SIEMENS

Aminosäuresalz heißt das Persil der Kraftwerksbetreiber. Damit lassen sich über 90 Prozent des im Rauchgas enthaltenen CO₂ binden. Erprobt wird das Waschmittel für Kohlendioxid derzeit in einer Pilotanlage bei Hanau. Dort testet Siemens die Reinigungstechnik zusammen mit dem Kraftwerksbetreiber E.ON. Es ist eines von mehreren Kooperationsprojekten auf dem Feld der Kohlendioxidabscheidung und -speicherung, kurz CCS (Carbon Capture and Storage).

Ohne CCS, so sagen Fachleute voraus, wird es kaum möglich sein, das „20-Prozent-Ziel“ zu erreichen, das sich die Europäische Union gesetzt hat: Bis 2020 sollen 20 Prozent weniger Kohlendioxid als im Vergleichsjahr 1990 in die Atmosphäre gelangen. Ein Dilemma angesichts des zunehmenden Energiebedarfs: Denn ohne Kohle wird sich die rasch steigende Nachfrage nach Strom kaum decken lassen.

Deshalb müssen Kraftwerksbetreiber in Zukunft auf CO₂-arme Anlagen setzen. Die Vorgabe der EU lautet, dass CCS bis 2020 einsatzbereit sein soll. Drei Methoden bieten sich an: die Kohlevergasung, die Verbrennung mit Sauerstoff(Oxyfuel-Verfahren) sowie die Abscheidung des Gases aus dem Rauchgas nach der Verfeuerung (siehe Artikel „Die Kohlendioxid-Fänger“, Pictures of the Future 1/2008). Neben der Kohlevergasung steht dieses dritte Verfahren im Zentrum der CCS-Entwicklungen von Siemens, weil es den Vorteil hat, dass bestehende Kraftwerke damit nachgerüstet werden können. Das macht die Methode für Kraftwerksbetreiber besonders interessant. Und da Siemens schon eine Laboranlage und Erfahrungen bei der Reinigung von Rauchgas mitbringt, ist das Unternehmen ein begehrter Partner für Kooperationen, um die CO₂-Einfangtechnik für Kraftwerke zu optimieren.

Waschtechnik im Praxistest. Seit September 2009 läuft am Block 5 des Steinkohlekraftwerks Staudinger in Großkrotzenburg bei Hanau eine Pilotanlage. Bis Ende 2010 will E.ON gemeinsam mit Siemens die Waschtechnik für CO₂ dort testen. „Siemens bringt eine doppelte Erfahrung mit“, sagt E.ON-Forschungschef Bernhard Fischer, „das Know-how beim Engineering und dem Kraftwerksbau sowie wertvolle Kenntnisse aus der Prozessentwicklung für die chemische Industrie.“ E.ON wiederum ist als Energieversorger Spezialist für die Planung und den Betrieb fossil befeuerter Kraftwerke. „Die Zusammenarbeit ist eine ideale Voraussetzung, um ein CCS-Verfahren erfolgreich weiterzuentwickeln und es in den Kraftwerksprozess zu integrieren“, sagt Fischer.

Siemens hat das CO₂-Waschverfahren zunächst in seiner Laboranlage im Industriepark Höchst bei Frankfurt am Main entwickelt. Im Prinzip handelt es sich dabei um eine in der chemischen Industrie übliche Methode zur Gasbehandlung: Das CO₂ kommt mit einer wässrigen Waschlösung in Kontakt, die das Gas aufnimmt. Dazu wurde beim Kraftwerk Staudinger ein 35 Meter hoher Absorberturm errichtet, durch den ein Teilstrom des Rauchgases geleitet wird. In dem langen Zylinder befinden sich strukturierte Packungen aus Metall, an denen die Waschlösung und das Gas im Gegenstrom in Kontakt treten. Dabei wird der Kohlendioxidanteil zu über 90 Prozent eingefangen. In einem 20 Meter hohen Desorberturm wird anschließend die mit CO₂ gesättigte Lösung solange mit Dampf erhitzt, bis sie das Kohlendioxid wieder gasförmig ausperlt.

Zwei Dinge sind dabei wesentlich: Zum einen braucht man ein Waschmittel, das möglichst umweltfreundlich ist, zum anderen will man den Reinigungsprozess mit möglichst wenig Energie betreiben. Herkömmliche chemische Absorptions -verfahren verwenden Monoethanolamin (MEA),die Methode von Siemens funktioniert dagegen mit in Wasser gelösten Aminosäuresalzen. Sie sind weitaus umweltfreundlicher, denn sie sind weder entflammbar noch toxisch und zudem biologisch gut abbaubar. Zudem erfordern sie keine hohen Temperaturen für das Einfangen des Kohlendioxids, und nach der Desorption lässt sich das gelöste Salz fast vollständig wieder in den Kreislauf zurückführen, es wird also nicht aufgebraucht.

„Aminosäuresalze sind ein idealer Kohlendioxidfänger“ sagt Dr. Tobias Jockenhövel, der bei Siemens in Erlangen für das Projekt zuständig ist. Außerdem benötigt die CO₂-Wäsche mit Aminosäuresalzen weniger Energie – damit verringert sich auch der Effizienzverlust, den jede CCS-Technik mit sich bringt. „Wir konnten den Energiebedarf von 4 auf 2,7 Gigajoule pro Tonne CO₂ drücken, wo mit auch die Kosten deutlich sinken“, sagt Jockenhövel. Derzeit sind CO₂-Verschmutzungsrechte mit Preisen zwischen zehn und 20 Euro pro Tonne noch billig. Wenn sie allerdings über 40 Euro steigen, würden sich Abscheiden, Transport und Einlagerung des CO₂ lohnen. Bei einem 800-Megawatt-Steinkohle-Kraftwerk mit einem herkömmlichen CCS-Verfahren auf Basis von MEA muss man einen Wirkungsgradverlust von elf Prozent in Kauf nehmen, bei der Siemens-Technik sind es nur noch neun Prozent.

Feinschliff vor dem Einsatz. Die modernsten Kraftwerke verfeuern die Kohle mit einem Wirkungsgrad von 47 Prozent zu Strom. „Schon heute könnte man daher mit dieser Technik CO₂-arme Kraftwerke mit einem Wirkungsgrad von 38 Prozent betreiben“, sagt E.ON-Forschungschef Fischer – das entspricht dem Durchschnitt der bestehenden Kohlekraftwerke in Europa. Momentan geht es aber darum, die chemischen Eigenschaften des Waschmittels und die Effizienz des Reinigungsprozesses weiter zu verbessern. Die Anlage in Großkrotzenburg schafft derzeit eine Tonne CO₂ pro Tag, was einem 10.000stel des Rauchgases entspricht, das in Block 5 entsteht. Bis 2011 soll das Verfahren so ausgereift sein, dass man eine große Demonstrationsanlage bauen kann, die 2015 in Betrieb gehen und dann das CO₂ eines ganzen Kraftwerkblocks bewältigen könnte.

Auch in Finnland ist man vom CCS-Know-how von Siemens überzeugt: So soll das neue Verfahren auch im Kraftwerk Meri-Pori im WestenFinnlands zum Einsatz kommen. Im Oktober 2009 haben die Betreiber des Kraftwerks, die Energieversorger Fortum und Teollisuuden Voima(TVO), Siemens Energy unter zehn Bewerbern ausgewählt, um bis 2015 eine CCS-Demonstrationsanlage zu bauen. „Die Technologie von Siemens erschien uns besonders aussichtsreich“, sagt Projektmanager Mikko Iso-Tryykäri. „Vor allem, da sie umweltfreundlich und bereits bei einem Kraftwerk erprobt ist.“ Siemens hat damit die Gelegenheit, in dem 565-MW-Kraftwerkse in Waschverfahren im kommerziellen Maßstab umzusetzen, indem es zunächst etwa die Hälfte des Rauchgases behandelt. Fortum und TVO wiederum können durch die Partnerschaft mit Siemens eines der größten europäischen CCS-Projekte verwirklichen: Sie wollen das Kraftwerk nachrüsten und zusammen mit weiteren Unternehmenden Transport und die Lagerung von CO₂ in der Nordsee erproben (siehe Kasten).

CO₂-Fänger für Erdgas-Kraftwerke. Erdgas ist weitaus klimafreundlicher als Kohle, und Gas-und-Dampfturbinen (GuD)-Kraftwerke sind deshalb sehr begehrt. Allerdings produzieren sie ebenfalls CO₂, wenn auch in geringeren Mengen. Siemens untersucht derzeit für den norwegischen Energieversorger Statkraft, wie das Waschverfahren auf GuD-Anlagen angepasst werden kann. Das Problem: Deren Rauchgas enthält viel Sauerstoff, der jedem Waschmittel stark zusetzt. „Wir haben unser Verfahren inzwischen adaptiert“, sagt Tobias Jockenhövel, „und wissen, dass es auch bei GuD-Kraftwerken mit einem sehr guten Wirkungsgrad funktioniert– der Effizienzverlust liegt bei Laborversuchen weit unter acht Prozent.“

Die CO₂-Abscheidung mit Aminosäuresalzen ist ziemlich ausgereift, doch für die Anwendung im großen Maßstab sollten die Reinigungssubstanz und der Prozess noch weiter verbessert werden. Dies ist das Ziel einer seit Sommer 2009 laufenden Kooperation mit der niederländischen Forschungsorganisation TNO. Auch TNO erforscht Reinigungsprozesse mit diversen chemischen Substanzen und hat herausgefunden, dass Aminosäuresalze besonders vielversprechend sind. In die Partnerschaft bringt TNO das Wissen über andere Aminosäuresalze, als Siemens sie erprobt hat, mit. Seit Mitte 2008 betreibt TNO auch eine Pilotanlage am Kohlekraftwerk Rotterdam, die ähnlich groß ist wie die in Hanau.

„Siemens ist ein idealer Partner, und unsere Zusammenarbeit ist sehr erfolgreich“, sagt René Peters, bei TNO für die CCS-Projekte zuständig. „TNO bringt das Wissen in technischer Chemie mit, Siemens steuert die Erfahrung bei der Entwicklung und Umsetzung von Kraftwerksprozessen bei“, bekräftigt Jockenhövel. Zusammen mit den Niederländern will Siemens nun Verfahrensverbesserungen entwickeln und im Kraftwerk Staudinger testen. Auf dieser Grundlage will Siemens bis 2014 eine Demonstrationsanlage für einen Kraftwerksblock anbieten – und damit endgültig den Beweis erbringen, dass manche Waschmittel sogar Rauchgas rein waschen können.