Mit Ammoniak auf CO2-Jagd

Abscheidung Zur Nachrüstung in Kraftwerken eignet sich die chemische Absorption von CO2. Als besonders interessant gilt das Chilled-Ammonia-Verfahren.

11. März 2008

Wer heutzutage den Neubau eines Kohlekraftwerks plant, sei es auf der ›grünen Wiese‹ oder als Ersatz unwirtschaftlicher alter Blöcke, muss mit Widerstand rechnen. »Kohle ist schmutzig« ist eine typische verbale Attacke derjenigen, die den Kohlekraftwerksneubau vereiteln wollen. Selbst Erdgas steht im Ansehen der Öffentlichkeit längst nicht mehr so hoch im Kurs, denn auch dieser fossile Energieträger wird als CO2-Verursacher verteufelt.

Das Fatale dabei: Ohne den Neubau effizienterer Kraftwerke müssen viele überalterte Stromerzeugungsanlagen in Betrieb bleiben. Dass deren CO2-Ausstoß bei Nutzung des gleichen Brennstoffs meist deutlich höher ist als der des geplanten Ersatzkraftwerks, wird allzu oft übersehen. Eine Chance die Klimafreundlichkeit und damit das Image zu verbessern, sehen viele in der CO2-Abscheidung.

Entsprechende Techniken werden für Neubauten und für Bestandsanlagen entwickelt und in etwa 10 bis 15 Jahren die Reife für den großtechnischen und wirtschaftlichen Einsatz haben. Um die CO2-Abscheidung zu ermöglichen, muss das Kraftwerk einige Modifikationen gegenüber dem ›Standard-Layout‹ aufweisen. Diese Modifikationen lassen sich an vielen Bestandsanlagen vornehmen und bei Neubauten bereits bei der Planung berücksichtigen. Je nach Abscheidetechnologie muss der Dampferzeuger eines Kohlekraftwerks anders ausgelegte Heizflächen besitzen, das Kühlsystem ist leistungsfähiger zu planen oder die Anforderungen an die Rauchgasreinigung sind höher. Letzteres ist wichtig, um die Abscheidung des CO2 aus dem Rauchgas problemlos vornehmen zu können. Für die Dampfturbine ist möglicherweise eine größere Dampfentnahme für den CCS-Prozess (Carbon Capture and Storage) zu beachten oder die Abspaltung führt zu höherem Eigenstrombedarf. Zur CO2-Abspaltung stehen verschiedene Verfahren zur Wahl. Zu den bekannten gehören der Oxyfuel-Prozess, die dem Verbrennungsprozess nachgeschaltete Aminwäsche sowie die CO2-Abscheidung aus Synthesegasen von Vergasungsanlagen. Der Kraftwerksbauer Alstom verfolgt vorrangig neben dem Oxyfuel- Prozess die innovative Ammoniak- Wäsche und hat eine globale Lizenz erworben, um diesen ›Chilled-Ammonia- Prozess‹ zu vermarkten.

Oxyfuel-Methode vor allem für Neuanlagen

Ein Oxyfuel-Kraftwerk verbrennt Kohlenstaub nicht mit Luft, sondern unter Zufuhr von fast reinem Sauerstoff (etwa 95 bis 99 % Reinheit) und rezirkuliertem Rauchgas. Der in Luft enthaltene Stickstoff ist unerwünscht, da er die CO2-Abscheidung behindern würde. Wegen der Luftzerlegungsanlage, der CO2-Verdichtung und weiteren Zusatzkomponenten steigt der Eigenenergiebedarf des Kraftwerks. Bei einem Steinkohlekraftwerk ist so ein um etwa acht Prozentpunkte geringerer elektrischer Netto- Wirkungsgrad (etwa 38 statt der heute bereits erreichten 46 %) zu erwarten. Rund 70 % des bei einem Oxyfuel-Kraftwerk austretenden Rauchgases entfallen auf CO2 der Rest ist fast ausschließlich Wasserdampf. Der Wasseranteil kann durch einfaches Kondensieren entfernt werden. Das Restgas enthält geringe Mengen an Wasser und Sauerstoff sowie Staub, Stickoxide und Schwefelverbindungen, die sich ausfiltern lassen. Das Klimagas lässt sich unter Umgebungstemperatur bei beispielsweise 100 bar verflüssigen, um es ökonomisch zu transportieren und einzulagern.

Die Oxyfuel-Methode wird sich wegen der tiefen Eingriffe in den Kraftwerksprozess voraussichtlich besonders für Neuanlagen eignen und soll im kommenden Jahrzehnt reif für den großtechnischen Einsatz sein. Seine technische Machbarkeit wird sich bis dahin in einer bereits errichteten Versuchsanlage, später in einem mittelgroßen Kraftwerksblock erweisen. Für die Nachrüstung werden sich voraussichtlich Methoden zur chemischen CO2-Absorption in wässrigen Aminlösungen – basierend auf Diethanolamin (DEA), Methyldiethanolamin (MDEA) oder Monoethanolamin (MEA) – durchsetzen oder das alternativ von Alstom verfolgte Verfahren der Ammoniak- Wäsche. Ammoniak (NH3) punktet gegenüber den anderen Chemikalien mit einem niedrigen Energiebedarf bei vergleichbar hohem CO2-Abscheidegrad und ist ein günstig im industriellen Maßstab herzustellendes Absorptionsmittel. Zudem ist die Ammoniak-Wäsche unempfindlich gegenüber Sauerstoff oder Schadstoffen im zu waschenden Rauchgas. Bei der Ammoniak-Wäsche reagieren das NH3 mit CO2 und Wasser. Es bildet sich Hirschhornsalz, das an anderer Stelle der Anlage unter Zufuhr von Wärme wieder zerfällt und das CO2 freisetzt. Auch hier schließt sich eine CO2-Verdichtung an; es ist zu erwarten, dass rund neun Zehntel des im Rauchgas enthaltenen CO2 mit dieser Methode erfasst und abgeschieden werden können.

In Kooperation mit mehreren Partnern arbeitet Alstom an Projekten, um den Chilled- Ammonia-Prozess zu optimieren. 2011 soll bereits die erste entsprechende Kraftwerksanlage mit mehr als 100 MWth ausgerüstet sein. Die verschiedenen CO2-Abscheidungsmethoden sollen sich künftig bewähren, und es gilt als sicher, dass sowohl für Neubauten als auch für die Nachrüstung schon im nächsten Jahrzehnt Techniken zur wirtschaftlichen CO2-Abscheidung verfügbar sind. Die Investitionen in CCS und auch der höhere Eigenenergiebedarf fossiler Kraftwerke mit CO2-Abscheidung werden sich lohnen, wenn im jeweiligen Markt ein System entsprechende Anreize zur CO2-Minderung schafft, etwa ein Zertifikatehandel auf Basis ehrgeiziger Klimaschutzziele.

Erschienen in Ausgabe: 03/2008