanische Festigkeit der Struktur im Vergleich zur ersten Generation der DAC-Technologie von Climeworks verbessert. Außerdem wird die heutige Strömungsverteilung auf der Grundlage der gesammelten realen Daten weiter verbessert, um das alte Modell zu validieren und zu verbessern. Dank der Simulation sind die Anlagen heute für eine modulare und schnelle Skalierung ausgelegt, was die Führungsposition von Climeworks mit jeder neu gebauten Anlage stärkt. 

Trotz eines hochprofessionellen Umfelds haben wir ein freundschaftliches Verhältnis zum CADFEM-Team. CADFEM hat uns geholfen, ein besseres Produkt zu entwickeln und dabei die besten und kostengünstigsten Lösungen einzusetzen. Bei CADFEM finden wir alle Dienstleistungen, die wir benötigen, wie
z. B. Schulungen, Beratung, IT, Softwareanpassung an unsere Bedürfnisse, erweiterten Support und Best Practices für die Nutzung der Software.

Nathalie Casas, Head of Technology

Die erfolgreiche Kombination aus Simulation und Fachkompetenz

Bei CADFEM wissen wir, dass Simulation mehr ist als Software. Die größte Herausforderung ist daher immer der Benutzer hinter der Software: der Erfolg hängt hauptsächlich vom Benutzer, seinen Fähigkeiten und seiner Ausbildung ab. CADFEM hilft den Unternehmen stets dabei, das Niveau der Anwender auf das Niveau zu heben, das erforderlich ist, um die Simulationswerkzeuge effizient einzusetzen. Markus Dutly (CEO der CADFEM (Suisse) AG) sagt: "Es ist ein grosser Fehler zu glauben, dass Softwarefunktionen Ihr Problem lösen werden. Die Simulation birgt Risiken, aber die Vorteile machen den Unterschied zwischen Durchschnitt und Exzellenz aus, wenn der Benutzer über die richtigen Fähigkeiten verfügt oder bereit ist, sie zu erlernen".

Climeworks wurde 2009 von Christoph Gebald und Jan Wurzbacher gegründet. Sie lernten sich am ersten Tag ihres Studiums an der ETH Zürich kennen und wurden schnell Freunde. Sie teilten ihre Leidenschaft für Outdoor-Sport in den Schweizer Alpen und wurden Zeugen der dramatischen Auswirkungen des Klimawandels. Schockiert vom Rückzug der Gletscher, beschlossen sie, ihr Ingenieurwissen zu nutzen, um eine Technologie zu entwickeln, die helfen kann, den Klimawandel zu bekämpfen: die direkte Lufterfassung. 

Gleichzeitig erzählt uns Markus Dutly, CEO der CADFEM (Suisse) AG, die ganze Geschichte über die Beziehung zwischen Climeworks und CADFEM. "Ich traf Christoph Gebald einige Jahre bevor er Climeworks gründete. Er war damals noch ein Gymnasiast. Damals hatte CADFEM einen Schülerwettbewerb zur Finite-Elemente-Methode (FEM) ausgeschrieben - und der Gewinner war Christoph Gebald. Der mit 500 € dotierte Preis wurde Christoph auf unserer Kundentagung in Deutschland überreicht. Ich hatte die Gelegenheit, ihm zu gratulieren. Christoph beschloss später, an der ETH Zürich zu studieren, und am ersten Tag seines Studiums lernte er Jan Wurzbacher kennen. Einige Jahre später hörte ich, dass sie Climeworks gegründet hatten, und ich lud Christoph zur Schweizer Kundenkonferenz ein. Beim Mittagessen erzählte er mir, dass der Hauptinvestor abgesprungen sei, und ich vereinbarte ein Treffen mit Christoph für später. Dort traf ich Jan zum ersten Mal. Sie erklärten mir das Prinzip der CO2-Adsorption, das sie während ihrer Masterarbeit entdeckt hatten. Trotz ihres jungen Alters war ich sehr beeindruckt von ihrer Professionalität und davon, wie überzeugend sie ihre Idee und das Gesamtbild vermittelt haben."  

Markus Dutly, CEO der CADFEM (Suisse) AG, sagt: "Die Gründer machen immer den größten Unterschied. Kluge Menschen mit einer Vision haben die Fähigkeit, große Energie freizusetzen und sie auf andere zu übertragen."

Nathalie Casas ist seit 2017 bei Climeworks als Head of Technology tätig. Sie sagt: "Als Ingenieure liefern wir die Technologie, um die Mission unseres Unternehmens zu erfüllen." In ihrem vorherigen Job hat sie an sehr großen Projekten gearbeitet. Jetzt arbeitet sie an kleineren Projekten, bei denen sie etwas bewirken kann: "Wir machen kleine Schritte in die richtige Richtung, anstatt nichts zu tun". Nathalie Casas hat einen Master in Chemie- und Bioingenieurwesen und einen Doktortitel in Maschinenbau der ETH Zürich. 

Mehr als nur ein Softwareanbieter für Climeworks: CADFEM und das Ansys-Startup-Programm

Das Ansys Startup Program ermöglicht innovativen Unternehmen einen kostengünstigen Zugang zu Simulationssoftware. Das Programm ist für Startups in der Anfangsphase mit begrenzten finanziellen Mitteln konzipiert und bietet vollen Zugang zu Simulationssoftware-Paketen.  Nathalie Casas erklärt, wie das Ansys Startup Program für Climeworks von Vorteil war: "Das Ansys Startup Program hat sehr gut funktioniert und war ein großer Vorteil für das Unternehmen, da es in den letzten Jahren die Etablierung der Simulation im gesamten Engineering- und Produktentwicklungsprozess ermöglicht hat. Dies bringt große Vorteile bei der Lösung von technologischen Herausforderungen, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Da man auf ein komplettes Paket zugreifen kann, gab uns dieses Programm die Möglichkeit, die Bandbreite der Ansys-Simulationssoftware gründlich kennen zu lernen. Und nach zwei Jahren haben wir nun ein gutes Verständnis dafür, welche Lösungen für uns am besten geeignet sind."

Das Ansys-Startup-Programm wurde entwickelt, um jungen Unternehmen die besten Werkzeuge für die Entwicklung ihrer Produkte mit geringen finanziellen Investitionen zur Verfügung zu stellen. Die förderfähigen Startups erhalten Zugang zu Ansys-Simulationswerkzeugen, mit deren Hilfe virtuelle Prototypen erstellt werden können, wodurch die Anzahl der erforderlichen physischen Prototypen reduziert wird, was Zeit und Geld spart. 

Markus Dutly (CEO der CADFEM (Suisse) AG) möchte eine aktive Rolle bei der Entwicklung neuer Unternehmen spielen, insbesondere solcher, die einen positiven Einfluss auf unsere Zukunft haben können. Deshalb sagt er: "Wir sind stolz darauf, dass viele Startups zu unseren Kunden gehören. Wir unterstützen alle unsere Kunden mit vollem Engagement und stellen ihnen unser Know-how in Sachen Simulation zur Verfügung. Wir machen bei unseren Dienstleistungen keinen Unterschied zwischen einem großen Unternehmen oder einem kleinen Startup. Wir haben auch in einige Startups in einer frühen Phase investiert, weil wir an ihre Vision glauben. Neben Software und finanzieller Unterstützung verlassen sie sich auch auf unsere Branchenerfahrung, unser fortschrittliches Simulationswissen und unsere bewährten Verfahren. Wir glauben, dass dies einen großen Unterschied macht. Und Startups sind die Zukunft des Landes, sie bieten spannende Arbeitsplätze, zukunftsfähige Geschäftsmodelle und innovative Produkte. Mit unserem Engagement für Startups tragen wir auch zur Stärkung der Wirtschaft bei."  

Nathalie Casas (Head of Technology bei Climeworks) sieht in CADFEM einen wichtigen Partner mit hochwertigen Dienstleistungen, die von Experten und aufgeschlossenen Menschen erbracht werden. Sie sagt: "Trotz eines hochprofessionellen Umfelds haben wir ein freundschaftliches Verhältnis zum CADFEM-Team. CADFEM hat uns geholfen, ein besseres Produkt zu entwickeln und dabei die besten und kostengünstigsten Lösungen einzusetzen. Bei CADFEM finden wir alle Dienstleistungen, die wir benötigen, wie z. B. Schulungen, Beratung, IT, Softwareanpassung an unsere Bedürfnisse, erweiterten Support und Best Practices für die Nutzung der Software."    

Wie geht es mit Climeworks weiter?

Climeworks verfolgt einen Fahrplan, um seine Technologie in den kommenden Jahren erheblich auszubauen. Im Zeitraum von 2022 bis 2030 soll die Kapazität alle 2-3 Jahre um das 5-10fache erhöht werden. Danach soll die Kapazität alle 10 Jahre um das 10-fache erhöht werden, was einer ähnlichen Rate wie bei der Photovoltaik entspricht, und damit die Weichen gestellt werden, um bis 2040 100 Megatonnen und bis 2050 eine Gigatonnen-Kapazität zu erreichen. Climeworks sieht eine so starke Marktnachfrage, dass der erste nächste Schritt darin bestehen wird, den Markt mit einem Skalierungsfaktor von etwa dem 10-fachen auf der Grundlage einer bekannten Technologie (Orca) zu versorgen, und sie arbeiten bereits an der nächsten Technologiestufe, die die globale Einführung unterstützen wird.  Die folgenden Schritte müssen wichtige technologische Innovationen einbeziehen, die sich bereits in der Entwicklung befinden.

Um ihre Vision zu erreichen, eine Milliarde Menschen dazu zu inspirieren, Kohlendioxid aus der Luft zu entfernen, muss Climeworks ein starkes Netzwerk verschiedener Interessengruppen vereinen, die die Branche der direkten Luftabscheidung gemeinsam vorantreiben und so zur Demokratisierung der Kohlendioxidabscheidung beitragen.  Zunächst muss eine Marktnachfrage nach Kohlendioxidabscheidung entstehen, um zu zeigen, dass es ein wachsendes Interesse an diesen Lösungen gibt. Pionierkunden, sowohl Einzelpersonen als auch Organisationen, ermöglichen dies. Zweitens ist die Unterstützung durch Investoren von entscheidender Bedeutung, um ihnen bei der Skalierung und Vorfinanzierung eines Teils ihrer Anlagen zu helfen. So können sie ihre Kapazitäten kontinuierlich ausbauen und ihre Technologie schneller optimieren. Drittens benötigen sie einen politischen Rahmen, der Sicherheit für solche Investitionen bietet und die wahren Kosten der CO2-Emissionen widerspiegelt. Viertens muss eine strukturierte Lieferkette entwickelt werden, um sicherzustellen, dass sie problemlos in die Massenproduktion einsteigen können.

Im Rahmen eines umfassenden Technologie- und Produktentwicklungsprozesses kann simulationsgestütztes Engineering wesentlich dazu beitragen, Lösungen für neue Herausforderungen zu finden.

03:25 minClimeworks

Climeworks AG
www.climeworks.com

Autor: Christophe Ozier-Lafontaine (CADFEM GmbH)
Bilder: © Climeworks, CADFEM
Veröffentlicht: August 2022

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