Endliche Welt – Kohlendioxid-Abtrennung

In 15 bis 20 Jahren könnte – getrieben durch höhere Abgaben für Emissionen – die Abtrennung von Kohlendioxid aus den Abgasen von Kraftwerken nicht nur ökologisch, sondern auch ökonomisch sinnvoll sein. Pilotprojekte gibt es bereits.

Auch wenn das Öl zu Ende geht, Kohle ist noch für Jahrhunderte vorhanden. Würden jedoch die geschätzten 5 000 Mrd. t an Kohlenstoffvorräten wie bisher verheizt, so würde 17-mal so viel Kohlendioxid (CO₂) in die Atmosphäre geblasen, wie in den vergangenen 150 Jahren zusammen. Dass es daher nicht ausreicht, nur die Effizienz von Kraftwerken zu erhöhen, um einen verheerenden Treibhauseffekt zu verhindern, ist offensichtlich. Der mögliche Ausweg: Forscher wollen das CO₂ abtrennen und unterirdisch lagern. Damit könnten fossile Brennstoffe weiter zur Stromerzeugung genutzt werden, und die Menschheit hätte Zeit, eine nachhaltige Wasserstoffwirtschaft aufzubauen.

Die CO₂-Abtrennung und -Lagerung, die so genannte Sequestrierung, ist allerdings teuer: Pro Tonne abgetrenntes CO₂ liegen die Kosten derzeit zwischen 30 und 42 euro;. Wie bei allen neuen Techniken dürften sie künftig deutlich sinken. Zudem ist zu erwarten, dass auch CO₂-Emissionen teuer werden, sei es durch Zertifikate-Handel (siehe Emissionszertifikate) oder durch Steuern. "Wegen dieser beiden gegenläufigen Trends dürfte die CO₂-Abtrennung in 15 bis 20 Jahren wirtschaftlich werden", schätzt Frank Haffner vom Strategiefeld Energy bei Siemens Corporate Technology. Damit sie bis dahin auch einsatzbereit ist, hat die Europäische Union Anfang 2004 die Forschungsprojekte CASTOR, ENCAP und CO₂-SINK für je rund 15 Mio. € aufgelegt.

Waschmittel für CO₂. Seit langem wird Kohlendioxid aus Gasgemischen herausgewaschen. Die Industrie tut dies in seltenen Fällen auch bei Kraftwerksabgasen – allerdings nicht aus Umweltgründen, sondern um CO₂ für die Erdölförderung oder für Lebensmittel zu gewinnen. Das Rauchgas wird durch ein Lösungsmittel wie Ethanolamin geleitet. Das Amin bindet das CO₂, und das gereinigte Abgas kann in die Luft entlassen werden. Danach muss aber das Waschmittel erhitzt werden, um das CO₂ wieder herauszulösen, was viel Energie kostet. Die Effizienz eines Kohle-Dampfkraftwerks – sein Wirkungsgrad – sinkt wegen der Rauchgaswäsche und der CO₂-Verflüssigung um 11 bis 14 Prozentpunkte. Daher brauchen die Betreiber für die gleiche Menge Strom entsprechend mehr Brennstoff.

Der Vorteil ist, dass am Kraftwerk fast nichts verändert werden muss. Allerdings benötigt man eine Chemieanlage, die immense Abgasströme durchschleust. Dies rührt daher, dass die Kohle mit Luft verbrannt wird. Luft besteht nur zu 20 % aus Sauerstoff, fast der ganze Rest ist Stickstoff, der als Ballast mitgeschleppt wird. Die EU-Forscher wollen im CASTOR-Programm unter anderem eine unter Kostengesichtspunkten optimierte Großversuchsanlage zur CO₂-Wäsche entwickeln. Eine Alternative untersucht das Programm ENCAP: Bei der Verbrennung mit reinem Sauerstoff fallen nur Kohlendioxid und Wasserdampf als Abgas an, kein Stickstoff. Der Wasserdampf lässt sich durch Kondensieren problemlos abtrennen. Übrig bleibt Kohlendioxid – die chemische Wäsche entfällt. Auch hier müssen aber Gase abgetrennt werden, und zwar am Anfang der Sauerstoff aus der Luft. Das Standardverfahren, die Luftverflüssigung durch Kälte, ist teuer und verschlingt ebenfalls viel Energie. Daher sinkt der Wirkungsgrad eines Kraftwerks bei dieser Methode um sieben bis elf Prozentpunkte. Im Rahmen von ENCAP werden neuartige Membranen untersucht, die Sauerstoff effektiv und energiesparend abtrennen können. Zudem entwickeln die Wissenschaftler eine völlig neue Turbine, die für dieses Verfahren gebraucht wird.

Verbrennung ohne CO₂. Eine elegante dritte Strategie besteht darin, Kohlendioxid bereits vor der Verbrennung abzutrennen. Dafür eignen sich Kraftwerke mit integrierter Kohlevergasung (IGCC, siehe Saubere Kohle). Im IGCC reagiert der Brennstoff mit sauerstoffangereicherter Luft oder reinem Sauerstoff und Wasserdampf. Es entsteht Synthesegas, eine Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Anstatt dieses Gas direkt in die Brennkammer zu schicken, ließe sich ein IGCC mit einem Zwischenschritt in ein CO₂-freies Kraftwerk verwandeln. Dazu wird das Synthesegas mit Wasserdampf zu CO₂ und Wasserstoff umgesetzt. Da das Kohlendioxid sehr konzentriert vorliegt, ist es leicht abzutrennen, denn es gilt die goldene Regel: Je höher die Konzentration, desto leichter lässt sich ein Gas herausfischen. Zum Verbrennen bleibt vor allem Wasserstoff übrig, wobei als Abgas nur Wasserdampf anfällt. Auch hier sinkt der Wirkungs- grad um sieben bis elf Prozentpunkte.

Siemens und Partner wie Alstom Power entwickeln unter dem Dach von ENCAP Brenner und Brennkammern, die die wasserstoffreichen Gase verarbeiten können. "Die hohe Entzündlichkeit und rasante Flammenfortpflanzung des Gases erfordern ganz neue Techniken", erklärt Günter Haupt von Siemens Power Generation. Auch bei der Gasturbine dürften technische Anpassungen nötig sein. Getestet werden soll der Prototyp-Brenner gegen Ende 2005 bei der Deutschen Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln. Auf diese Technik setzt auch die US-Regierung, unterstützt von der Kohleindustrie und Energieversorgern. Im Rahmen der FutureGen-Initiative soll in den nächsten zehn Jahren das weltweit erste CO₂-freie IGCC-Kraftwerk entstehen, das aus Kohle Strom und Wasserstoff produziert. Das anfallende CO₂ soll deponiert werden. Eine Milliarde Dollar sind dafür veranschlagt.

Carola Hanisch

Anfang 2004 startete das EU-Projekt CO₂SINK (Bild unten). Es wird vom Geoforschungszentrum Potsdam koordiniert. CO₂ soll aus einer Biomassevergasungsanlage in eine poröse Sandsteinschicht unter einem stillgelegten Erdgasspeicher bei Ketzin gepumpt und überwacht werden. Das Verhalten des CO₂ unter der Erde wollen die Forscher mit Hilfe von Bohrungen erstmals direkt beobachten. Anders als Sleipner und Weyburn liegt Ketzin nahe einer Großstadt: Berlin. Daher geht es auch um Erfahrungen mit Genehmigungsverfahren und der Akzeptanz der Bevölkerung.

Bei der unterirdischen Lagerung von CO₂ gibt es zwei Risiken: die Versauerung des Grundwassers und die Gefahr einer Leckage. CO₂ ist zwar nicht giftig – wir trinken es in Sprudel oder Bier – aber das geruchlose Gas ist schwerer als Luft und kann in Senken, wo kein Wind herrscht, Mensch und Tier ersticken. 1986 traten große Mengen Kohlendioxid aus dem Vulkankratersee Nyos in Kamerun aus. Mehr als 1 500 Menschen kamen dabei ums Leben, ebenso alle Tiere im Umkreis von 14 km. Auch wenn die Situation in Kamerun eine völlig andere ist als in den Sandsteinschichten bei Berlin, müssen solche Speicherstätten genau überwacht werden.