Erdgasbrenner ohne CO2-Emission

Wie kann man Erdgas verbrennen, ohne dabei das Treib­hausgas Kohlen­dioxid in die Luft abzugeben? Dieses Kunststück gelingt mit einem speziellen Verbrennungs­verfahren, an dem die Tech­nische Uni­versität Wien seit Jahren forscht – der „Chemical Looping Combustion“ (CLC). Dabei wird das CO₂ direkt während der Ver­brennung ohne zusätz­lichen Energie­aufwand abgeschieden und kann an­schließend gespeichert werden. Somit wird verhindert, dass es in die Atmo­sphäre gelangt.

In einer Versuchs­anlage mit einer Leistung von 100 kW wurde die Methode bereits erfolg­reich angewandt. Jetzt gelang es in einem inter­nationalen Forschungs­projekt, die Technik auf einen größeren Maßstab hochzu­skalieren. Damit sind alle Voraus­setzungen geschaffen, um eine voll funktions­fähige Demonstrations­anlage mit einer Leistung im Bereich von zehn Megawatt zu bauen.

Die Verbrennung von Erdgas ist deutlich sauberer als die Verbrennung von Erdöl oder Kohle. Trotzdem hat Erdgas den großen Nachteil, dass bei der Verbrennung klima­schädliches CO₂ entsteht. Dieses CO₂ bildet normaler­weise einen Teil des Abgas-Gemischs, gemeinsam mit Stickstoff, Wasser­dampf und anderen Inhalts­stoffen. In dieser gemischten Form lässt sich das CO₂ weder speichern noch sinnvoll verwerten. „In den Anlagen, mit denen wir arbeiten, funk­tioniert die Ver­brennung aber grund­legend anders“, erklärt Stefan Penthor vom Institut für Verfahrens­technik, Umwelt­technik und Tech­nische Biowissen­schaften der TU Wien. „Bei unserer Verbrennungs­technik kommt das Erdgas gar nicht in Kontakt mit der Luft, weil wir den Prozess auf zwei getrennte Kammern auf­teilen.“

Zwischen den beiden Kammern zirku­liert ein Granulat aus Metall­oxid, das für den Sauerstoff­transport zuständig ist: „Durch eine Kammer pumpen wir einen Luftstrom, dort nehmen die Partikel Sauer­stoff auf. Sie gelangen dann in die zweite Kammer, die vom Erdgas durch­strömt wird. Dort geben sie den Sauer­stoff ab, es kommt dort zu einer Ver­brennung ohne Flamme, dabei entsteht CO₂ und Wasser­dampf“, erklärt Penthor.

Durch die Auf­teilung in zwei Kammern hat man es auch mit zwei getrennten Abgas­strömen zu tun: Aus der einen Kammer entweicht sauerstoff­arme Luft, aus der anderen Wasser­dampf und CO₂. Der Wasser­dampf kann ganz einfach abgetrennt werden, übrig bleibt fast reines CO₂. Dieses CO₂ kann für andere tech­nische Anwen­dungen genutzt werden oder man speichert es. „Die unter­irdische Lagerung von CO₂ in großem Stil, in ehe­maligen Erdgas-Lager­stätten, könnte in Zukunft eine wichtige Rolle spielen“, glaubt Stefan Penthor. Auch das Intergover­nmental Panel on Climate Change der Vereinten Nationen sieht die unter­irdische Lage­rung von CO₂ als wesent­lichen Bestandteil einer künf­tigen Klima­politik. Doch CO₂ zu lagern ist nur möglich, wenn es wie bei der neuen Verbrennungs­technik CLC in möglichst reiner Form abge­schieden wird.

Durch die Trennung der beiden Abgas­ströme erspart man sich den sehr energieintensiven Schritt, das CO₂ aus dem Abgas herauszu­waschen. Trotzdem wird auf übliche Weise Strom erzeugt, die Menge der frei­gesetzten Energie ist genau dieselbe wie bei der herkömm­lichen Verbrennung von Erdgas. Dass die CLC-Verbrennungs­methode funk­tioniert, konnte an der TU Wien bereits vor einigen Jahren anhand einer Versuchs­anlage demonstriert werden. Die große Heraus­forderung war es nun, den Prozess so umzu­gestalten, dass er auf wirt­schaftlich interes­sante Groß­anlagen übertragen werden kann. Dafür war es notwendig, das gesamte Anlagen­design zu über­arbeiten, außerdem mussten neue Herstellungs­verfahren für die Metall­oxid-Partikel entwickelt werden. „Für eine große Anlage braucht man viele Tonnen dieser Partikel, daher hängt die Wirtschaft­lichkeit des Konzepts nicht zuletzt davon ab, dass man sie einfach und in aus­reichender Qualität her­stellen kann“, sagt Penthor.

Drei­einhalb Jahre lang wurde nun im Forschungs­projekt SUCCESS an solchen Fragen geforscht. Neben der TU Wien, von der das Projekt koor­diniert wurde, waren 16 Partner­einrichtungen aus ganz Europa beteiligt. Tat­sächlich konnten alle wichtigen tech­nischen Frage­stellungen geklärt werden. „Das Ziel ist erreicht: Wir haben die Techno­logie nun so weit entwickelt, dass man jeder­zeit beginnen kann, eine Demonstrations­anlage im Bereich von zehn Megawatt zu errichten“, sagt Penthor. Das ist nun aber nicht mehr die Aufgabe der Forschungs­einrichtungen, für diesen nächsten Schritt werden nun private Geld­geber gebraucht. Auch vom Willen der Politik und künftigen Rahmen­bedingungen in der Energie­wirtschaft wird der Erfolg dieser Techno­logie abhängen. Der nächste Schritt ist auch deswegen wichtig, weil nur so die nötige Erfahrung zum Langzeit­betrieb im indus­triellen Maßstab gesammelt werden kann.

Inzwischen hat das Forschungs­team bereits das nächste wissen­schaftliche Ziel ins Visier genommen: „Wir möchten das Verfahren so weiter­entwickeln, dass man nicht nur Erdgas, sondern auch Biomasse verbrennen kann“, sagt Penthor. „Wenn man Biomasse verbrennt und CO₂ abscheidet, würde man nicht nur CO₂-neutral arbeiten, man würde sogar den CO₂-Gehalt der Luft redu­zieren.“

TU Wien / JOL