07.12.2009 · Selbst bei einer raschen Zunahme erneuerbarer Energien bleibt die Kohle auf absehbare Zeit der wichtigste Energieträger für die Stromerzeugung. Höhere Wirkungsgrade helfen, die Umweltbelastung zu verringern.
Von Georg Küffner
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Datteln IV: 600 Grad heißer Dampf wird die Turbine treiben
Keiner ist davor gefeit. Längst pfeift den Freunden der Windkraft der Widerstand von Umweltschützern um die Ohren, fürchten die doch die „Verspargelung“ der Landschaft. Neuerdings machen die Investoren großer Solarparks ähnliche Erfahrungen. So laufen etwa die Bürger der niederbayerischen Gemeinde Feldkirchen gegen eine geplante, rund 200 Hektar große Photovoltaikanlage (es wäre die größte Deutschlands) Sturm, die vom Fürstenhaus Thurn und Taxis dort auf eigenem Grund errichtet werden soll. Lange Verzögerungen können sich die Fürsten nicht leisten. Denn es droht eine Kürzung der derzeit üppigen Einspeisevergütung für Sonnenstrom.
An Widerstand, für Solarstromunternehmen noch vergleichsweise neu, sind die Betreiber von Kohlekraftwerken schon lange gewohnt, gilt ihre Technik doch nicht erst seit gestern als dreckig, antiquiert und völlig unzeitgemäß. Nicht einmal als Übergangslösung ins Zeitalter erneuerbarer Energien wird sie geduldet: Vor allem die mit dem Verbrennen der Kohle einhergehende CO2-Produktion wird ihr übelgenommen, woran die Option, das „Klimagas“ aus den Rauchgasen abzutrennen und im Untergrund wegzusperren, nichts geändert hat.
Kohlekraftwerke tragen den Löwenanteil zur deutschen Stromerzeugung
Ungeachtet ihres schlechten Ansehens tragen Kohlekraftwerke heute den Löwenanteil zur deutschen Stromerzeugung bei: 43 Prozent. Daran wird sich mittelfristig nichts ändern. Denn selbst wenn es gelingt, den Anteil der erneuerbaren Energien (wie es geplant ist) bis 2030 von heute 15 auf 30 Prozent zu verdoppeln, wird die Kohle noch lange die Stütze der Elektrizitätserzeugung bleiben. Daher ist es zumindest für einen Teil deutscher Energiepolitiker folgerichtig, ältere Kohlekraftwerke durch neue zu ersetzen, denn die erreichen deutlich höhere Wirkungsgrade als die „schlappen“ 37 Prozent, die der aktuelle Kraftwerkspark vorweisen kann. Entsprechend niedriger fallen die CO2-Emissionen aus.
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Berechnet nach dem heutigen Bedarf reichen die Kohlereserven noch mehr als 200 Jahre
Doch nicht alle der derzeit im Bau befindlichen oder geplanten Neubauten mit einer addierten Leistung von 27 270 Megawatt (MW) stehen unter einem guten Stern. So hat der dänische Energieriese Dong Energy die Pläne für eine 850-MW-Anlage in Emden gekippt. Gescheitert sind die Pläne von RWE, im saarländischen Ensdorf ein vorhandenes 430-MW-Kraftwerk auf 2000 MW zu erweitern, und sowohl in Wiesbaden (Ingelheimer Aue) als auch in Groß-Krotzenburg bei Hanau liegen Neubaupläne auf Eis oder sind ins Stocken geraten.
Zwei weitere sogenannte Konvoianlagen sind in der Planung
Auch beim Bau des bereits weit vorangekommenen größten deutschen Kohleblocks in Sichtweite der Stadt Datteln im nördlichen Ruhrgebiet (Datteln IV) sind Probleme aufgetaucht - keine technischen. Vielmehr bewertet eine vor wenigen Wochen ergangene Entscheidung des Oberverwaltungsgerichts in Münster den zuständigen Bebauungsplan als nicht rechtmäßig, denn die im Landesentwicklungsplan niedergeschriebenen Vorgaben zum Ressourcen- und Klimaschutz seien nicht genügend beachtet worden. Bauherr Eon rechnet damit, dass die Verfahrensfehler „geheilt“ werden können - und informiert ungeachtet der Querelen weiter die kleine Schar an moderner Kraftwerkstechnik interessierter Menschen über das „innovative“ Konzept der Anlage: Mit einer Leistung von 1100 MW (erzeugt mit nur einer Turbine) und einem Wirkungsgrad von 45,5 Prozent soll das Kraftwerk einen bisher unübertroffenen Spitzenwert erreichen. Eine weitgehend baugleiche Anlage wird derzeit in Rotterdam errichtet. Zwei weitere sogenannte Konvoianlagen sind in der Planung (Staudinger, Antwerpen) und werden, wie es Eon formuliert, neue Maßstäbe in der Energie-Effizienz und damit im Klimaschutz setzen.
Der Schlüssel zu diesen erwarteten Spitzenwerten liegt in bisher nicht beherrschten Dampftemperaturen. Denn wie ein schneller Blick in ein Physikbuch verrät, lässt sich die Verbrennungswärme der Kohle umso vollständiger in nutzbare Energie wie Strom umwandeln, je höher die Temperatur des auf die Turbinenschaufeln strömenden Dampfs liegt und je niedriger die der unvermeidbar an die Umgebung abgegebenen Abwärme ausfällt: Mit Datteln soll der Einstieg in die „600-Grad-Kraftwerkstechnologie“ vollzogen werden, was an die den Dampf transportierenden Rohre und an die Turbine enorme Anforderungen stellt.
Winzig kleine Partikel wurden vom Dampf mitgerissen
Selbst mit dem besten bisher verwendeten Kraftwerksstahl lässt sich der (überkritische) Dampf, der bei den Eon-Konvoianlagen den Kessel mit 600 Grad und einem Druck von 285 bar verlässt und zur Turbine strömt, nicht 200 000 Betriebsstunden lang zuverlässig kanalisieren - was einer Lebensdauer von 25 Jahren entspräche. Das haben Erfahrungen am Braunkohlekraftwerk BoA 1 in Niederaußem bei Köln gezeigt, wo der „nur“ 580 Grad heiße Dampf im Bereich des Zwischenüberhitzers an der Innenseite der Rohre eine Oxidschicht hat entstehen lassen, die sich im Laufe der Zeit löste: Winzig kleine Partikel wurden vom Dampf mitgerissen und drangsalierten die Turbinenschaufeln wie ein Sandstrahlgebläse.
Datteln ist daher auch der Einstieg in ein neues Werkstoffzeitalter, denn über den hier zum ersten Mal verwendeten Chrom-Nickel-Stahl P 92 liegen bisher nur Erfahrungen aus Nordamerika vor. Lange gab es keine deutschen Normen zu diesem „temperierten martensitischen“ Stahl. Mittlerweile ist er zertifiziert, für die Auslegung unentbehrliche Werkstoffkennblätter liegen vor. Daher weiß man auch mehr über seine Veränderungen im Alter, die man bei herkömmlichen Stählen an Gefügeveränderungen ablesen konnte. Das geht bei dem neuen Stahl nicht. Bei ihm verändert sich das Dehnverhalten, so dass man über ein sogenanntes Rohr-Monitoring permanent die Verformungszustände wichtiger Bauteile wie T-Stücke und Sammler erfasst und mit dem Auslegungszustand vergleicht.
Obwohl das Kraftwerk Datteln noch lange nicht am Netz ist, steht heute bereits fest, dass damit nicht das Ende der Fahnenstange erreicht wird. Längst arbeiten die Turbinenhersteller an 700-Grad-Turbinen, auch die Kraftwerksbetreiber erproben bereits im Steinkohlekraftwerk Scholven wichtige Komponenten, die mit sich abzeichnendem Materialmartyrium fertig werden. Ob jedoch, wie angekündigt, das erste 50-Plus-Kraftwerk bereits 2015 in Betrieb gehen wird, ist heute noch fraglich.
Produkte aus Kohlendioxid
Beim Verbrennen von Kohle fällt unweigerlich das als „Klimagift“ oder sogar schon als „Schadstoff“ bezeichnete Kohlendioxid (CO2) an, dessen Konzentration in der Atmosphäre trotz aller Bemühungen in den vergangenen Jahren weiter gestiegen ist. Für eine „nachhaltige“ und noch über lange Zeit wesentlich auf Kohle angewiesene Energiepolitik ist es daher unabdingbar, durch den Einsatz immer effizienterer Feuerungstechniken den Ausstoß von CO2 weiter zu reduzieren. Oder man trennt das bei der Verbrennung entstehende Kohlendioxid von den Rauchgasen und verbringt es in unterirdische Lagerstätten.
Doch bei diesem als CCS-Technik (Carbon Capture and Storage) bezeichneten Weg steht man derzeit erst am Anfang. Es gibt noch keine entsprechende großtechnische Anlage. Vielmehr erprobt man zum einen das Verbrennen der Kohle statt mit Luft mit reinem Sauerstoff, so dass ein Rauchgas anfällt, das zu etwa 80 Prozent aus CO2 besteht. Eine zweite Methode setzt auf das Auswaschen des CO2, ebenfalls ein überaus energieintensives Verfahren. Daher muss man damit rechnen, dass der in den vergangenen Jahrzehnten mühsam erhöhte Wirkungsgrad der Kraftwerke durch die Einführung der CCS-Technik wieder um rund zehn Prozent fallen wird. Und auch das ist in diesem Zusammenhang wichtig: Für das Verpressen des verflüssigten CO2 in unterirdische Kavernen oder ausgeschöpfte (Gas-)Lagerstätten existiert in Deutschland noch keine Rechtssicherheit. Die wird man wohl in nächster Zeit herstellen können. Es bleibt jedoch unklar, ob dieses Verfahren von der Bevölkerung nicht genauso abgelehnt wird wie der Bau neuer Kernkraftwerke.
Gibt es Alternativen? Im Koalitionsvertrag der schwarz-gelben Bundesregierung findet sich der Hinweis, man werde „die Möglichkeiten der Nutzung von Kohlendioxid im Wirtschaftskreislauf“ ausbauen. An was dabei genau gedacht wird, bleibt offen. Zugegeben, wenig ernsthaft ist der Vorschlag, mit den in Deutschland jährlich erzeugten 832 Millionen Tonnen Kohlendioxid die Sprudelproduktion zu steigern: Bei der üblichen Zugabe je Flasche von vier Litern CO2 (entspricht 7,2 Gramm) müssten 122 Billionen Flaschen gefüllt werden und verschlossen bleiben: Das Flaschenmeer würde etwa die doppelte Fläche Deutschlands in Beschlag nehmen.
Realistischere Vorschläge finden sich in einem Positionspapier der Dechema, wobei die Erwartungen, welche Mengen des globalen (von Menschen verursachten) Ausstoßes von 28 Milliarden Tonnen durch den Einsatz als kohlenstoffhaltiger Rohstoff in der Chemiebranche untergebracht werden könnten, eher ernüchtern: rund ein Prozent. Zudem gilt, dass die Herstellung von „CO2-Produkten“ ihrerseits große Mengen CO2 freisetzt, denn das Klimagas ist energiearm und lässt sich nur schwer zur Reaktion bewegen.
Heute gehen die größten CO2-Mengen in die Harnstofferzeugung, und zwar rund 108 Millionen Tonnen. Sie reagieren hier mit Ammoniak zu dem begehrten Stickstoffdünger. Weiter wird für die Produktion von Ethylenoxid als Zwischenprodukt für das Frostschutzmittel Ethylenglykol sowie für die Herstellung von Polyethylenterephthalat (PET), dem Ausgangsprodukt hochfester Plastikflaschen, CO2 benötigt (20 Millionen Tonnen). Auch der Klassiker unter den Pharmaprodukten, die Acetylsalicylsäure (ASS), besser bekannt unter dem Markennamen Aspirin, wäre ohne die Zugabe von CO2 nicht denkbar.
Deutlich eleganter entledigt sich die Natur des CO2: Mit Hilfe des Chlorophylls der Blätter entstehen in der Photosynthese - unter der Zugabe von Energie in Form der Sonnenstrahlen - Kohlehydrate. Chemiker versuchen nun mit Hilfe sogenannter Photokatalysatoren diesen Prozess industriell nachzubauen. So will man in Wasser gelöstes CO2 mit Hilfe dieser Katalysatoren unter Einstrahlung von Sonnenlicht in Kohlenmonoxid und Wasserstoff umsetzen, aus denen sich dann Methanol gewinnen ließe.
