Oxyfuel und Calcium-Looping

Eine weitere Technologie, die schon seit mehrere Jahren für das Carbon-Capture erforscht wird, ist das Oxyfuel-Verfahren. Anders als andere Abscheidungsmethoden zielt dieses nicht darauf ab, CO2 aus dem Abgasstrom einer Industrieanlage oder eines Kraftwerks zu entfernen. Stattdessen soll das Abgas von vornherein so verändert werden, dass möglichst wenig andere Gase wie Stickoxide und Schwefeldioxid anfallen und fast reines CO2 entsteht.

Reiner Sauerstoff als Verbrennungshelfer

Für das Oxyfuel-Verfahren als nachgeschalteten Prozess wird das Rauchgas des Kraftwerks oder der Fabrik in einen Brennofen geleitet und dort unter Zuführung reinen Sauerstoffs noch einmal verbrannt. Das Resultat ist ein Abgas, das aus gut 90 Prozent CO2 und aus Wasserdampf sowie einen geringen Restgasanteil besteht. Der Wasserdampf kann auskondensiert werden, so dass am Ende fast reines CO2 übrig bleibt, das weiterverarbeitet oder gespeichert werden kann – soweit die Theorie.

In der Praxis allerdings ist auch die Abscheidung von CO2 durch Oxyfuel mit hohem Aufwand und Kosten verbunden. Vor allem die Gewinnung und Bereitstellung von reinem Sauerstoff für die Rauchgasverbrennung treibt die Kosten in die Höhe, hinzu kommen zusätzliche Reinigungsschritte, um Restgase zu entfernen. Eine von 2008 bis 2014 im Kohlekraftwerk Schwarze Pumpe in Brandenburg betriebenen Oxyfuel-Pilotanlage zeigte, dass dieses Verfahren bei Kohlekraftwerken zu Wirkungsgrad-Einbußen von acht bis 14 Prozent führt. Oxyfuel war damit nicht weniger kostenintensiv und aufwendig als gängige CO2-Abscheidung durch Aminwäsche und Co..

Option für die Zementindustrie?

Als deutlich lohnender könnte sich die CO2-Abscheidung mittels Oxyfuel-Technologie allerdings in der Zementindustrie erweisen – sie ist immerhin für acht Prozent der globalen CO2-Emissionen verantwortlich. Bei der Zementherstellung wird die Oxyfuel-Verbrennung nicht erst beim Rauchgas am Ende der Prozesskette eingesetzt, sondern schon beim Brennen des Zementklinkers. Für dieses wird das gemahlene Calciumoxid zusammen mit Silikaten und Eisenoxiden in Drehöfen bis auf 1.450 Grad erhitzt.

Für das Oxyfuel-Verfahren wird statt heißer Umgebungsluft reiner Sauerstoff in die Klinker-Brennöfen eingeleitet. Dadurch entsteht als Abgas nahezu reines CO2. Eine erste Demonstrationsanlage für diesen Prozess soll demnächst in Mergelstetten in Baden-Württemberg entstehen. Hier will ein Zusammenschluss von vier europäischen Zementherstellern die Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit von CO2-Capture beim Klinkerbrennen mittels Oxyfuel erproben. Das in dieser Anlage gewonnene CO2 soll dann in einem nächsten Schritt in synthetische Kraftstoffe umgewandelt werden.

Calcium-Looping und Oxyfuel zusammen

Eine weitere Variante des Carbon-Capture in der Zementindustrie ist eine Kombination aus Oxyfuel-Verbrennung und CO2-Abscheidung durch das sogenannte Calcium-Looping. Diese Methode testen Forscher zurzeit im EU-Projekt CLEANKER. Beim Calcium-Looping wird ein Teil des im Rohzement enthaltenen Branntkalks (Calciumoxid, CaO) als CO2-Absorber eingesetzt. Dafür wird Rauchgas in einen sogenannten Karbonator geleitet, in dem das CO2 mit dem Calciumoxid zu Calciumkarbonat (CaCO₃) reagiert und so gebunden wird.

Das dabei entstehende Calciumkarbonat ist nichts anders als Rohkalk und wird gemeinsam mit dem normalen Kalksteinmehl zurück in den Kalzinierungsofen transportiert, wo das Oxyfuel-Verfahren zum Einsatz kommt: Statt normaler Luft wird reiner Sauerstoff genutzt, um die bei rund 900 Grad stattfindende Reaktion des Calciumkarbonats (CaCO₃) zu Calciumoxid durchzuführen. Dabei wird fast reines CO2 frei, das nun abgeleitet und weiterverarbeitet oder gespeichert werden kann.

„Hohe CO2-Abscheidung mit einem geringen Energieaufwand“

Ein erster großtechnischer Test dieser Kombi-Methode wurde im Oktober 2020 im italienischen Zementwerk Buzzi Unicem in Vernasca begonnen. Ziel ist es, mit dieser Demonstrationsanlage rund 4.000 Kubikmeter Abgas pro Stunde zu reinigen. „Obwohl es weniger modern ist, birgt CLEANKER das Potenzial, eine hohe CO2-Abscheidung mit einem geringen Energieaufwand und geringen wirtschaftlichen Auswirkungen zu erreichen“, erklärt Projektkoordinatorin Martina Fantini vom Energie- und Umweltlabor Piacenza (LEAP). „Dies ist der Verwendung von konventionellem Rohmehl als CO2-Sorptionsmittel und der starken thermischen Integration zu verdanken, die den Brennstoffverbrauch deutlich reduziert.“

Nach Ansicht der Forscherin eignet sich diese Technologie in besonderem Maße, um bestehende Zementwerke umzurüsten. „Unsere Technologie bietet mehrere Vorteile für bestehende Zementwerke. Erstens erfordert die Nachrüstung keine Änderungen am Drehrohrofen der Anlage, der die wichtigste Komponente in jedem Zementwerk ist“, so Fantini. „Zum anderen handelt es sich bei dem am Ende des CO2-Abscheidungsprozesses produzierten Sorptionsmittel um dasselbe Rohmaterial, wie es für die Klinkerproduktion verwendet wird.“ Wie wirtschaftlich diese Methode des Carbon-Capture tatsächlich ist, muss sich allerdings erst nach dem großtechnischen Testeinsatz zeigen.