Forscher tüfteln an Verbrennung mit CO2-freier Abgasluft

Wien – Forscher an der TU Wien haben ein innovatives Verbrennungsverfahren weiterentwickelt, bei dem der Ausstoß von CO2 in die Atmosphäre verhindert werden soll. Hierzu leitet die TU Wien das internationale FP7-Projekt „SUCCESS“, bei dem 16 Partnereinrichtungen aus ganz Europa zusammen arbeiten. Für das 10 Millionen Euro-Projekt steuert die EU im Rahmen des FP7-Förderprogramms sieben Mio. Euro bei.

Verbrennungsprozess aufteilen

Durch kluge Verbrennungsmethoden könne man erreichen, dass sich das klimaschädliche Kohlendioxid gar nicht erst mit der Verbrennungsluft mischt, teilte die TU Wien mit. Bei der Chemical Looping Combustion (CLC), einem Verbrennungsverfahren für Kraftwerke oder große Industrieanlagen, soll die Abscheidung von Kohlendioxid fast ohne zusätzlichen Energieaufwand möglich sein. Die weltweit größte CLC-Anlage für gasförmige Brennstoffe (wie etwa Erdgas), die derzeit in Betrieb ist, stehe in den Laborräumen des Instituts für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften an der TU Wien. Dort werden Brennstoffe nicht bloß mit der Luft verbrannt, 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.“

Oxidation ohne Flamme

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.

„Fluidisierung“ erinnert an die 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 durcheinandergewirbel – also fluidisiert“, erklärt Stefan Penthor. SUCCESS soll nun in den nächsten dreieinhalb Jahren den Schritt vom Versuchsreaktor zum industriellen Anlagebau schaffen. Die Verbrennungsanlage an der TU Wien bringt eine Leistung von 140 Kilowatt, am Ende soll die Technologie reif für die Demonstration im industriellen Maßstab sein.

Zwei große Foschungsthemen: Metalloxide und Reaktordesign

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 Megawatt recht weit fortgeschritten. Für diese Anlage soll das von der TU Wien entwickelte Reaktorkonzept verwendet werden.

© IWR, 2013