Auswaschen von Kohlendioxid Rauchgas ohne CO2 ist das hehre Ziel

Von außen gesehen haben moderne Kohlekraftwerke wenig Spektakuläres. Mit ihren hoch aufragenden Schloten, ihren gigantischen Kesselhäusern und Kühltürmen sind sie für viele Stromverbraucher vor allem Ausdruck eines überkommenen Gigantismus, den man in Zeiten massenhaft aufgestellter Solarkollektoren und Windkraftanlagen für entbehrlich hält. Nach ihren Vorstellungen dürfte Strom nur noch dezentral, unmittelbar am Ort des Verbrauchs, erzeugt werden, was bei thermischen Verfahren den Vorteil böte, dass man durch das Nutzen der anfallenden Abwärme höhere Wirkungsgrade erzielen könnte. Zumindest dann, wenn für die Überschusswärme Abnehmer gefunden werden.

Vor allem mit Kohle befeuerte Kraftwerke stehen wegen der ihnen nachgesagten Feinstaubemissionen und des Kohlendioxids, das mit den Rauchgasen in die Atmosphäre abgegeben wird, in der Kritik. Wo eine neue Anlage gebaut werden soll, formieren sich umgehend Widerstandsgruppen, die gegen Argumente weitgehend resistent sind. Sie von den technischen Meisterleistungen begeistern zu wollen, die den störungsfreien Lauf der mit 3000 Umdrehungen in der Minute rotierenden Turbinen und Generatoren ermöglichen, ist vergebliche Liebesmüh: Dabei stehen diese hausgroßen, stählernen Herzen moderner Kraftwerke in Sachen Technik den vielbestaunten Formel-1-Boliden kaum nach. Mehr als 40 Jahre hat es gedauert, bis man den Schaufeln der Turbinen (und den Rohrleitungen in den Kesselhäusern) 600 Grad heißen und auf 270 bar verdichteten Dampf zumuten konnte, was Wirkungsgrade der Kraftwerke von 47 Prozent ermöglicht. Aufgrund der höheren Dampfparameter ist jedoch nicht nur der Brennstoffbedarf zurückgegangen. Auch der Ausstoß des der Klimawirksamkeit verdächtigen Kohlendioxids hat abgenommen. So reduziert sich die jährliche CO2-Abgabe eines 700-Megawatt-Blocks um rund 100.000 Tonnen, wenn es gelingt, den Wirkungsgrad nur um einen einzigen Prozentpunkt nach oben zu schrauben.

In zehn Jahren Kohlekraftwerke mit Wirkungsgraden von 50 Prozent

Eine weitere Steigerung der Effizienz scheint möglich. So will man in zehn Jahren Kohlekraftwerke mit Wirkungsgraden von 50 Prozent bauen. Doch werden auch diese Leistungssteigerungen nach heute vorherrschender Meinung nicht ausreichen, um dem Klimawandel Einhalt zu gebieten. Das auch deshalb nicht, da trotz aller Fortschritte bei der Technik erneuerbarer Energie die Kohlemenge zur Stromerzeugung in den kommenden Jahren keineswegs ab-, sondern deutlich zunehmen wird. Nach ernstzunehmenden Schätzungen könnte der Anteil erneuerbarer Energien an der Stromproduktion der Welt von heute 600 Terrawattstunden (TWh) und einem Anteil von rund drei Prozent (ohne Wasserkraft) bis zum Jahr 2030 auf 5200 TWh steigen - was ihren Anteil auf 14 Prozent schraubt. Doch steigt der Stromverbrauch der Welt wie angenommen um 2,6 Prozent im Jahr, wird man künftig mehr fossile Brennstoffe verfeuern müssen. So wird für Kohle ein Mehrverbrauch von erschreckenden 51 Prozent prognostiziert.

Damit steht fest, dass Kohlekraftwerke und viele Ingenieure, die diese hochkomplexen Anlagen konzipieren, auch künftig gebraucht werden. Jedoch kommen auf die Techniker andere Aufgaben zu als für die Kollegen, die heute kurz vor der Pensionierung stehen. Während diese mit viel Einsatz und Gehirnschmalz die Brennstoffausbeute der Kraftwerke über 30 Jahre um rund zehn Punkte von 37 Prozent (1980) auf 47 Prozent steigern konnten, was den Kohlendioxidausstoß um ein Fünftel reduzierte, werden ihre Nachfolger dieses Lebenswerk wohl mit einem Schlag zunichtemachen.

„Klimakiller“ einfangen und dauerhaft wegsperren

Denn wie die Dinge stehen, sollen künftig in Europa nur kohlendioxidfreie beziehungsweise entsprechend nachrüstbare Kohlekraftwerke genehmigt werden. Die wird es zwar nie geben, denn beim Verbrennen von Kohle fällt immer Kohlendioxid an. Man kann aber den „Klimakiller“ einfangen und dauerhaft wegsperren. Dieses Programm ist angelaufen und hat mit „Carbon Capture and Storage (CCS)“ bereits einen gut klingenden Namen. Dabei werden drei unterschiedliche Wege verfolgt, die alle den Nachteil haben, ziemlich energieintensiv zu sein: Rund zehn Prozent der über die Jahre hochgeschraubten Kraftwerksleistung werden beim Abtrennen und Verflüssigen des Kohlendioxids auf einen Schlag wegbrechen.

Die drei Techniken zur Kohlendioxidbekämpfung unterscheiden sich grundsätzlich. Dabei kann nur das erste Verfahren auf weitgehend erprobte Technik zurückgreifen, obwohl diese (natürlich) nicht zum Abtrennen des Klimagases entwickelt wurde. Vielmehr hat man die vier bis heute errichteten Kraftwerke mit vorgeschalteter Kohlevergasung (Integrated Gasification Carbon Cycle - IGCC) gebaut, um durch das Hintereinanderschalten einer Gas- und einer Dampfturbine höhere Leistungen erzielen zu können.

Um diesen Doppelnutzen, der bei (Erd-)Gaskraftwerken längst zum Stand der Technik avanciert ist, auch bei Kohle zu erzielen, darf man diese nicht verbrennen, sondern muss sie in Kohlegas verwandeln. Das schafft man in stählernen Druckreaktoren, in die außer feingemahlener Kohle Sauerstoff und Dampf „gefüllt“ werden. Das Ergebnis ist ein Rohgas aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid. In einem zweiten Schritt entsteht dann aus dem Kohlenmonoxid durch die Zugabe von Dampf Kohlendioxid, das ausgeschleust und verdichtet werden kann.

Von Staub und Schwefel befreit und getrocknet werden

Die zweite Technik setzt auf das klassische Verbrennen der Kohle, jedoch nicht mit Luft, sondern mit reinem Sauerstoff, dem man zum Kühlen der Flamme einen Großteil des anfallenden Kohlendioxids beimischt. Das Rauchgas muss anschließend „nur“ noch von Staub und Schwefel befreit und getrocknet werden. Übrig bleibt ein Abgas, das zu etwa 80 Prozent aus Kohlendioxid besteht. Das Ganze klingt einfach, hat aber seine Tücken, so muss etwa der Kessel gut gekapselt sein, damit keine Falschluft angesaugt wird.

Völlig anders sieht der dritte Lösungsweg aus. Während die Kohlevergasung wie die Kohleverbrennung mit reinem Sauerstoff voraussetzen, dass im Kampf gegen das Kohlendioxid neue Kraftwerke gebaut werden, hat das Auswaschen des Klimagases aus den Rauchgasen den Charme, dass man bestehende Kraftwerke damit nachrüsten kann - zumindest theoretisch. Denn außer sehr viel Geld - eine Kohlendioxid-Auswaschanlage hinter einem 800-Megawatt-Block wird rund 350 Millionen Euro kosten - muss ausreichend Platz vorhanden sein. Nach ersten Planungen soll mindestens noch einmal die Stellfläche des Kraftwerks nötig sein, um den Apparatismus aus Wäschern, Tanks, Wärmetauschern, Pumpen und Rohrleitungen unterzubringen, mit dem man die 14 Prozent Kohlendioxid aus dem Abgas herausholen will. Der Rest sind hauptsächlich Stickstoff und Sauerstoff aus der Luft.

Rauchgase sind eine extrem „dünne Suppe“

Was ist von den nachgeschalteten (Post-Combustion-)Verfahren zu halten? Alle haben das Manko, dass die Rauchgase eine extrem „dünne Suppe“ sind, die zudem (nur) unter Atmosphärendruck steht. Damit scheiden etwa Membranen als Trennmittel aus, mit denen sich das Kohlendioxid ausfiltern ließe. Auch mit physikalischen Lösungsmitteln wie Methanol wäre es schwierig, denn durch sie müsste das Kohlendioxid gepresst werden, damit es sich anreichert. Übrig bleiben die chemischen Waschverfahren, wie sie seit langem zur Kohlendioxid- und damit zur Kohlensäureproduktion eingesetzt werden, etwa um Fruchtsäfte zum Bitzeln zu bringen. Auch zur Erdgasaufbereitung nutzt man seit längerem chemische Waschverfahren, die jedoch mit hohen Drücken und Konzentrationen unter deutlich günstigeren Bedingungen arbeiten, als sie hinter Kohlekraftwerken anzutreffen sind.

Im Grundsatz sind sich alle Waschverfahren sehr ähnlich: Das entaschte, entschwefelte und entstickte Rauchgas wird gekühlt, bevor es in den Wäscher (Absorber) geleitet wird, in dem das Lösemittel herunterrieselt und das Kohlendioxid aufnimmt. Das gereinigte Abgas entweicht nach oben in die Umgebung, während das „beladene“ Lösungsmittel zum Desorber strömt, wo man das Kohlendioxid herauskocht. Für diesen Prozess wird dem Kraftwerk hinter der Mitteldruckturbine „richtig viel“ Dampf entnommen, Dampf, der zur Stromproduktion nicht mehr zur Verfügung steht. Abschließend muss lediglich noch das ausgetriebene Kohlendioxid verdichtet und das Lösungsmittel zurück in den Wäscher geschickt werden.

Es darf nicht flüchtig sein

Durch die Ähnlichkeit der Verfahren konzentriert sich der Wettbewerb der Anlagenbauer vor allem auf die Suche nach dem richtigen Lösungsmittel. Das muss viel können. So sollte es das Kohlendioxid gierig aufnehmen. Es darf nicht flüchtig sein, um nicht mit dem gereinigten Abgas aus dem Absorber in die Atmosphäre zu entweichen. Das Waschmittel sollte möglichst auch nicht mit den im Abgas noch enthaltenen Spurengasen wie Schwefeldioxid und Stickoxiden reagieren. Das heißt, es sollte möglichst inert sein, damit die Waschflüssigkeit lange „sauber“ bleibt und nicht ständig neu nachgefüllt werden muss. Und ganz wichtig, das Waschmittel sollte das aufgenommene Kohlendioxid mit möglichst geringem Energieaufwand wieder freigeben.

Speziell die letzte Anforderung erfüllt das Monoethanolamin (MEA), das seit langem in der Erdgasaufbereitung und bei der Kohlensäureproduktion als Waschmittel eingesetzt wird, nur unzureichend. Denn rund 60 Prozent des Energiebedarfs der Kohlendioxidabscheidung entfallen hier allein auf das Auskochen des Klimagases aus diesem Lösungsmittel. Daher ist es wenig verwunderlich, dass derzeit intensiv nach Alternativen gesucht wird: In rund einem Dutzend Labor- und Pilotanlagen werden momentan diverse Lösungsmittel getestet, über deren Zusammensetzung freilich wenig zu erfahren ist.

Sind die Lösemittel identifiziert, will man im nächsten Schritt hinter (zum Teil neu zu bauenden) Kohlekraftwerken die großtechnische Machbarkeit der Verfahren in sogenannten Demoanlagen beweisen. Bis diese Anlagen gebaut sind und Erfahrungen vorliegen, werden noch Jahre vergehen, die man nutzen will, um die Langzeitstabilität künstlich angelegter unterirdischer Kohlendioxidlager zu testen. Denn nur wenn das in erschöpfte Gas- und Öllager oder saline Aquifere gepumpte Kohlendioxid auf Dauer unter der Erde bleibt, ist der Aufwand der Abtrennung aus den Rauchgasen sinnvoll.