Dass CO2 entsteht, lässt sich oft nicht vermeiden. Aber durch kluge Verbrennungsmethoden kann man erreichen, dass sich das klimaschädliche Kohlendioxid gar nicht erst mit der Verbrennungsluft mischt. Die TU Wien forscht an Chemical Looping Combustion (CLC) – einem Verbrennungsverfahren für Kraftwerke oder grosse Industrieanlagen, das die Abscheidung von Kohlendioxid fast ohne zusätzlichen Energieaufwand ermöglicht. Nun leitet die TU Wien das neue Forschungsprojekt „SUCCESS“ mit einem Gesamtvolumen von zehn Millionen Euro. Sieben Millionen davon werden im Rahmen des FP7-Förderprogramms von der EU beigesteuert.

Zwei Verbrennungsschritte ohne Flamme
Die weltweit grösste CLC-Anlage für gasförmige Brennstoffe (wie etwa Erdgas), die derzeit in Betrieb ist, steht in den Laborräumen des Instituts für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften an der TU Wien. Dort werden Brennstoffe nicht bloss mit der Luft verbrannt, wie das sonst üblich ist, sondern der Verbrennungsprozess wird auf zwei Schritte aufgeteilt. „Bei der Verbrennung an der Luft entsteht Abgas, das zum Grossteil aus Stickstoff besteht“, erklärt Stefan Penthor vom Zero-Emission-Technologies-Team der TU Wien. „Deshalb kann man das darin enthaltene CO2 weder effizient lagern noch sinnvoll weiterverwenden.“

Brennstoff und Luft getrennt
Im zweistufigen Verbrennungsverfahren in einer CLC-Anlage kommt der Brennstoff allerdings nie in direkten Kontakt mit Luft: Brennstoff und Luft durchströmen zwei getrennte Behälter. Zwischen diesen beiden Reaktoren lässt man Metalloxid-Partikel zirkulieren. Im Luft-Reaktor nimmt das Metalloxid weiteren Sauerstoff auf, den es im Brennstoff-Reaktor dann an den Brennstoff abgibt. So wird ganz ohne Flamme oxidiert, dabei entsteht Kohlendioxid und Wasserdampf. „Wir haben nun also kein Gemisch von Luft und CO2, sondern zwei verschiedene Abgasströme“, erklärt Stefan Penthor. Aus dem Luftreaktor kommt bloss sauerstoffarme Luft ohne CO2, die bedenkenlos an die Umwelt abgegeben werden kann. Der Abgasstrom aus Kohlendioxid und Wasser, der aus dem Brennstoffreaktor kommt, wird aufgetrennt: Das Wasser kann ganz einfach auskondensiert werden, übrig bleibt fast reines CO2, das dann gespeichert oder weiterverwendet werden kann. Es gibt bereits Pilotprojekte, in denen die zeitlich unbegrenzte unterirdische Lagerung von CO2 in ehemaligen Erdgas-Lagerstätten geprüft wird.

Ähnlich wie Lottoziehung
Damit diese Art von Verbrennung funktioniert, muss das Metalloxid-Pulver dauerhaft zirkulieren und für Sauerstoff-Transport zwischen den beiden Reaktoren sorgen. Das gelingt durch das Wirbelschichtverfahren, mit dem man an der TU Wien viel Erfahrung hat: Wenn man feste Partikel auf die richtige Weise von einem Gas (etwa Luft oder Erdgas) durchströmen lässt, verhält sich die Mischung ähnlich wie eine Flüssigkeit, man spricht von „Fluidisierung“. „Man kann sich das vorstellen wie bei der Lottoziehung – dort werden die Kugeln in der Trommel von einem Luftstrom durcheinandergewirbelt – also fluidisiert“, erklärt Stefan Penthor.

Der letzte Schritt zur Markttauglichkeit
Im Prinzip hat man die Technik von CLC-Anlagen mittlerweile gut verstanden, SUCCESS soll nun in den nächsten dreieinhalb Jahren den Schritt vom Versuchsreaktor zum industriellen Anlagebau schaffen. Die Verbrennungsanlage an der TU Wien – nirgendwo auf der Welt läuft derzeit eine grössere – bringt eine Leistung von 140 Kilowatt, am Ende soll die Technologie reif für die Demonstration im industriellen Massstab sein.

Dazu müssen zwei grosse Forschungsthemen angepackt werden: Zum einen geht es um die Suche nach den optimalen Sauerstoffträgern, viele verschiedene Metalloxide kommen dafür in Frage. Zum zweiten steht das Reaktordesign selbst im Zentrum des Forschungsprojekts, hier wird die TU Wien viel Know-How beisteuern. Parallel zu „SUCCESS“ ist momentan bereits die Planung für eine Anlage in Kanada in der Grössenordnung von 10 MW recht weit fortgeschritten. Für diese Anlage soll das von der TU Wien entwickelte Reaktorkonzept verwendet werden.

Es gibt heute eine ganze Reihe von Ideen, das CO2 vom Abgas einer Verbrennungsanlage zu trennen. Man kann den Brennstoff mit reinem Sauerstoff verbrennen – dann fällt im Abgas kein Stickstoff an, man kann den Brennstoff schon vorher vom Kohlenstoff befreien – dann fällt kein CO2 an, oder man kann nachträglich das CO2 aus dem Abgasstrom auswaschen. All diese Verfahren sind allerdings aufwändig und teuer. Das CLC-Verfahren hingegen verspricht eine energieeffiziente, billige Lösung, die wohl in relativ kurzer Zeit zur Marktreife gebracht werden kann.

Text: Technische Universität Wien