Hitze statt Kälte 20.08.2013, 16:13 Uhr

Keramik soll die kryogene Luftzerlegung ablösen

Sauerstoff für die Verbrennung von Kohle wird künftig mit Membranen aus Luft abgetrennt. Das könnte den Energieverbrauch massiv reduzieren und damit den Wirkungsgrad von Kraftwerken mit Kohlendioxidabtrennung verbessern.

Das Kraftwerk Schwarze Pumpe in Brandenburg ist eine mit Braunkohle befeuerte Doppelblockanlage.  

Das Kraftwerk Schwarze Pumpe in Brandenburg ist eine mit Braunkohle befeuerte Doppelblockanlage.  

Foto: Vattenfall

Die Idee ist faszinierend. Wenn man Kohle mit reinem Sauerstoff verbrennt, entstehen Kohlendioxid – das als Rohstoff genutzt oder gelagert werden kann, um es aus der Atmosphäre zu entfernen – und Wasser. So könnte das klimaverträgliche Kohlekraftwerk aussehen. Vattenfall demonstriert das an einer 30-Megawatt-Anlage in Schwarze Pumpe, einem Stadtteil von Spremberg in Brandenburg. Oxyfuel, wie das Verfahren genannt wird, hat nur einen Nachteil. Die Herstellung von Sauerstoff aus Luft benötigt so viel Energie, dass der Wirkungsgrad des Kraftwerks um bis zu zehn Prozentpunkte sinkt. Um die gleiche Menge Strom zu erzeugen muss dann 25 Prozent mehr Kohle verbrannt werden.

Elektronenmikroskopische Darstellung der Schnittfläche einer Keramikmembran.

Elektronenmikroskopische Darstellung der Schnittfläche einer Keramikmembran.

Quelle: Forschungszentrum Jülich

Mit keramischen Membranen soll der Energieverbrauch bei der Abtrennung von Sauerstoff aus Luft drastisch sinken. Forscher an der Technischen Hochschule Aachen und am Forschungszentrum Jülich (FZJ) entwickeln bereits seit einigen Jahren derartige Membranen, die ausschließlich Sauerstoff passieren lassen. Jetzt hat auch die Europäische Gemeinschaft die Bedeutung dieser neuartigen Sauerstoffproduktion erkannt. Im Projekt GREEN-CC (Graded Membranes for Energy Efficient New Generation Carbon Capture Process), das vom FZJ koordiniert wird, sollen Membranen entwickelt werden, die eine Abtrennung des Verbrennungsgases mit erheblich weniger Energie als bisher üblich ermöglicht. Dafür stellt die EU 5,4 Millionen Euro zur Verfügung. 15 Partner aus acht Ländern sind daran beteiligt. Am 1. September 2013 fällt der offizielle Startschuss. Bisher wird Sauerstoff durch kryogene Zerlegung der Luft hergestellt. Sie wird stark abgekühlt. Bei minus 183 Grad Celsius wird Sauerstoff flüssig und kann entnommen werden, bei minus 196 Grad verflüssigt sich Stickstoff. Zuletzt ist Helium an der Reihe. Es verflüssigt sich bei minus 269 Grad.

Mit hohem Druck und hoher Temperatur

Die Aachen-Jülicher Keramikmembran arbeitet bei einer Temperatur von 850 Grad Celsius. Erwärmt wird sie von den Rauchgasen des Kraftwerks. In das Filtermodul wird Luft mit einem Druck von 20 bar gepresst, das ist etwa zehnmal so viel wie der Druck im Reifen eines Pkw. Die Membran hält alle Bestandteile der Luft zurück, die zum größten Teil aus Stickstoff besteht. Der heiße, unter hohem Druck stehende Sauerstoff könnte zunächst einen Turbogenerator zur Stromerzeugung antreiben und dann mit Rauchgas vermischt in den Kessel geleitet werden. Das Rauchgas, das aus Kohlendioxid und Wasserdampf besteht, sorgt dafür, dass die Verbrennungstemperatur nicht zerstörerisch hoch wird.

Wie hoch die Energieeinsparung durch die neuartige Sauerstoffproduktion sein kann ist noch offen. Zudem müssen noch Techniken für die Reinigung des heißen Rauchgases entwickelt werden, das kleine Mengen an Schadstoffen enthält, die aus der Kohle stammen.

Von Wolfgang Kempkens
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