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Das Carbonate Looping Verfahren kann in zwei gekoppelten Wirbelschichtreaktoren ausgeführt werden.
© EST, TU Darmstadt

Die Poren vergrößern sich nach vielen Zyklen, dadurch sinkt die Aufnahme von CO2 und steigt die Absorption von SO2.
© Grasa, G. S. u. a.: Reactivity of highly cycled particles of CaO in a carbonation/calcination loop.
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Karbonisierung und Kalzinierung im Zyklus

Der Kalk wird beim Carbonate Looping prinzipiell im Kreis gefahren (vgl. Abbildung links). Allerdings muss kontinuierlich gebrannter Kalk ausgelassen und neuer hinzu geführt werden. Der Grund ist, dass der Kalk mit zunehmender Zyklenzahl von Karbonisierung und Kalzinierung immer weniger in der Lage ist, CO2 einzubinden. Die Reaktionsgeschwindigkeit im Karbonator wird von den Wechselwirkungen der Kalkpartikel und dem CO2 bestimmt. Zu Beginn wird CO2 durch eine rasche, rein chemische Reaktion an der Partikeloberfläche eingebunden, indem sich eine CaCO3-Schicht bildet. Danach geht die Reaktion langsamer voran, da das CO2 erst unter dieser Schicht diffundieren muss, um mit dem Kalk in Kontakt zu kommen. Nach und nach versintern die Poren des Kalkkorns. Nach vielen Zyklen reduziert sich die Reaktivität auf circa 15 bis 20 Prozent (vgl. Abbildung links). Um gute CO2-Abscheideraten zu ermöglichen, wird dem Prozess stetig ein Strom von frischem Kalkstein (CaCO3) zugeführt, der als natürlicher Rohstoff kostengünstig verfügbar ist. Im Kalzinator wird der Kalkstein zu Kalk (CaO) gebrannt. Der Bedarf an frischem Kalk wird durch die Reaktion des Stoffes mit Schwefeldioxid (SO2) erhöht. Dadurch entsteht Gips (CaSO4). Diese Reaktion ist bei den vorherrschenden Temperaturen irreversibel.

SO2 und CO2 reagieren nicht unabhängig voneinander mit Kalk, sondern beeinflussen gegenseitig die Fähigkeit, das andere einzubinden. Schwefeldioxid senkt die Einbindung von Kohlenstoffdioxid, während durch die wechselweise Kalzinierung und Karbonisierung die SO2-Aufnahme gesteigert wird. Somit kann der gebrannte Kalk nach dem Carbonate Looping noch zur Entschwefelung genutzt werden. Die an Kraftwerken installierte Rauchgasentschwefelungsanlage (REA) wird üblicherweise mit Kalk betrieben.

Regeneration für das Carbonate Looping

Prinzipiell gibt es auch die Möglichkeit, den nach vielen Zyklen deaktivierten gebrannten Kalk wieder zu regenerieren, um ihn erneut dem Carbonate Looping zuzuführen. Dafür muss der gebrannte Kalk mit Wasserdampf behandelt werden. Durch die Bildung von Kalziumhydroxid vergrößert sich die Porenoberfläche, sodass die Reaktivität wieder erhöht wird. Nach der Abscheidung im Kalzinator liegt ein reiner CO2-Gasstrom vor. Dieser muss, wie nach allen bekannten Abscheideverfahren, für den Transport komprimiert werden. Dies ist nach der Verwendung von reinem Sauerstoff für die Verbrennung im Kalzinator der zweite Punkt, welcher signifikant den Wirkungsgrad des gesamten Kraftwerksprozesses mindert. Für eine Komprimierung auf einen Druck von 100 bar bei einer Temperatur von 30 °C ist je nach Verfahren mit einem Wirkungsgradverlust von 2,5 bis 4 Prozentpunkten zu rechnen. Somit wird insgesamt durch die Installation des Carbonate Looping an einem Kraftwerk der Wirkungsgrad um 5 bis 7 Prozentpunkte gesenkt. Verglichen mit anderen Abscheideverfahren ist dies ein guter Wert. Mit einer 1-Megawatt-Versuchsanlage an der Technischen Universität Darmstadt wurde das Verfahren von Ingenieuren in den vergangenen Jahren erforscht. Dabei erreichten sie CO2-Einbinderaten von über 80 Prozent im Karbonator. Da das bei der Verbrennung mit Kohle im Kalzinator frei werdende CO2 zu 100 Prozent abgeschieden wird, entspricht dies einer Gesamtabscheidung von mehr als 90 Prozent.

Simulationsmodell Aspen plus weiterentwickelt

Neben der Versuchsanlage hat das Projektkonsortium auch ein Prozessmodell mit der Software Aspen Plus weiterentwickelt. Die Programmierer ergänzten die fehlende Komponente der zirkulierenden Wirbelschicht durch einen Fluidized-Bed-Reactor-Code. Sie passten das Programm auf das Design der gebauten Anlage an und validierten es mit den Versuchsergebnissen. Dabei wurde eine gute Übereinstimmung der berechneten CO2-Absorptionsrate mit den Versuchsergebnissen erzielt. In der nächsten Projektphase soll das Prozessmodell noch umfassender validiert und optimiert werden. Außerdem ist geplant, 3D-Modelle für die Wirbelschichtreaktoren zu entwickeln. Zur Validierung dieser Modelle sollen unter anderem Profilmessungen in den Reaktoren herangezogen werden.

Projektinfo 01/2014:
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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.