Pictures of the Future    Frühjahr 2007

Kraftwerke ohne Emissionen

Schlote, aus denen schwarzer Qualm quillt – vor allem im 19. Jahrhundert war dieses Motiv für Künstler ein beliebtes Symbol für eine florierende Wirtschaft. Heute steht es eher für die Luftverschmutzung, die durch Gesetze mit stetig sinkenden Grenzwerten in Zaum gehalten wird. Der Gesetzgeber orientiert sich dabei am Stand der verfügbaren Umwelttechnik.

Beispiel Staub: Bei Kraftwerken sind heute neben Gewebefiltern vor allem elektrostatische Staubfilter in der Größe eines Mehrfamilienhauses üblich, die zu mehreren hintereinander geschaltet über 99 % des Staubes einfangen. In ihren Kanälen aus Stahlblech sind in der Mitte Drähte gespannt. Zwischen Draht und Wand erzeugt eine Hochspannung von 40 bis 100 kV ein Plasma aus positiv geladenen Ionen und Elektronen. Letztere laden den Staub negativ auf und lenken ihn an die Wände, wo die Partikel haften. Gelegentliche Erschütterungen klopfen den Staub herunter; er wird dann in Eisenbahnwaggons verladen und entsorgt.

State-of-the-art sind die Filter von Wheelabrator. Das Unternehmen in Pittsburgh, das seit Oktober 2005 zu Siemens gehört, hat mehr als 90 Jahre Erfahrung mit der Abgasfilterung und bietet Kraftwerken, Papierfabriken oder Zementherstellern die passende Ausrüstung. Dabei rückt Wheelabrator nicht nur Staub, sondern auch anderen Schadstoffen zu Leibe, etwa Stickoxiden: Hier setzen die Ingenieure auf die selektive katalytische Reduktion, bei der Harnstoff die Stickoxide zu harmlosem Stickstoff reduziert. Siemens hat in den 1990er-Jahren den SINOx-Kat entwickelt, der mit diesem Verfahren Abgase in Blockheizkraftwerken reinigt oder Stickoxidemissionen von Diesel-Lkw verringert.

Für künftige Staub-Grenzwerte werden allerdings die heutigen Filtertechniken nicht ausreichen. Dr. Werner Hartmann von Siemens Corporate Technology (CT) in Erlangen hat daher das Plasmaverfahren weiterentwickelt, um aus der geringen Staubmenge, die heutige Filter übriglassen, noch einmal 20 % wegzufangen. Dabei werden ultrakurze Hochspannungspulse im Millisekundentakt der Gleichspannung überlagert, was die Reinigungswirkung nachhaltig erhöht – bei enormer Effizienz. "Der Energieverbrauch sinkt auf die Hälfte", schwärmt Hartmann nach erfolgreichen Pilotversuchen in Stahlwerken und Kraftwerken. Energiesparen ist wichtig, denn bei einem Großkraftwerk schlucken die Filter heute bis 1 MW Leistung.

Reinigen mit Ozon. Aber auch andere Schadstoffe kann das Plasma einfangen – das hat bereits Werner von Siemens vor genau 150 Jahren erkannt, als er im Jahr 1857 für die Trinkwasserreinigung die erste technische Apparatur zur Herstellung von Ozon mit Hilfe von Hochspannung erfand. Ozon, ein sehr reaktionsfreudiges Molekül aus drei Sauerstoffatomen, oxidiert Schadstoffe wie Stickstoffmonoxid, Schwefeldioxid oder Quecksilber zu Verbindungen, die sich dann einfacher abtrennen lassen. Die neuen Plasmaverfahren von Siemens haben bei einem hohen Wirkungsgrad niedrigere Kosten als bisherige Verfahren. "Die Kraftwerksbranche ist sehr konservativ. Neues wird erst einmal kritisch beäugt", sagt Dr. Thomas Hammer von CT. Dennoch glaubt er, dass sich die Plasmatechnik durchsetzen wird, nicht zuletzt deshalb, weil die Regelungen immer strengere Grenzwerte vorsehen.

Die Umweltgesetze verlangen immer ausgefeiltere Messmethoden, denn die Betreiber von Kraftwerken, Müllverbrennungsanlagen und sogar Krematorien dürfen ihre Emissionen heute nicht mehr über den Daumen schätzen, sondern müssen exakte Messwerte lückenlos dokumentieren – für die gängigen Schadstoffe Schwefeldioxid, Stickoxide und Staub sogar alle 200 Sekunden. Bei Müllverbrennungsanlagen kommen noch Stoffe wie Quecksilber oder Dioxine hinzu, die über den Tag gemittelt werden oder stichprobenartig zu messen sind.

Siemens hat ein Gasanalysengerät entwickelt, das die Absorption von Infrarotlicht im Abgas von Kraftwerken bestimmt und daraus die Menge der abgegebenen Schadstoffe ermittelt. Das Spektrometer misst bis zu drei Stoffe gleichzeitig, meist Kohlenmonoxid, Schwefeldioxid und/oder Stickoxide sowie Sauerstoff als Bezugsgröße. Das Prinzip dahinter sei Jahrzehnte alt, sagt Dr. Michael Markus, bei Siemens Automation and Drives (A&D) in Karlsruhe für das Produktmanagement von Abgasmessanlagen zuständig. "Die Innovation steckt im ständig verbesserten Preis-Leistungs-Verhältnis." So kostet das Ultramat 23, mit dem A&D etwa ein Viertel des Markts erobert hat, je nach Ausführung nur 5 000 bis 11 500 €.

Laserlicht durch den Schornstein. Erst am Anfang stehen die Karlsruher bei Messgeräten für Müllverbrennungsanlagen. Neben einem Analysegerät für die infrarotaktiven Gaskomponenten umfasst die Produktpalette weitere Geräte für Kohlenwasserstoffe und Sauerstoff sowie eine Apparatur, die Laserlicht durch den Schornstein schickt und direkt Feuchtigkeit, Chlorwasserstoff und Ammoniak misst. Markus geht davon aus, dass sich der Ansatz der getrennten Messgeräte für verschiedene Schadstoffe bald gegen die All-in-one-Geräte der Mitbewerber durchsetzen wird – "das ist preisgünstiger und zukunftssicherer angesichts der sich ständig verschärfenden Grenzwerte, und es gefährdet nicht den Anlagenbetrieb, wenn mal eine Komponente ausfällt".

Absolutes Neuland hat Siemens bei Gaschromatographen betreten. Sie trennen beliebige gasförmige Stoffgemische innerhalb von Minuten in ihre Bestandteile und messen diese extrem genau. Was sich zur Prozessüberwachung und -steuerung in der chemischen und petrochemischen Industrie längst etabliert hat, beginnt sich bei der Emissionsmessung erst jetzt durchzusetzen, weil die Geräte recht teuer sind. Eine amerikanische Gesetzesinitiative zur Messung der Emissionen der Ölindustrie in Texas brachte hier den Durchbruch: 90 % der 380 Messstellen rund um Houston wurden im Jahr 2006 mit Gaschromatographen von Siemens ausgerüstet (siehe Bessere Luft für Houston in Pictures of the Future, Herbst 2006).

Während Abgase immer weniger Schadstoffe enthalten, harrt das Problem des Ausstoßes von Treibhausgasen wie CO₂ noch seiner Lösung. Neben Effizienzsteigerungen, Energiesparen und dem Ausbau regenerativer Energiequellen braucht man vor allem Technologien, um fossile Kraftwerke von ihrer CO₂-Last zu befreien. RWE plant, bis 2014 ein 450-MW-Kraftwerk ohne CO₂-Emissionen zu realisieren. Bis etwa 2013 will das US-Energieministerium FutureGen bauen, ein 275-MW-Kraftwerk, das Strom und Wasserstoff produzieren soll und CO₂ unterirdisch einschließt. Mehrere europäische Länder arbeiten darüber hinaus an Konzepten, CO₂ in ausgedienten Salzstöcken zu lagern oder in Öl- und Gasfelder – etwa unter die Nordsee – zu pumpen, was durch den erhöhten Druck auch noch die Ausbeute steigern würde.

Doch zuvor muss CO₂ aus dem Abgas geholt werden. Eine effiziente Methode wäre der Oxyfuel-Prozess, bei dem Kohle oder Erdgas mit reinem Sauerstoff verbrennen (siehe Eingesperrtes Kohlendioxid in Pictures of the Future, Frühjahr 2004). Damit vermeidet man, dass große Mengen Stickstoff, die drei Viertel des Luftvolumens ausmachen, nutzlos durch den Prozess geschleust werden und bei der Verbrennung Stickoxide erzeugen. Das Abgas besteht vor allem aus Kohlendioxid und Wasserdampf. Der kondensiert durch Abkühlung, übrig bleibt das CO₂, das unterirdisch gelagert wird. Oxyfuel-Kraftwerke existieren bisher erst auf Papier oder im Labor. 2008 sollen zwei Pilotanlagen mit je 30 MW in Betrieb gehen, eine in Frankreich, die andere in Brandenburg.

IGCC schluckt jeden Brennstoff. Bereits im Einsatz sind IGCC-Anlagen (Integrated Gasification Combined Cycle). Hier wird ein Brennstoff wie etwa Kohle unter Sauerstoffzufuhr in Synthesegas – vor allem Kohlenmonoxid und Wasserstoff – umgewandelt. Dieses Gas wird gereinigt, aufbereitet und in einer Gasturbine zur Stromerzeugung verbrannt. Mit dem heißen Abgas wird Dampf erzeugt, der eine Dampfturbine antreibt, wo nochmals Strom entsteht. Bei IGCC-Anlagen kann man bei der Aufbereitung des Synthesegases CO₂ abscheiden – allerdings kostet die Abtrennung, Verdichtung und Speicherung des CO₂ etwa zwölf Prozentpunkte Wirkungsgrad. Das von RWE geplante CO₂-freie Großkraftwerk wird nach diesem Prozess arbeiten.

IGCC-Anlagen sind wahre Allesfresser und verdauen auch Biomasse oder Abfälle aus der Chemieindustrie wie Asphalt und sogar Autoreifen. Oder sie verwenden die Rückstände von Raffinerien als Brennstoff und erzeugen neben Strom auch Wärme oder Wasserstoff für chemische Prozesse. Wie zukunftsträchtig Siemens IGCC einschätzt, zeigt die Übernahme der Kohlevergasungs- und Synthesegasaktivitäten der Schweizer Sustec-Gruppe im Mai 2006, deren Flugstromvergaser neben Kohle auch Biomasse, Petrolkoks und Raffinerierückstände verarbeitet. Dieser Siemens Fuel Gasifier hat einen hohen Wirkungsgrad, eine lange Lebensdauer und lässt sich leicht regeln. Das Synthesegas, das bei der Vergasung des Brennstoffs mit Sauerstoff und Wasserdampf entsteht, könnte in IGCC-Kraftwerken verwendet werden oder in Anlagen zur Produktion synthetischer Treibstoffe oder Chemikalien, die bisher aus Erdöl gewonnen wurden. Im Januar 2007 erhielt Siemens aus China einen wichtigen Auftrag für zwei 500-MW-Flugstromvergaser, die 830 000 t Dimethylether pro Jahr herstellen sollen.

Dr. Georg Rosenbauer, bei Siemens Power Generation verantwortlich für die Geschäftsentwicklung im Zusammenhang mit Klimawandel, hat die technische und ökonomische Machbarkeit der verschiedenen Verfahren der CO₂-Abtrennung untersucht. Bei IGCC mit CO₂-Abtrennung vor der Verbrennung, sagt Rosenbauer, dürften sich langfristig die CO₂-Vermeidungskosten unter 30 €/t drücken lassen. Ähnliche Werte ergeben sich bei anderen Verfahren, die aber aus heutiger Sicht noch größere Unsicherheiten bergen. Noch klafft hier eine Lücke zum CO₂-Preis im Emissionshandel, der derzeit bei etwa 16 €/t liegt. Doch strengere Emissionsziele und damit höhere Kosten der notwendigen Vermeidungsmaßnahmen dürften den CO₂-Preis langfristig wieder über die 30-€-Marke treiben und damit CO₂-Abtrennung und -Lagerung wirtschaftlich machen. "Bis dahin sind zusätzlich andere Anreizinstrumente nötig, um den Markteintritt dieser Technologie zu ermöglichen", meint Rosenbauer.

Lange Leitung mit Gleichspannung. Auch das Stromnetz spielt bei der Emissionsminderung eine wichtige Rolle. Um Energieverluste gering zu halten, sollten Hochspannungsleitungen mit Wechselspannung nicht länger als einige hundert Kilometer sein. Das geht vielleicht in Deutschland, nicht aber bei enormen Entfernungen wie etwa in China. Für die Verbindung zwischen riesigen Wasserkraftwerken im Landesinneren und Metropolen an der Küste ist die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) eine bessere Alternative (siehe HGÜ in Pictures of the Future, Frühjahr 2006).

Siemens hat bisher vier große HGÜ-Verbindungen in China gebaut, um Leistungen bis 3 000 MW pro System verlustarm zu transportieren. Doch auch für Deutschland könnte die Technik interessant werden: "Offshore-Windparks, die weiter als 50 km von der Küste entfernt sind, kann man sinnvollerweise nur mit HGÜ anbinden", sagt Dr. Hartmut Huang, Direktor für HGÜ- und FACTS-Technologien bei Siemens Power Transmission and Distribution in Erlangen.

FACTS (Flexible Wechselspannungs-Übertragungssysteme) sind moderne Anlagen mit Stromrichterventilen, die die Stabilität des Stromflusses optimieren. Damit ist es z.B. möglich, Höchstspannungsfreileitungen mit nominal 400 kV bis nahe an die erlaubte obere Grenze von 420 kV zu betreiben und durch die höhere Spannung Übertragungsverluste zu reduzieren. Noch höhere Spannungen verkraften Gas Insulated Lines (GIL), Leitungen aus Aluminium und Kupfer in einer starren Metallhülle, die mit einem isolierenden Gemisch aus den Gasen Stickstoff und Schwefelhexafluorid (SF₆) gefüllt ist. GIL sind für Gleich- und Wechselstrom bis 550 kV geeignet. Zudem können die Leitungen sowohl oberirdisch als auch unterirdisch verlegt werden – ideal für Großstädte. Bereits 2002 hat Siemens in Bangkok eine Leitung mit 550 kV gebaut, zwei Jahre später folgte eine 220 kV-Leitung in Kairo. Ein weiterer Vorteil von GIL: Die metallische Abschirmung lässt fast keine elektromagnetischen Felder nach außen dringen, die Technologie erfüllt auch die Anforderungen von dicht bebauten Ballungszentren. Hartmut Huang: "Bei gasisolierten Leitungen gibt es keinen Elektrosmog."
                                                                                                                   Bernd Müller