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Projektinfos  – Energieforschung konkret

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Im Karbonator wird das Rauchgas von CO2 gereinigt. Das CO2 reagiert darin mit Kalk zu einem Feststoff.
© EST, TU Darmstadt
Emissionsminderung an bestehenden Kraftwerken
Projektinfo 01/2014

Im Kalzinator werden CO2 und Kalk wieder getrennt.
© BINE Informationsdienst
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CO2-Abscheidung mit Kalk

Mit dem Ziel, klimaschädliche Emissionen zu vermeiden, kann CO2 aus den Rauchgasen von Kraftwerken abgetrennt werden. Allerdings sind die entwickelten Verfahren bisher teuer. Bei der Abscheidung mit Kalk liegen die Kosten viel niedriger – bei 15 Euro pro Tonne CO2. Die Anlagen zum Abscheiden von CO2 aus Abgasen lassen sich an bestehenden Kraftwerken nachrüsten. An einer Technikumsanlage im Maßstab von einem Megawatt hat die Technische Universität Darmstadt das Verfahren demonstriert. Die anfallenden Feststoffe, der gebrannte Kalk, können für Zementwerke interessant werden, da sie deren Energieverbrauch senken.

Um die Emissionen von Kohlekraftwerken zu verringern, entwickeln Forscher und Industrie Verfahren zur Abscheidung von CO2 aus den Rauchgasen. Die Verfahren haben jedoch den Nachteil hoher Wirkungsgradeinbußen von 8 bis 14 Prozentpunkten für das Kraftwerk. Dagegen liegen die Wirkungsgradeinbußen beim Carbonate Looping nur bei circa 5 Prozentpunkten. Bezogen auf die Stromgestehungskosten gibt es nach einer Prognose Einsparungen: Bei einer Rauchgaswäsche mit Monoethanolamin (MEA-Wäsche) liegen die Stromgestehungskosten bei 55 Euro pro Megawattstunde. Für das Carbonate Looping werden gut 40 Euro prognostiziert. Bei der Verbrennung von Kohle in einer reinen Sauerstoffatmosphäre (Oxyfuel) werden zwar mit ebenso geringen Stromgestehungskosten von 42 Euro gerechnet, allerdings lässt sich diese Technik nicht an bestehenden Kraftwerken nachrüsten, sondern eignet sich nur für Neubauten. Diese Zahlen beziehen sich auf ein Steinkohlekraftwerk mit 1.050 Megawatt elektrischer Leistung, einem Wirkungsgrad von 45 Prozent und einer CO2-Abscheiderate von 80 Prozent.

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Zwei Wirbelschichtanlagen begrenzen Energieverlust

Beim Carbonate Looping kann Kohlenstoffdioxid (CO2) aus Rauchgasen fossil befeuerter Kraftwerke für eine geologische Speicherung oder eine weitere Nutzung bereitgestellt werden. Dafür wird CO2 mittels Kalkstein zunächst gebunden und anschließend freigesetzt.

Das Rauchgas eines Kraftwerks wird wie üblich in der Rauchgasreinigungsanlage (REA) entschwefelt. Danach kommt es in einem sogenannten Karbonator (Titelbild) mit Kalk (CaO) in Kontakt. Dieser Anlagenteil ist ein zirkulierender Wirbelschichtreaktor. Das bedeutet, das Rauchgas wird durch einen Düsenboden in einen senkrecht stehenden Zylinder oder Quader geleitet, der mit Kalk gefüllt ist. Das Gas durchströmt den Kalk, lockert ihn auf und verwirbelt ihn. Dadurch wird die reaktionsfähige Oberfläche des Kalkes vergrößert. Der Kalk reagiert mit CO2. Dabei wird eine große Menge Wärme frei. Diese Energie kann über Wärmetauscher zur Dampferzeugung im Kraftwerk genutzt werden. Um die ideale Reaktionstemperatur von 650 °C einzuhalten, muss der Karbonator gekühlt werden. Das gereinigte Rauchgas strömt aus dem Karbonator in einen Wärmeübertrager, worin es abgekühlt wird. Danach wird es in einem Filter entstaubt, bevor es an die Umwelt abgegeben wird.

Nach der Karbonisierung ist das CO2 im Kalk als Feststoff (CaCO3) gebunden. Im Fliehkraftabscheider (Zyklon) wird er vom Rauchgas getrennt. Dann wird der Feststoff in einen zweiten Wirbelschichtreaktor, den sogenannten Kalzinator (siehe Abbildung), geleitet. Mit Zuführung von Wärme wird das CO2 vom Kalk getrennt. Dieser Prozess wird als Kalkbrennen bezeichnet und ist aus Zementwerken bekannt.

In der Versuchsanlage wird Kohle mit reinem Sauerstoff (Oxyfuel-Atmosphäre) verbrannt, um die benötigte Wärme bereitzustellen. Eine Verbrennung mit Luft würde den abzuscheidenden CO2-Volumenstrom durch den enthaltenden Stickstoff unnötig stark verdünnen. Um reinen Sauerstoff aus der Luft zu gewinnen, ist bisher relativ viel Energie nötig. An diesem Punkt entsteht der maßgebliche Wirkungsgradverlust durch das Carbonate Looping: Bezogen auf das gesamte Kraftwerk macht dieser circa drei Prozentpunkte aus. Die für die Karbonisierung benötigte Wärme kann dagegen anschließend ausgekoppelt und zur Dampferzeugung wieder genutzt werden, da sie auf einem hohen Temperaturniveau freigesetzt wird. Die optimale Betriebstemperatur im Kalzinator liegt bei 900 bis 950 °C.

Merkzettel

Adressen

Projektkoordination
TU Darmstadt, EST

Auslegung der Anlage
Fisia Babcock Environment GmbH

Auslegung der Anlage
ALSTOM Carbon Capture GmbH

Analyse des Kalksteins
Rheinkalk GmbH

Technische Gase
Linde AG

Bereitstellung der Steinkohle
GKM AG

Einbindung ins Steinkohlekraftwerk
E.ON Technologies GmbH

Einbindung ins Braunkohlekraftwerk
RWE Power AG

Service

BINE-Projektinfo 01/2014
(PDF, 4 Seiten, 1,2 MB)

Literaturliste als PDF

Weiterführende Literatur
(1 Seite, 75 KB)

Links

Post Combustion Capture
Weblink mit Infos zu nachrüstbaren CO2-Abtrennverfahren auf kraftwerkforschung.info

Weiterführende Informationen zu den Projekten der Förderinitiative COORETEC gibt es auf kraftwerkforschung.info.

Infotipp

Neue Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen
BINE-Themeninfo II/2010

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.