Die Verbrennung im Griff

Von: Thorsten Karbach
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Fragwürdige Perspektive: Die Zukunft des Braunkohlekraftwerks Niederaußem ist keineswegs gesichert. Einzelne 300-Megawatt-Blöcke könnten als stille Reserve abgeschaltet werden. Foto: dpa
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Spurensuche in der Verbrennung: Die Flamme bei Kohlenstaubverbrennung in der Versuchsanlage in Aachen. Foto: Oxyflame

Aachen. EU-Gipfel im Herbst 2014 in Brüssel. Die Staats- und Regierungschefs beschließen Klimaziele für 2030. Der Ausstoß des Treibhausgases Kohlendioxid (CO2) soll im Vergleich zu 1990 verbindlich um mindestens 40 Prozent sinken. Mindestens.

 Im Dezember in Berlin stellt die Bundesregierung fest, dass sie zwischen 62 und 78 Millionen Tonnen Kohlendioxid zusätzlich einsparen muss. Im Juli in Aachen sitzt der RWTH-Professor Reinhold Kneer vor einer Prognose, die mehr als nur andeutet, dass die Klimaziele ein schwer zu erreichendes Ziel sind. Und dann sind Deutschland und Europa nur ein Teil der Welt.

Das sind die Vorzeichen unter denen Wissenschaftler aus Aachen, Bochum und Darmstadt forschen. Kneer und seine Kollegen setzen da an, wo viel Kohlendioxid freigesetzt wird: in den (Kohle-)Kraftwerken. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG hat 7,65 Millionen Euro für einen sogenannten Sonderforschungsbereich bereitgestellt.

Er heißt: Oxyflame.

Die Vision

Oxyflame steht für die Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung der Reaktion fester Brennstoffe in einer sogenannten Oxyfuel-Atmosphäre. So etwas ist Grundlagenforschung. Für alle Nicht-Beteiligten: Es geht darum herauszufinden, wie Kohle in einem Kraftwerk in einer Atmosphäre aus CO2 und Sauerstoff (O2) anstelle von Luft verbrennt.

Diese Art der Verbrennung ist beim Oxyfuel-Prozess eine Voraussetzung, um klimaschädliches Kohlendioxid aus dem Abgas von Kraftwerken zu trennen, so dass es nicht in die Luft kommt. Kneer, Leiter des Lehrstuhls für Wärme- und Stoffübertragung an der RWTH Aachen und Sprecher des Sonderforschungsbereiches, beschäftigt sich hierbei mit der Kohleverbrennung sowie der Übertragung der Wärme und will dafür „die Verbrennung in den Griff bekommen“.

Ist das gelungen, geht es natürlich um weit mehr: Es geht darum, eine Vision zu verfolgen; die von einem sauberen Kohlekraftwerk.

Umfassend wie kein Zweites

Wenn die DFG, die Institution zur Förderung von Forschung und Wissenschaft (von Bund und Ländern 2014 mit 2,73 Milliarden Euro Förderetat ausgestattet), ein Projekt als Sonderforschungsbereich unterstützt, dann verlangt sie nicht weniger als internationale Spitzenforschung.

„So umfassend gibt es kein zweites Projekt in der Kohleverbrennungsforschung“, erklärt Kneer mit Blick auf die komplexe Struktur der Forschung an drei Standorten. Zunächst haben die Wissenschaftler vier Jahre Zeit, um Fortschritte vorweisen zu können. Ein Konzept für zwölf Jahre Forschung liegt vor.

Reinhold Kneer weiß, dass das Thema hochbrisant ist. Das Erneuerbare-Energien-Gesetz, die Zukunft der Kohlekraftwerke mit ihren zigtausenden Mitarbeitern auf der einen Seite, der Ausbau regenerativer Energien auf der anderen Seite – es gibt reichlich Zündstoff.

Während in Deutschland ein geradezu radikaler Weg eingeschlagen wird, wird in aufstrebenden Industrieländern in Osteuropa, Asien und Südamerika mehr Kohle denn je in Kraftwerken verbrannt, um die Haushalte und Wirtschaft mit Wärme und Energie zu versorgen. Der Aufschwung liegt den Menschen eben näher als jede Norm zum Klimaschutz.

Würden alle deutschen Kraftwerke heute abgeschaltet, die weltweite CO2-Reduktion wäre marginal, erklärt der Lehrstuhlleiter. „Und wir können souveränen Staaten nicht vorschreiben, welchen Brennstoff sie nutzen sollten“, sagt Kneer.

Nicht sinnlos

Das heißt natürlich nicht, dass die deutschen Anstrengungen sinnlos sind und die deutschen Kohlekraftwerke weiterlaufen könnten – weil es eh keinen Unterschied macht. Im Gegenteil: Es hat durchaus Signalwirkung, dass Deutschland, ein Land mit ausgewiesener Kohletradition, seine rigiden Pläne zur Minimierung des CO2-Ausstoßes verfolgt.

Und auch die deutsche Forschung ist gefragt: Sie kann – und muss auch – der Welt zeigen, wie sie ihr Klima schützen kann. Oxyflame ist ein Ansatz. Ein wichtiger, so lange Kohlekraftwerke außerhalb Deutschlands am Netz bleiben. Und auch in Deutschland können Erneuerbare Energien die fossilen Energieträger nicht ad hoc ablösen.

Es macht also Sinn, die Verbrennung der Kohle derart zu erforschen. Bislang sind drei Verfahren bekannt, mit denen CO2 abgetrennt werden kann. In einem aufwendigen Prozess mit Abtrennung des CO2 aus dem Abgas hinter einem Kohlekraftwerk wird das CO2 mit sogenannten Aminen aus dem Abgas „ausgewaschen“ und muss anschließend davon dann auch wieder mittels Erwärmung getrennt werden.

Nach bisherigem Erkenntnisstand können bei diesem Prozess die Amine in geringeren Mengen als Leckagen austreten. Die Vermeidung solcher Lecks ist eine Herausforderung, die noch zu lösen ist, da die Anrainer rund um ein Kraftwerk diesen Stoffen nicht ausgesetzt werden sollten.

Ein zweites Verfahren sieht die Trennung mittels Vergasung vor, aber auch hier gibt es viele technische und wirtschaftliche Fragen, die noch zu lösen sind. Ein interessantes Verfahren ist dabei das Oxyfuel-Verfahren, da dieses nach einer Modifikation in bestehenden Kraftwerken eingesetzt werden kann. Auch wirtschaftlich ist dies interessant, aber auch hier gibt es bisher nur Prognosen.

Besonders hohe Temperaturen

Das sogenannte Oxyfuel-Verfahren (Oxy für Oxygen, also Sauerstoff, und Fuel für Brennstoff) ist – vereinfacht dargestellt – ein Verbrennungsverfahren, das bei Verwendung von reinem Sauerstoff als Oxidationsmittel auf besonders hohe Temperaturen von ca. 2800 Grad Celsius oder höher führt.

Diese Temperatur ist für einen konventionellen Kraftwerkskessel zu hoch. Daher ist eine Temperaturabsenkung notwendig, weshalb dem Sauerstoff Abgas beigemischt werden muss. Das bei der Verbrennung entstehende Abgas enthält neben Wasserdampf fast ausschließlich CO2. Zur Abtrennung von CO2 müssen sowohl Wasserdampf als auch die bei der Verbrennung gebildeten Schadstoffe entfernt werden. So weit, so gut.

Doch: Wer Kohlendioxid derart trennen will, muss die Verbrennung beherrschen. Und wer die Verbrennung beherrschen will, der muss wie bei Oxyflame genau hinschauen, wie Kohle eigentlich verbrennt. Und überhaupt: Was heißt hier Kohle?

Es gibt nicht die Kohle. Kohle ist organischen Ursprungs (Pflanzen), enthält zudem immer mineralische Bestandteile wie etwa Eisen, und Eisen wirkt katalytisch. Das heißt, es beschleunigt die Verbrennung. Aber der Eisenanteil ist je nach Kohle unterschiedlich. Wenn es demnach nicht die Kohle gibt, dann gibt es auch nicht die Verbrennung. Dadurch entsteht eine weitere Herausforderung für die Forschung.

So viele Faktoren

Es gibt eine zweite Schwierigkeit: In jedem Kraftwerk herrschen unterschiedliche Rahmenbedingungen. Kohlekraftwerke sind eigentlich immer Unikate. Das Kraftwerk in Niederaußem ist keineswegs mit dem in Weisweiler identisch.

Das Grundprinzip schon, aber es gibt abgesehen von der Konsistenz der Kohle so viele Faktoren, die die Verbrennung beeinflussen: Schon das Reflektieren der Wärme durch die Wände in einem Kraftwerkskessel wirkt sich auf die Verbrennung aus. Wie sind diese also beschaffen? Und dann sind da noch die Aschepartikel aus der Kohleverbrennung, die sich am Ende ablagern, wie die Ascheschicht nach dem sommerlichen Grillen auf der Terrasse. Auch sie nehmen Einfluss auf die Wärmeübertragung und dadurch auf die Verbrennung.

Also: Wie lässt sich diese hochkomplexe Verbrennung, die sich noch dazu in einem Kraftwerk in einer Größenordnung abspielt, die kein Labor der Welt – weder in Aachen noch in Bochum oder Darmstadt – eins-zu-eins kopieren kann, analysieren?

Indem die Verbrennung so gut, wie es eben geht, zerlegt wird.

Wie ein Puzzle

Wenn die Verbrennung ein Puzzle ist, dann wird es zunächst in alle Bestandteile auseinander genommen und jedes einzelne Puzzlestück genau untersucht. Dann werden einzelne Teile zusammengesetzt und zusammen untersucht.

Und mit dem umfassenden Wissen zu jedem einzelnen Teil wird dann das (Verbrennungs-)Puzzle in Form von Berechnungsverfahren und Computer-Simulationen wieder zusammengesetzt. Experiment und Simulation untersuchten jeweils einen Teilaspekt der Verbrennung. Jedes Experiment und jede Simulation wird so zum Gesamtverständnis beitragen.

Wie genau brennt Kohle am Ende in einem Kraftwerk wie Niederaußem? Oder in Weisweiler? Diese Frage interessiert die Forscher – und zwar in der Tat brennend.

Kohleverbrennung wird immer Kohleverbrennung bleiben. Die Forscher werden sie nicht neu erfinden können. Aber sie wollen sie so detailliert wie nie zuvor verstehen, um die weitere Entwicklung nachhaltig zu verbessern. Es lässt sich nur effektiv in einer Oxyfuel-Umgebung CO2 trennen, indem passgenau Sauerstoff und Abgas beigemischt wird.

Genau das ist der Knackpunkt für die Industrie. Von Seiten Eons heißt es: „Die Bereitstellung von reinem Sauerstoff beim Oxyfuel-Verfahren ist mit einem hohen Energieaufwand verbunden, der zu dem vergleichsweise geringen Aufwand für die Reinigung des CO2 nach der Verbrennung hinzu gerechnet werden muss.

Zu den weiteren Herausforderungen zählt, den Verbrennungsprozess im Kessel besser zu kontrollieren. Diese Anforderungen mit innovativen technologischen Lösungen zu meistern, gehört zu den Entwicklungsaufgaben auf dem Weg zur wirtschaftlichen Nutzung des Oxyfuel-Verfahrens.“

Folgen der Energiewende

Noch wäre es nicht wirtschaftlich, derart Kohlenstoff zu trennen, soweit es überhaupt gelingt. Wo Experten recht sicher sind: Existierende Kraftwerke ließen sich mittels des sogenannten Retrofits so nachrüsten, dass das Oxyfuel-Verfahren zum Tragen kommt. Studien und Berechnungen zeigen außerdem, dass der Wirkungsgradverlust eines Kraftwerks beim Oxyfuel-Verfahren geringer als bei anderen Verfahren sein kann.

Das Interesse an Oxyflame ist groß – weil Kraftwerksbetreiber und vor allem Kraftwerksbauer oder auch die Hersteller von Brennern die wirtschaftlichen Folgen der Energiewende und der Weltklimaziele bereits spüren. Der Branche geht es nicht gut, das ist kein Geheimnis – aber der Innovationswille ist laut Kneer ungebrochen. Ein Kohlekraftwerk ohne nennenswerte CO2-Emissionen klingt nicht nur für die Industrie gut – es scheint technisch keineswegs unmöglich zu sein.

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