Innovation

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IM LABOR <br> Forscher Stefan Penthor vor dem neuen Versuchsreaktor an der TU Wien. (Copyright: David Payr)
IM LABOR
Forscher Stefan Penthor vor dem neuen Versuchsreaktor an der TU Wien. (Copyright: David Payr)
KLIMASCHUTZ
Wirbelnde Kuriere

Wirbelnde Kuriere

Im europäischen Forschungsprojekt SUCCESS wurde eine Methode verbessert, mit der in großem Maßstab Erdgas verbrannt werden kann, ohne dabei CO2 in die Atmosphäre abzugeben.

Text: Klaus Grimberg

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Winzige Metalloxid-Partikel zirkulieren als wichtige Kuriere durch zwei voneinander getrennte Kammern: In der ersten nehmen die bis 0,3 Millimeter großen Teilchen aus einem gewöhnlichen Luftstrom Sauerstoff auf, in der zweiten Kammer geben sie ihn wieder ab. Denn hier trifft der Sauerstoff auf Erdgas: „Es kommt zu einer Verbrennung ohne Flamme, dabei entsteht CO2 und Wasserdampf“, erklärt Stefan Penthor vom Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technischen Biowissenschaften an der TU Wien.

Wollte man bei der üblichen Verbrennung von Erdgas das CO2 aus dem Abgas herauswaschen, wäre dazu ein sehr energieintensives Verfahren nötig. Nicht aber bei der sogenannten „Chemical Looping Combustion“ (CLC): Weil Luft und Erdgas in den beiden Kammern nicht direkt aufeinandertreffen, bleiben auch die Abgasströme voneinander getrennt. Aus Kammer 1 entweicht sauerstoffarme Luft. In Kammer 2 kann der Wasserdampf ganz leicht separiert werden. Übrig bleibt nahezu reines CO2. Dieses kann für andere technische Anwendungen, wie etwa zur Methanisierung, genutzt oder gespeichert werden.

Die unterirdische Lagerung von CO2 in großem Stil, etwa in ehemaligen Erdgaslagerstätten, könnte in Zukunft eine bedeutsame Rolle spielen, glaubt Penthor. Er ist sich bewusst, dass es zu solchen Speicherungen in tiefen Erdschichten in der öffentlichen Debatte noch viele Einwände gibt. Allerdings beziehen das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) der Vereinten Nationen oder die Internationale Energieagentur (IEA) die unterirdische Lagerung von CO2 längst in ihre Erwägungen zur Klimapolitik ein. Ganz gleich, welche politischen Entscheidungen dazu in den nächsten Jahrzehnten getroffen werden – die Speicherung ist nur bei nahezu reinem Kohlendioxid realisierbar. So wie es auch mit der Verbrennungstechnik CLC abgeschieden wird.

In Europa begann man sich in den 2000er-Jahren an verschiedenen Universitäten zunehmend für die Chemical Looping Combustion zu interessieren, die in einer Reihe von Versuchsreaktoren immer präziser beschrieben werden konnte.

UPDATE

Ein Forschungsverbund u.a. mit der TU Wien arbeitet an der Weiterentwicklung der Technik, Gas zu verbrennen und dabei nur sauberes CO2 und Wasserdampf entstehen zu lassen.

(Foto: David Payr)

Uptdate Ein Forschungsverbund u.a. mit der TU Wien arbeitet an der Weiterentwicklung der Technik, Gas zu verbrennen und dabei nur sauberes CO2 und Wasserdampf entstehen zu lassen. 

SAUERSTOFFTRÄGER GESUCHT
Auf diesen zahlreichen Voruntersuchungen basierte das internationale Forschungsprojekt SUCCESS, das an der TU Wien koordiniert wurde. Hierbei ging es vor allem um die technologische Weiterentwicklung des Verfahrens. Die entscheidenden Fragen für die europäischen Wissenschaftler waren: Lässt sich CLC außerhalb des Labors auch in einem größeren, industriellen Maßstab durchführen? Welche Anforderungen muss eine entsprechende Anlage erfüllen? Und vor allem: Was eignet sich am besten als Sauerstoffträger von der einen in die andere Kammer.

Saubere Sache
Chemical Looping Combustion (CLC) heißt die Technologie, bei der Erdgas ohne CO2-Emissonen verbrennt.

GRANULAT GESUCHT
Ursprünglich wurden für diesen Prozess hochreine Chemikalien eingesetzt. Solche Grundmaterialien wären aufgrund ihrer hohen Herstellungskosten für den Dauerbetrieb einer Großanlage aber nicht denkbar. Also begannen die Wissenschaftler des Forschungsverbundes mit diversen Metalloxiden zu experimentieren, vor allem mit Kupfer und Mangan. „Wir haben beide gleichberechtigt untersucht und können am Ende auch nicht sagen, das eine Metall ist besser als das andere – das hängt immer von der Anwendung ab“, sagt Penthor. So habe Kupfer kein Problem damit, wenn im Erdgas ein Rest Schwefel enthalten sei, Mangan hingegen habe das nicht so gerne. Andererseits sei Kupfer in der Beschaffung deutlich teurer.

FORSCHUNGSVERBUND

Unternehmen, die solche Metalloxid-Partikel herstellen wollen, sowie drei große Energiekonzerne als potenzielle Nutzer waren ebenfalls dabei.

Forschungsinstitutionen in Österreich, Schweden, Norwegen, Spanien, Frankreich und Belgien waren am Forschungsverbund SUCCESS (Scale-Up of oxygen Carrier for Chemicallooping combustion using Environmentally SuStainable materials) beteiligt.

Millionen Euro kamen aus den Fördertöpfen der EU.

Grundsätzlich aber haben sich beide Metalle im Betrieb von fünf verschiedenen Testreaktoren der beteiligten Institute als absolut zuverlässig erwiesen. Der größte von ihnen an der TU Darmstadt hat eine Leistung von einem Megawatt. Anhand vieler Testreihen können die Forscher nun verlässliche Aussagen etwa darüber machen, wie viele Tonnen des Metalloxid-Granulats für den Betrieb einer größeren Anlage nötig wären und welche Kosten durch einen Dauerbetrieb entstünden. Jedes der Partikelchen zirkuliert etwa 210 Tage durch die Anlage. Dann ist es durch den permanenten Wirbel in den beiden Kammern so weit abgerieben, dass es mit der Abluft entweicht. Für künftige Anwender der Technik wie etwa Gaskraftwerke oder Raffinerien sind solche Erkenntnisse wichtige Parameter, um Anlagen zu planen, durchzurechnen und schließlich zu bauen. Je größer der Maßstab, in dem die innovative Verbrennungstechnik angewandt wird, desto weniger CO2 wird ausgestoßen.

Aus diesem Grund ist an der TU Wien auch ein komplett neuer Versuchsreaktor errichtet worden. Das Ziel dabei war, das Design der Anlage so zu verbessern, dass die Prozesse reibungslos ablaufen und die Technik bedienfreundlich und platzsparend konstruiert ist. Auch aus diesen Erfahrungen ergeben sich wertvolle Hinweise für künftige Anlagen mit einer industriellen Nutzung. „Wir haben die Technologie so weit entwickelt“, sagt Penthor, „dass jederzeit eine Demonstrationsanlage im Bereich von zehn MW gebaut werden könnte.“ 

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