Drei Kraftwerkstypen – drei Konzepte

Grundsätzlich gibt es drei Möglichkeiten, CO2 aus dem Kraftwerksprozess abzuscheiden: nach der Kohleverbrennung im so genannten Post-Combustion- und im Oxyfuel-Verfahren oder zwischen Kohlevergasung und Kohleverbrennung im so genannten Pre-Combustion-Verfahren. Je nachdem, welches Verfahren zum Einsatz kommt, unterscheidet man drei Kohlekraftwerkstypen.

Das Gängige: das Post-Combustion-Verfahren

Nahezu 100 Prozent der Kohlekraftwerke weltweit arbeiten mit dem Post-Combustion-Verfahren: Dabei kann das Kohlendioxid nur nach der Verbrennugn der Kohle herausgefiltert werden. Die Kohle wird mit angesaugter Umgebungsluft verbrannt, die dabei freiwerdende thermische Energie bringt Wasser auf hohem Druckniveau zum Verdampfen. Dieser Dampf treibt Dampfturbinen und dadurch einen Generator zur Stromerzeugung an.

CO2-Abscheidungs-Verfahren im Vergleich © RUB

Eine CO2- Abscheidung könnte hier nach der Verbrennung erfolgen – integriert mit verschiedenen bereits vorhandenen Reinigungssystemen (NOX-, SO2-, Ascheabscheidung). Eine Nachrüstung wäre aber sehr teuer und energieaufwändig. Das einzige bisher kommerziell verfügbare Verfahren nutzt eine chemische Absorption zur Abtrennung des CO2 und wird zum Beispiel zur Erdgasaufbereitung genutzt. Es ist aber noch um einige Größenordnungen zu klein und ineffizient für den großtechnischen Einsatz.

Das Luftige: das Oxyfuel-Verfahren

Auch beim so genannten Oxyfuel Verfahren wird Kohle verbrannt, um dann Dampf zu erzeugen. Doch die Verbrennung erfolgt hier mit hochreinem Sauerstoff, gewonnen in einer Luftzerlegungsanlage, die Umgebungsluft in N2 und O2 zerlegt. Bei der Sauerstoffverbrennung entstehen Kohlendioxid und Wasser. Das Wasser kann durch Kühlung des Rauchgasstroms auskondensiert werden, es bleibt das reine CO2 zurück. Es könnte damit leicht abgeschieden und gespeichert werden. Der Nachteil bei diesem Verfahren ist jedoch, dass die Herstellung des reinen Sauerstoffs mit einem hohen Energieverbrauch und erheblichen Kosten verbunden ist.

Der Kombinierer: das Pre-Combustion-Verfahren

Beim Pre-Combustion Verfahren wird das CO2 vor dem eigentlichen Verbbrennungsprozess entfernt. Die feingemahlene Kohle wird dazu zunächst mit reinem Sauerstoff und Wasserdampf bei hohem Druck vergast. Das entstehende Gas ist reich an Kohlenmonoxid und Wasserstoff und hat nur einen geringen Kohlendioxid-Anteil. Eine CO2 Abscheidung kann daher nur nach vorhergehender Umwandlung von des Kohlenmonixids in CO2 durch Zugabe von Wasserdampf stattfinden, den so genannte CO-Shifft.

Dampfturbine und Generator © NRC/DOE

Der sich anschließende Stromerzeugungsprozess ist ein kombinierter Gas- und Dampfturbinenprozess (IGCC: Integrated Gasification Combined Cycle). Der übrig bleibende Wasserstoff wird verbrannt und treibt bei bis zu 1.300 °C eine Gasturbine an. Die entstehende Abwärme wird genutzt, um Wasserdampf zu erzeugen, der wiederum eine Dampfturbine zur weiteren Stromproduktion antreibt.

Dieses Verfahren hätte geringeren Energiebedarf als die anderen und bietet perspektivisch die Möglichkeit, Wasserstoff und synthetische Kraftstoffe aus fossilen Brennstoffen relativ CO2-arm zu erzeugen. Eine Schlüsselkomponente dafür – hocheffiziente Wasserstoffturbinen – befinden sich jedoch derzeit erst im Pilotstadium.

Allen Verfahren zur CO2-Abtrennung ist gemeinsam, dass sie einen erheblichen Energieaufwand erfordern, der den Kraftwerkswirkungsgrad um bis zu 15 Prozent reduziert und einen zusätzlichen Brennstoffbedarf von bis zu 40 Prozent zur Folge hat. Jede dieser Methoden besitzt zudem ncoh spezifische Vor- und Nachteile.

Viktor Scherer, Johannes Franz / aus RUBIN (Ruhr-Universität Bochum)
Stand: 14.05.2010