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Mit Rost CO2 aus Kohlekraftwerken abfangen
Forscher an der Ohio State University ein neuartiges Verfahren zur Stromerzeugung aus Kohle entwickeln, das auch die Abscheidung von Kohlendioxid-Emissionen günstiger machen soll. Die Arbeit wird mit Hilfe eines Zuschusses in Höhe von 5 Millionen US-Dollar von der neuen Advanced Research Projects Agency-Energy des US-Energieministeriums durchgeführt. Die Technologie hat sich im Labor bewährt; Forscher werden die neuen Mittel verwenden, um es in einem 250-Kilowatt-Kraftwerk im Pilotmaßstab zu demonstrieren.
Kohlenstofffalle: Dieses Laborgerät gewinnt Energie aus fossilen Brennstoffen und erzeugt einen leicht aufzufangenden Kohlendioxidstrom. Eine größere Version wird in einem neuen 250-Kilowatt-Kraftwerk getestet.
Ein Kohlekraftwerk, das auf dem sogenannten Chemical Looping basiert, würde einen hochkonzentrierten Kohlendioxidstrom produzieren. Ein solcher Strom wäre einfacher zu erfassen und unterirdisch zu speichern als die Standardmethode zur Abscheidung von verdünntem Kohlendioxid im Abgas konventioneller Kohlekraftwerke. Die neue Methode könnte es für Kohlekraftwerke günstiger machen, ausstehende Vorschriften zu CO2-Emissionen zu erfüllen.
Chemical Looping könnte eine große Verbesserung gegenüber Systemen zur Abscheidung von Kohlendioxid aus konventionellen Kraftwerken darstellen. Die typischen Systeme reduzieren die Leistung von Kohlekraftwerken um bis zu 30 Prozent und erhöhen aufgrund der geringeren Leistung und der Kosten für zusätzliches Equipment die Stromkosten um 85 Prozent. Mit Chemical Looping, sagen wir Fanxing Li , ein Forscher an der Ohio State, sehen Sie diese Energieeinbußen nicht, und als Ergebnis können wir hoffentlich beweisen, dass es billiger ist.
Die meisten Kohlekraftwerke verbrennen Kohlenstaub in der Luft, und da Luft hauptsächlich aus Stickstoff besteht, sind es auch die Abgasemissionen – nur etwa 14 Prozent sind Kohlendioxid. Man muss viel Energie verschwenden, um den Stickstoff vom Kohlendioxid zu trennen, sagt Li. Beim chemischen Looping wird die Kohle nicht direkt der Luft ausgesetzt. Stattdessen beinhaltet Looping eine Reihe chemischer Reaktionen, bei denen ein Feststoff als Zwischenprodukt zunächst Sauerstoff aus der Luft einfängt und dann an den Brennstoff überträgt – ohne Stickstoff oder andere Gase in der Luft. Die Reaktionen erzeugen Wärme, die zur Stromerzeugung verwendet werden kann, zusammen mit einem Strom von konzentriertem CO2, das leicht abgeschieden werden kann.
In der Variante des Chemical Looping, die die Forscher in der Pilotanlage einsetzen werden, wird die Kohle zunächst vergast, ein üblicher Prozess, bei dem Kohle in Synthesegas umgewandelt wird – eine Kombination aus Kohlenmonoxid und Wasserstoffgas. Das Synthesegas ist Eisenoxidpartikeln – also Rost – ausgesetzt, die als Sauerstoffträger fungieren. Bei der Reaktion mit dem Synthesegas gibt das Eisenoxid seinen Sauerstoff ab und bildet metallisches Eisen. Der Sauerstoff oxidiert das Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid und den Wasserstoff zu Wasserdampf. In diesem Stadium verlassen Dampf und Kohlendioxid das System. Der Dampf kann leicht durch Kondensieren entfernt werden, wobei hochkonzentriertes Kohlendioxid zurückbleibt, das aufgefangen und gespeichert werden kann.
Im nächsten Schritt im Chemiekreislauf wird das Eisen in eine andere Kammer befördert. Es wird dem Sauerstoff der Luft ausgesetzt und bildet in einer chemischen Reaktion Eisenoxid, die Wärme erzeugt, die zur Stromerzeugung verwendet wird. (Alternativ kann das Eisen Dampf ausgesetzt werden, um Wasserstoff für Brennstoffzellen zu erzeugen oder in einer Raffinerie zu flüssigem Brennstoff verarbeitet zu werden.) Das Eisenoxid kehrt dann in die erste Kammer zurück, um mit mehr Synthesegas zu reagieren und den Kreislauf zu schließen.
Die Implementierung eines solchen Systems in einem Großkraftwerk hat zwei große Herausforderungen, sagt David Thimsen, Senior Project Manager for Advanced Coal Generation bei der Forschungsinstitut für elektrische Energie . Die erste Herausforderung besteht darin, Mechanismen für die Bewegung des Eisens und des Eisenoxids innerhalb der Anlage zu entwickeln. Die zweite ist sicherzustellen, dass die Materialien nicht zu teuer sind. Thimsen sagt, dass sich der Ansatz der Forscher des Bundesstaates Ohio nicht als die beste Version des chemischen Loopings erweisen könnte. Die Metalloxide können zum einen teuer sein. Und das Vergasen der Kohle vor der Reaktion mit den Oxiden würde einen Energieverlust nach sich ziehen, zumal es einen Prozess der Abtrennung von Sauerstoff aus der Luft beinhaltet.
Andere Der Chemical-Looping-Ansatz wird von Alstom Power im Rahmen eines weiteren 5-Millionen-Dollar-DOE-Projekts entwickelt. In diesem System, sagt Thimsen, wird das sauerstofftragende Material aus Kalkstein gewonnen, der billig ist. Dieses System war in einer kleinen Pilotanlage erfolgreich und wird in einer größeren 3.000-Kilowatt-Prototypanlage getestet. Die Forscher des Bundesstaates Ohio befinden sich zudem in der Anfangsphase, einen Ansatz zu entwickeln, der keinen separaten Vergasungsschritt beinhaltet. Dieser Ansatz könnte 10 bis 20 Prozent effizienter sein als die Version für die Pilotanlage, sagt Li.