Thema: CO2 Waschverfahren

Große Wäsche für Klimaschutz

Verfahren zur CO2-Rauchgaswäsche könnten schon Mitte des nächsten Jahrzehnts für Kraftwerke kommerziell verfügbar sein und sich auch zur Nachrüstung von Altanlagen eignen, hoffen deren Entwickler.

Die Investoren und Betreiber haben sich längst daran gewöhnt, dass zu einem Kohlekraftwerk eine chemische Fabrik gehört, in der aus dem Rauchgas mit einer Kalklösung Schwefeldioxid ausgewaschen und Gips produziert wird. Es liegt also nahe, auch zur CO2-Abscheidung nach geeigneten Waschmitteln zu suchen. Inzwischen werden die ersten CO2-Waschverfahren in Versuchs- und Testanlagen großtechnisch erprobt.

Im Prinzip sind diese Verfahren einfach: Eine chemische Substanz bindet im ersten Schritt das im Rauchgas enthaltene CO2. Im zweiten Schritt wird das abgeschiedene Reaktionsprodukt wieder zersetzt und so konzentriertes CO2 gewonnen, dass verdichtet und zur Lagerstätte transportiert wird. Gleichzeitig wird die Waschchemikalie regeneriert und erneut eingesetzt. Da diese CO2-Abscheidung dem Verbrennungsprozess nachgeschaltet ist, lassen sich solche Verfahren für alle Brennstoffe und Kraftwerkstypen einsetzen und gut in die Kraftwerke integrieren. Auch eine Nachrüstung bestehender Anlagen ist möglich, sofern genügend Platz vorhanden ist. Außerdem gibt es in der chemischen und petrochemischen Industrie bereits Erfahrungen mit aminbasierten Verfahren. Daher wird die CO2-Wäsche wahrscheinlich schneller großtechnisch einsetzbar sein als die alternativen Methoden der CO2-Abscheidung wie integrierte Kohlevergasung oder Oxyfuel, die Verbrennung mit reinem Sauerstoff.

Doch der Teufel steckt, wie immer, im Detail. Die erste Schwierigkeit besteht darin, dass bei der Verbrennung mit Luft große Rauchgasströme entstehen, was voluminöse und damit teuere Wäscher nötig macht. Damit verbunden ist ein hoher Energieaufwand, der – so die bisherigen Schätzungen – den Stromwirkungsgrad des Kraftwerks um 10 bis 12 Prozentpunkte verringert und damit über dem der anderen CO2-Abscheidemethoden liegen dürfte. Das zweite Problem ist der komplexe chemische Prozess, bei dem eine Kontaminierung der gereinigten Rauchgase, des abgeschiedenen CO2, der regenerierten Waschsubstanz und des eventuell anfallenden Abwassers mit giftigen, umweltschädlichen oder korrosiven Stoffen weitgehend vermieden werden muss.

Erfahrungen mit aminbasierten Waschverfahren

Die chemische Absorption des CO2 in wässrigen Aminlösungen, die auf Diethanolamin, Methyldiethanolamin oder Monoethanolamin basieren, halten auch die Experten von Alstom für aussichtsreich. Der Kraftwerksbauer will deshalb diese Verfahren zusammen mit Dow Chemical zur kommerziellen Reife entwickeln, wozu beide Unternehmen im Februar dieses Jahres eine Vereinbarung unterzeichnet haben. Die ersten Tests mit einer 30-prozentigen Monoethanolamin-Lösung werden in einer Pilotanlage an der University of Texas in Austin durchgeführt. Dabei soll demonstriert werden, dass eine CO2-Abscheiderate von 90 % erreicht werden kann. Außerdem sollen Daten für die Auslegung einer Demonstrationsanlage mit einer CO2-Abscheidekapazität von 100 000 t/a gewonnen werden.

Noch mehr Hoffnungen setzt man bei Alstom auf den so genannten Chilled-Ammonia-Prozess, bei dem die Absorption im auf 0 bis 10 °C gekühltem Rauchgas durch Ammoniak-Wäsche stattfindet. Ammoniak, ein günstig im industriellen Maßstab herzustellendes Absorptionsmittel, punkte gegenüber den anderen Chemikalien bei vergleichbar hohem CO2-Abscheidegrad von 90 % mit einem niedrigeren Energiebedarf , meinen die Entwickler. Ihre Erwartung ist, so die Wirkungsgradverluste des Kraftwerks auf rund 7 Prozentpunkte begrenzen zu können. Die Ammoniak-Wäsche sei zudem unempfindlich gegenüber Sauerstoff oder Schadstoffen im zu waschenden Rauchgas. Bei der Wäsche reagiert Ammoniak mit CO2 und Wasser zu Hirschhornsalz, das als Feststoff abgeschieden wird und in einer kompakten Regenerationsstufe unter Zufuhr von Wärme bei Temperaturen oberhalb von 120 °C und bei einem Druck über 20 bar wieder zerfällt.

Der kontinuierliche Betrieb des Chilled-Ammonia-Prozesses wird erstmals im Kohlekraftwerk Pleasant Prairie der We Energies im US-Staat Wisconsin demonstriert. Die Testanlage, die seit März in Betrieb ist, soll jährlich 10 000 t CO2 abscheiden, wobei das behandelte Rauchgas einer thermischen Leistung von 5 MW entspricht. Neben Alstom und We Energy sind an dem Projekt der RWE-Konzern sowie das Electric Power Research Institute (Epri) beteiligt. Epri wertet die Ergebnisse der Tests aus und wird eine techno-ökonomische Analyse für die Kommerzialisierung des Verfahrens erarbeiten.

Die gleiche Größenordnung wie in Wisconsin hat die Chilled-Ammonia-Pilotanlage, die derzeit im Eon-Kraftwerk Karlshamn in Schweden in Betrieb genommen wird. Sie wird zunächst CO2 aus Rauchgasen einer Ölfeuerung abscheiden, ein Test an einem erdgasgefeuerten GuD-Kraftwerk folgt dann.

Jährlich 100 000 t/a an CO2 soll im Kohlekraftwerk Mountaineer der American Electric Power (AEP) in New Haven in West Virginia eine Demonstrationsanlage abscheiden, deren Inbetriebnahme für November 2009 geplant ist. Ab 2011 soll das abgeschiedene CO2 über eine bereits vorhandene Injektionsbohrung in salinen Akquiferen eingelagert werden. Für die Speicherung liefert das Battelle-Institut das Know-how, während Alstom die Ammoniak-Waschanlage beisteuert. Mit finanziert wird das Projekt durch den RWE-Konzern.

Zum Einsatz soll der Chilled-Ammonia-Prozess von Alstom auch am Statoilhydro-Standort im norwegischen Mongstad kommen. Als Teil eines Europäischen Test-Centrums sollen dort ab 2010 mit unterschiedlichen Verfahren 100 000 t/a an CO2 aus Abgasen einer Raffinerie und den Rauchgasen eines erdgasgefeuerten GuD-Kraftwerks abgeschieden werden. An dem Gemeinschaftsprojekt, bei dem parallel auch aminbasiete Waschverfahren getestet werden, sind Dong Energy, Vattenfall, Shell, die norwegische staatliche Dassnova und Statoilhydro beteiligt.

Autor: Jan Mühlstein (Teil 1)