Projekt-Cluster

Post Combustion Capture

Forschungsansatz: CO2-Wäsche oder Membrane sind nachrüstbar

Post-Combustion-Capture wird das Verfahren genannt, mit dem nach der Verbrennung CO2 aus den Rauchgasen des Kraftwerks abgetrennt wird. Für die Nachrüstung an bestehenden Kraftwerken ist das Post-Combustion-Verfahren daher gut geeignet. Dazu eignen sich die CO2-Wäsche und Membranen.

Pilotanlage zur CO2-Wäsche am Kraftwerk Staudinger mit den beiden Kolonnen, Absorber und Desorber, in denen das Waschmittel zirkuliert. Bild: Siemens

Entwicklung von CO2-Waschmitteln

Mit den Erfahrungen von CO2-Wäschen aus Industrieprozessen wurden Abscheideverfahren für Rauchgase aus fossilen Kraftwerken entwickelt. Bei den nasschemischen Wäschen sind weitere Effizienzsteigerungen vor allem durch die Weiterentwicklung des eingesetzten Lösungsmittels zu erwarten. Ein wichtiges Forschungsziel ist die Verbesserung der Stabilität dieser Lösungsmittel gegenüber Abbauprozessen infolge chemischer Reaktionen mit im Rauchgas vorhandenen Bestandteilen. Die Forschung und Entwicklung bei den Post-Combustion-Capture-Verfahren konzentriert sich außerdem auf die Prozessintegration und die Optimierung für die Anwendung in Großkraftwerken.

 

Für die chemischen Absorptionsverfahren eignen sich als Lösungsmittel aminbasierte, ammoniakhaltige oder alkalihaltige Lösungen. Diese Lösungsmittel binden CO2 aus den Rauchgasen. Anschließend wird das CO2 aus dem beladenen Lösungsmittel in einem Regenerationsprozess entfernt. Die Regeneration des Lösungsmittels wird durch einen Temperatur- und Druckwechsel angeregt. Das Lösungsmittel wird dem Kreislauf wieder zugeführt und das abgeschiedene CO2 für den Transport und die Speicherung oder andere Nutzung konditioniert.

Absorption in flüssigen Lösungsmitteln ist eine industriell erprobte, weitverbreitete CO2-Abtrenntechnik, mit der hohe Reinheiten und Abtrenngrade erreicht werden. Die Lösungsmittel können organischer oder anorganischer Natur sein.

 

Bei den anorganischen Lösungen handelt es sich um Alkalilösungen. Das aminbasierte Abscheideverfahren wird heute kommerziell in verschiedenen Chemieprozessen, wie bei der Ammoniakherstellung eingesetzt. Monoethanolamine (MEA) hat sich als Lösungsmittel bewährt. Die Übertragung des Verfahrens auf Kraftwerksrauchgase stellt die eigentliche Herausforderung dar. Auf dieser Grundlage wurden bereits einige Waschmittel entwickelt, die für Rauchgase aus Kraftwerken geeignet sind.

Die weitere Entwicklung konzentriert sich darauf, den Verbrauch des Waschmittels zu senken, den Energieeinsatz für die Regeneration zu reduzieren und die Kosten zu senken. Wesentlicher Nachteil der aminbasierten Wäsche ist der hohe Energieaufwand für die Desorption des CO2-beladenen Lösungsmittels, der zu massiven Wirkungsgradverlusten führt.

 

Wie laufende Forschungsarbeiten zeigen, scheint der Einsatz von sogenannten sterisch gehinderten oder tertiären Aminen (aMDEA, MDEA, KS-1) mit Einsatz von Aktivatoren zur Reaktionsbeschleunigung vielversprechend, da sie weniger Energie für die Desorption sowie für Pumpen und Verdichter benötigen. Darüber hinaus lässt sich die Korrosionsgefahr verringern. Allerdings weisen sie Nachteile beim eigentlichen Absorptionsprozess auf. Für den Einsatz von aMDEA-Lösungsmitteln liegen vielfältige Erfahrungen vor, da sie vornehmlich für die Abtrennung von CO2 aus Erdgas eingesetzt werden. So umfasst allein die Referenzliste des Unternehmens BASF etwa 230 Anlagen, in denen das hergestellte aMDEA-Lösungsmittel eingesetzt wird.

 

Der Einsatz von Karbonaten stellt eine weitere interessante Option dar, da sich diese durch eine hohe thermische Stabilität, die Beständigkeit gegenüber Sauerstoff sowie relativ niedrige Ab- und Desorptionswärmen auszeichnen. Nachteilig ist die relativ niedrige Reaktionsgeschwindigkeit, die aber durch Zugabe von Additiven erhöht werden kann.

Carbonate Looping ist ein Post-Combustion-Prozess bei dem CO2 an Kalk gebunden wird. Bild: TU Darmstadt

CO2 abtrennen mit Membranen

Polymerbasierte, metallische oder keramische Membranen werden schon heute in einer Vielzahl von Prozessen zur Abtrennung von Gasen zum Beispiel bei hohem Partialdruckgefälle eingesetzt. Zurzeit werden dichte, poröse und ionen- oder elektronenleitende Membranen zur Abtrennung von CO2 in Kraftwerksprozessen erforscht.

 

Membranen sind Materialien, deren Werkstoffstrukturen eine selektive Durchdringung (Permeation) von Gasen erlauben. Die Selektivität der Membranen für die Durchlässigkeit verschiedener Gase hängt im Wesentlichen vom Membranmaterial und den Transportmechanismen ab. Der Stoffstrom des Gases durch die Membran wird maßgeblich durch die Partialdruckdifferenz der Gase auf beiden Seiten der Membran beeinflusst.

Die Trennung von Gasen durch Membranen findet bereits vielfältige Anwendung in der Industrie, zum Beispiel bei der Abtrennung von CO2 aus dem Erdgas.

Laufende Projekte zu Post Combustion Capture

METPORE II

Postcap-Braunkohlekraftwerk

Niederdruckmembran

LISA

Vorgängerprojekte

POSTCAP 2
Entwicklung eines Verfahrens zur Regeneration und Vermeidung von Desaktivierung aminosäuresalzbasierter Waschmittel zum Einsatz in CO2 -Wäschen für Kohle -und Erdgaskraftwerke
(2010-2012)


CO2-Wäsche
Chemische Absorptions-Verfahren zur CO2-Abtrennung aus Rauchgasen
(2008-2012)


CO2-Abscheidung
Verfahrenstechnische Untersuchung und Weiterentwicklung von Amin-Waschverfahren zur CO2 Abtrennung aus Kraftwerksrauchgasen
(2008-2011)


POSEIDON
Post-Combustion CO2-Abtrennung: Evaluierung der Integration, Dynamik und Optimierung nachgeschalteter Rauchgaswäschen
(2007-2011)


POSTCAP
Entwicklung eines Waschverfahrens zur Abscheidung von CO2 aus dem Rauchgas von Kohle- und Erdgaskraftwerken. Optimierung selektierter Eigenschaften der hierfür ausgewählten marktgängigen Sorbentien (Post Combustion Capture)
(2007-2010)


Carbonate Looping
Untersuchungen für das Carbonate Looping Verfahren zur CO2 Abscheidung aus Kraftwerksabgasen
(2007)


Methoden Membranen
Methodenentwicklung für die Membranentwicklung und neue Kraftwerkstechnologien
(2006-2007)

Aktuelle Publikation zu LISA

CO2-Abscheidung mit Kalk: Bestehende Kraftwerke können Emissionen mit Carbonate Looping um 90 Prozent reduzieren – zu vertretbaren Kosten
BINE-Projektinfo 01/2014