Definition des Technologiefeldes

Für die Abtrennung von Kohlendioxid aus Gasgemischen bietet sich eine Vielzahl von Verfahren an. Im Hinblick auf einen Kraftwerkseinsatz werden weltweit drei Techniklinien favorisiert, die in den nachfolgenden Ausführungen im Fokus stehen.

Post-Combustion Verfahren: Die CO2-Abtrennung erfolgt nach dem eigentlichen Verbrennungsprozess inklusive der nachgeschalteten Rauchgasreinigungssysteme. Die aus heutiger Sicht aussichtsreichsten Verfahren sind die chemischen Absorptionsverfahren mit aminbasierten, ammoniakhaltigen sowie alkalihaltigen Lösungsmitteln. Mit deren Hilfe wird das im Rauchgas befindliche CO2 absorbiert. Das beladene Lösungsmittel wird mit Hilfe eines Regenerationsprozesses (unter Temperatur- und/ oder Druckwechsel) entfernt, dem Kreislauf wieder zugeführt und für einen neuen Abscheidezyklus genutzt. Neben den Verfahren der chemischen Absorption sind das Carbonate-Looping-Verfahren (Prinzip: trockene Sorption) sowie membranbasierte Verfahren (Polymermembranen, organische/anorganische Hybridmembranen) zu nennen.

Oxyfuel-Verfahren: Durch eine Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit reinem Sauerstoff wird eine hohe Aufkonzentration des Kohlendioxids von etwa 12 bis 15 Vol.-% auf etwa 89 % im Rauchgas erreicht. Dieses besteht nach Rauchgasreinigung und -wäsche im Wesentlichen aus einem reinen Kohlendioxid- Wasserdampf-Gemisch. Durch Auskondensieren des Wasserdampfes erhält man ein Rauchgas, das fast nur noch aus CO2 besteht. Die Bereitstellung von Sauerstoff für den Verbrennungsprozess erfolgt mit einer kryogenen Luftzerlegungsanlage, in welcher der Sauerstoff der Luft durch Kondensation bei tiefen Temperaturen (<-182 °C) abgeschieden wird. Die Verbrennung mit reinem Sauerstoff führt gegenüber heutigen Kraftwerken zu deutlich höheren Verbrennungstemperaturen und erfordert eine Modifikation der Brenner und des Feuerraumes. Die Wirkungsgradverluste eines kohlegefeuerten Oxyfuel-Kraftwerks werden in einer Bandbreite von 8 bis 11 Prozentpunkten angegeben. Andere Optionen zur Abtrennung von Sauerstoff aus der Luft bestehen im Chemical-Looping-Verfahren und in der Nutzung von sauerstoffleitenden Membranen (Perovskite, Fluorite). Hier werden je nach Konzept Wirkungsgradverluste in einer Bandbreite von 6 bis 10 Prozentpunkten angegeben.

Pre-Combustion Verfahren: Dieses auf dem Prinzip der physikalischen Absorption basierende Verfahren eignet sich insbesondere für die Verstromung von Kohle in Gas- und Dampfturbinen-Kombikraftwerken mit integrierter Kohlevergasung (IGCC). Das Synthesegas, ein Gemisch aus H2 und CO, aus der Kohlevergasung wird mit Hilfe eines CO-Shifts bei hohem Druck (> 20 bar) zu einem Gasgemisch umgewandelt, welches aus H2 und CO2 besteht. Die konventionelle CO2-Abtrennung erfolgt mittels eines energieintensiven Wassergas-Shift-Reaktors und anschließender physikalischer Absorption, was mit Wirkungsgradverlusten von 7 bis 8 %-Punkten einhergeht.

Aktueller Stand der Technologie

Zur Frage der technologischen Reife lässt sich insgesamt sagen, dass bei der CO2- Abscheidung in Kraftwerken ein TRL von 7 erreicht ist, während für Industrieanwendungen ein TRL von 2-4 angenommen wird. Für die CO2-Speicherung beträgt der TRL 6.

Post-Combustion Verfahren: Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf aminbasierte Verfahren, da diese aus heutiger Sicht am vielversprechendsten sind. Die Regeneration des beladenen Lösungsmittels erfordert einen hohen energetischen Aufwand, der zu deutlichen Wirkungsgradeinbußen des Kraftwerksprozesses führt (zwischen 7 und 13 %-Punkten). Durch den Einsatz neuer Waschmittel und effizienterer Packungen in der Absorber- und Desorberkolonne kann eine Reduzierung der Wirkungsgradeinbußen auf ca. 9 Prozentpunkte erreicht werden. Die aminbasierte CO2-Wäsche ist ein in der Industrie (z. B. Ammoniakherstellung, Erdgasaufbereitung) erprobtes Verfahren, jedoch steht die großtechnische Machbarkeit in Kraftwerken noch aus. In zahlreichen kleinen Versuchs- und Pilotanlagen wurde die prinzipielle Machbarkeit zur Dekarbonisierung von Kraftwerksrauchgasen gezeigt.

Oxyfuel-Verfahren: Die von 2008 bis 2014 in Betrieb befindliche, seinerzeit weltweit größte Oxyfuel-Anlage (30 MWth) am Braunkohlekraftwerksstandort Schwarze Pumpe lieferte wertvolle Erkenntnisse. Auch im Rahmen des australischen Callide Projekts wurde eine große Versuchsanlage (30 MWel) betrieben (von 2012-2015). Die Anlage hatte zu Projektende mehr als 10.000 Stunden Sauerstoffverbrennung sowie 5.500 Stunden Kohlendioxidabscheidung. Derzeit gibt es weltweit keine Oxyfuel- Demonstrationsanlagen im größeren Maßstab. Auch befinden sich weltweit weder Großanlagen im Bau, noch in der Planung.

Pre-Combustion Verfahren: Das Pre-Combustion-Verfahren ist für den IGCC Kraftwerksprozess konzipiert und setzt einen kommerziellen Einsatz dieses Basisprozesses voraus. Derzeit befinden sich weltweit nur insgesamt 10 IGCC-Kraftwerke im Bau oder in Betrieb. Das Verfahren der physikalischen Absorption von CO2 wird heute schon in der Industrie kommerziell eingesetzt, etwa bei der Herstellung von Ammoniak oder Harnsäure, der Erdgasaufbereitung sowie der Synthesegasherstellung.

CO2-Speicherung: Die geologische CO2-Speicherung, bei der das Gas durch gasdichte Bodenformationen oder Adsorptionsvorgänge eingeschlossen wird, ist seit vielen Jahren national und international Gegenstand intensiver F&E-Arbeiten. Diskutiert und untersucht werden folgende geologische Speicheroptionen:

•  Eintrag in tiefgelegene ungenutzte wasserführende Schichten (Aquifere) sowohl an Land als auch unter dem Meeresgrund
• Eintrag von CO2 zur verbesserten Exploration von Erdgas/Erdöl 
• Eintrag in entleerte Erdgas- und Erdölfelder sowie in Kohlenflöze

Weitere Links und Software

• Forschungsverbund Erneuerbare Energie – Geothermie (Link)

Quellen