13.11.2013

Technische Universität Wien

Verbrennen mit CO2-freier Abgasluft

Wie hält man bei Verbrennungsprozessen das CO2 davon ab, in die Atmosphäre zu gelangen? Die TU Wien leitet das internationale FP7-Projekt „SUCCESS“, in dem ein innovatives Verbrennungsverfahren weiterentwickelt wird.

Dass CO2 entsteht, lässt sich oft nicht vermeiden. Aber durch kluge Verbrennungsmethoden kann man erreichen, dass sich das klimaschädliche Kohlendioxid gar nicht erst mit der Verbrennungsluft mischt. Die TU Wien forscht an Chemical Looping Combustion (CLC) – einem Verbrennungsverfahren für Kraftwerke oder große Industrieanlagen, das die Abscheidung von Kohlendioxid fast ohne zusätzlichen Energieaufwand ermöglicht. Nun leitet die TU Wien das neue Forschungsprojekt „SUCCESS“ mit einem Gesamtvolumen von zehn Millionen Euro. Sieben Millionen davon werden im Rahmen des FP7-Förderprogramms von der EU beigesteuert.

Zwei Verbrennungsschritte ohne Flamme

Die weltweit größte CLC-Anlage für gasförmige Brennstoffe (wie etwa Erdgas), die derzeit in Betrieb ist, steht in den Laborräumen des Instituts für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften an der TU Wien. Dort werden Brennstoffe nicht bloß mit der Luft verbrannt, wie das sonst üblich ist, sondern der Verbrennungsprozess wird auf zwei Schritte aufgeteilt. „Bei der Verbrennung an der Luft entsteht Abgas, das zum Großteil aus Stickstoff besteht“, erklärt Stefan Penthor vom Zero-Emission-Technologies-Team der TU Wien. „Deshalb kann man das darin enthaltene CO2 weder effizient lagern noch sinnvoll weiterverwenden.“

Im zweistufigen Verbrennungsverfahren in einer CLC-Anlage kommt der Brennstoff allerdings nie in direkten Kontakt mit Luft: Brennstoff und Luft durchströmen zwei getrennte Behälter. Zwischen diesen beiden Reaktoren lässt man Metalloxid-Partikel zirkulieren. Im Luft-Reaktor nimmt das Metalloxid weiteren Sauerstoff auf, den es im Brennstoff-Reaktor dann an den Brennstoff abgibt. So wird ganz ohne Flamme oxidiert, dabei entsteht Kohlendioxid und Wasserdampf.

„Wir haben nun also kein Gemisch von Luft und CO2, sondern zwei verschiedene Abgasströme“, erklärt Stefan Penthor. Aus dem Luftreaktor kommt bloß sauerstoffarme Luft ohne CO2, die bedenkenlos an die Umwelt abgegeben werden kann. Der Abgasstrom aus Kohlendioxid und Wasser, der aus dem Brennstoffreaktor kommt, wird aufgetrennt: Das Wasser kann ganz einfach auskondensiert werden, übrig bleibt fast reines CO2, das dann gespeichert oder weiterverwendet werden kann. Es gibt bereits Pilotprojekte, in denen die zeitlich unbegrenzte unterirdische Lagerung von CO2 in ehemaligen Erdgas-Lagerstätten geprüft wird.

Ähnlich wie Lottoziehung

Damit diese Art von Verbrennung funktioniert, muss das Metalloxid-Pulver dauerhaft zirkulieren und für Sauerstoff-Transport zwischen den beiden Reaktoren sorgen. Das gelingt durch das Wirbelschichtverfahren, mit dem man an der TU Wien viel Erfahrung hat: Wenn man feste Partikel auf die richtige Weise von einem Gas (etwa Luft oder Erdgas) durchströmen lässt, verhält sich die Mischung ähnlich wie eine Flüssigkeit, man spricht von „Fluidisierung“. „Man kann sich das vorstellen wie bei der Lottoziehung – dort werden die Kugeln in der Trommel von einem Luftstrom durcheinandergewirbel – also fluidisiert“, erklärt Stefan Penthor.

Seit vielen Jahren gilt die TU Wien als wichtiges internationales Forschungszentrum im Bereich Wirbelschichttechnik und Chemical Looping Combustion – ein Ruf, der maßgeblich durch die Arbeit von Institutsvorstand Prof. Hermann Hofbauer und Prof. Tobias Pröll (mittlerweile BOKU) geprägt wurde. Deshalb spielt die TU Wien auch im kürzlich gestarteten EU-Projekt „SUCCESS“ eine zentrale Rolle. 16 Partnereinrichtungen aus ganz Europa (Österreich, Schweden, Norwegen, Spanien, Frankreich, Belgien, Niederlande, Großbritannien) arbeiten zusammen, koordiniert wird das Projekt in Wien.

Der letzte Schritt zur Markttauglichkeit

Im Prinzip hat man die Technik von CLC-Anlagen mittlerweile gut verstanden, SUCCESS soll nun in den nächsten dreieinhalb Jahren den Schritt vom Versuchsreaktor zum industriellen Anlagebau schaffen. Die Verbrennungsanlage an der TU Wien – nirgendwo auf der Welt läuft derzeit eine größere – bringt eine Leistung von 140 Kilowatt, am Ende soll die Technologie reif für die Demonstration im industriellen Maßstab sein.

Dazu müssen zwei große Forschungsthemen angepackt werden: Zum einen geht es um die Suche nach den optimalen Sauerstoffträgern, viele verschiedene Metalloxide kommen dafür in Frage. Zum zweiten steht das Reaktordesign selbst im Zentrum des Forschungsprojekts, hier wird die TU Wien viel Know-How beisteuern. Parallel zu „SUCCESS“ ist momentan bereits die Planung für eine Anlage in Kanada in der Größenordnung von 10 MW recht weit fortgeschritten. Für diese Anlage soll das von der TU Wien entwickelte Reaktorkonzept verwendet werden.

Es gibt heute eine ganze Reihe von Ideen, das CO2 vom Abgas einer Verbrennungsanlage zu trennen. Man kann den Brennstoff mit reinem Sauerstoff verbrennen – dann fällt im Abgas kein Stickstoff an, man kann den Brennstoff schon vorher vom Kohlenstoff befreien – dann fällt kein CO2 an, oder man kann nachträglich das CO2 aus dem Abgasstrom auswaschen. All diese Verfahren sind allerdings aufwändig und teuer. Das CLC-Verfahren hingegen verspricht eine energieeffiziente, billige Lösung, die wohl in relativ kurzer Zeit zur Marktreife gebracht werden kann.

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