Helbig, Martin (2019)
Experimentelle Untersuchung des Langzeitverhaltens des Carbonate-Looping-Verfahrens im Megawatt-Technikum.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Eine der großen Herausforderungen dieser Zeit ist die Begrenzung der Freisetzung von CO2 aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe, um einer globalen Klimaerwärmung entgegenzuwirken. Eine Möglichkeit zur Verminderung von CO2-Emissionen ist die Abspaltung während des Energieumwandlungsprozesses und eine anschließende Verwertung bzw. Lagerung des CO2. Grundsätzlich kann man dabei drei verschiedene Verfahrensarten unterscheiden. Dies sind der Gasturbinenprozess mit integrierter Vergasung/Reformierung zur Abspaltung des CO2 vor der Verbrennung, die Verbrennung mit reinem Sauerstoff, Oxyfuel genannt und eine Abspaltung des CO2 aus dem Rauchgas nach der Verbrennung, beispielsweise mit der sogenannten MEA-Wäsche. Diese Verfahren haben den Nachteil relevanter Wirkungsgradeinbußen von ca. 8-14\,\%-Punkten, was den Brennstoffverbrauch und die Stromgestehungskosten erhöht. In den letzten Jahren konnten die erwartbaren Wirkungsgradverluste durch neue Ansätze und vertiefter Erforschung dieser Verfahren vermindert werden. Nach wie vor steht die Wirtschaftlichkeit und Akzeptanz dieser Verfahren für einen kommerziellen Einsatz jedoch weiter in Frage. Bei dem Carbonate-Looping-Verfahren (CaL) handelt es sich um die Absorption von CO2 mit Hilfe von Kalziumoxid (CaO), welches aus Kalkstein gewonnen werden kann. Die Abgase werden in den sogenannten Karbonator geleitet und reagieren dort bei ca. 650\,°C mit dem CaO zu Kalziumkarbonat (CaCO3). Das so gebundene CO2 wird in den zweiten Reaktor, dem sog. Kalzinator transportiert. Dort wird das CaCO3 auf eine Temperatur von ca. 900\,°C erhitzt und dadurch das CO2 wieder ausgetrieben. Während das freiwerdende CO2 zur Verdichtung und weiteren Verwertung abgeführt werden kann, wird das regenerierte CaO zurück in den Karbonator geführt. Das Carbonate-Looping-Verfahren ist eine wirkungsvolle und umweltfreundliche Methode, CO2 nach der Verbrennung aus Abgasen abzutrennen und eine Emission zu vermeiden. Der Energiebedarf und die Kosten für die CO2-Abscheidung fallen beim Carbonate-Looping-Verfahren geringer aus als bei konkurrierenden Verfahren. Die hohe Effizienz trägt wesentlich zur Ressourcenschonung, Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit bei der Energiegewinnung mit Hilfe fossiler Brennstoffe mit gleichzeitiger CO2-Abscheidung bei. An der TU Darmstadt wurde erstmals eine Versuchsanlage im Maßstab von 1 MWth aufgebaut und die prinzipielle Tauglichkeit des Verfahrens demonstriert. Im Rahmen mehrerer Forschungsvorhaben wurde die 1 MWth-Versuchsanlage hinsichtlich ihrer Funktionalität erweitert und erstmals stationäre Langzeitversuche mit unterschiedlichen Brennstoffen und Absorbentien durchgeführt. Durch das Erreichen vieler unterschiedlicher stationärer Betriebspunkte wurden ausreichend Daten gesammelt, um den flexiblen und gesicherten Einsatz des Carbonate-Looping-Verfahrens in Kraftwerken und anderen großen CO2-Quellen eingehend beurteilen zu können. Ferner existiert nun eine ausreichende Datenbasis für die Hochskalierung einer industriellen Demonstrationsanlage.

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