Kurztitel:
MONIKA
Förderkennzeichen:
03ET7089
Themen:
Neue Kraftwerksprozesse
Projektkoordination:
Technische Universität Darmstadt, Institut für Energiesysteme und Energietechnik
Laufzeit gesamt:
Dezember 2017 bis Mai 2019

Quintessenz

  • Gasförmiges CO2 wird mittels CaL-Verfahren aus dem Abgas entfernt und reagiert mit Calciumoxid zu Calciumcarbonat
  • CaL-Verfahren eignet sich für den Einsatz bei Müllverbrennungsanlagen
  • CO2-Abscheiderate an der Pilotanlage der TU Darmstadt lag bei über 90 Prozent
  • Abfall verbrennt erfolgreich im Calcinator in einer Oxyful-Feuerung, um gebundenes CO2 wieder freizusetzen
  • Überschussstrom aus der MVA für Elektrolyse nutzen und das überschüssige CO2 mit Wasserstoff zu Methanol synthetisieren

Abfall wird heute größtenteils verbrannt und das dabei entstehende Kohlendioxid (CO2) gelangt in die Atmosphäre. Im Sinne des Klimaschutzes und um die Energiewende zu unterstützen, verfolgt das Projekt MONIKA einen ganz neuen Ansatz. CO2 wird aus dem Abgas der Müllverbrennungsanlage (MVA) mit dem Carbonate-Looping-Verfahren (CaL-Verfahren) abgetrennt und in einem weiteren Prozess reagiert es mit Wasserstoff (H2) zu Methanol. Der benötigte Wasserstoff wird mittels Elektrolyse mit dem in der MVA generierten Strom synthetisiert. Um zu überprüfen, ob sich das entwickelte Verfahren für die Nachrüstung in MVA eignet, erarbeitete die Technische Universität Darmstadt ein technisches Konzept für eine Demonstrationsanlage.

Projektkontext

Betreibern von Müllverbrennungsanlagen stellt sich zunehmend das Problem, dass die Vergütung für in das Netz eingespeisten Strom abnimmt und zudem schwer planbar ist. Durch die geförderte und fluktuierende Einspeisung von Strom aus regenerativen Energiequellen, wie beispielsweise Sonne und Wind, gibt es Zeiten mit Stromüberangebot. Dann kostet es Geld, den Strom ins Netz einzuspeisen. Verwendet der Betreiber diesen Strom für die Herstellung von Wasserstoff mittels Elektrolyse, so kann der in der MVA produzierte Strom auch in Zeiten von geringen oder gar negativen Stromerlösen ökonomisch sinnvoll eingesetzt und in Form von Wasserstoff gespeichert werden. Gleichzeitig reduzieren sich die Emissionen der MVA, da CO2 aus dem Abgas abgetrennt und mit dem erzeugten Wasserstoff für die Synthese von Methan oder Methanol verwendet wird.

Forschungsfokus

Ist die Herstellung von Methanol aus dem abgetrennten CO2 einer MVA und H2 technisch möglich und ökonomisch? Dieser Frage gingen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Technischen Universität Darmstadt nach.

CO2 lässt sich effektiv mit dem Carbonate-Looping-Verfahren (CaL) aus dem Abgas entfernen, indem es mit Calciumoxid zu Calciumcarbonat reagiert. Das CaL-Verfahren verspricht einen deutlich niedrigeren Wirkungsgradverlust (circa drei Prozent bei Kohlekraftwerken) und relativ geringe CO2-Abscheidungskosten im Vergleich zu herkömmlichen Waschverfahren. Die Methode testeten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bereits erfolgreich im Pilotmaßstab (1-2 Megawatt thermisch) für die Anwendung auf Kohleraftwerke. Im Rahmen des Vorhabens MONIKA untersuchten sie, inwiefern sich das CaL-Verfahren für die CO2-Abscheidung aus den Abgasen einer MVA eignet. Dazu führten sie Versuche an einer Pilotanlage (1 Megawatt thermisch) durch. Ziel war es, durch Prozesssimulationen eine optimale Nutzung aller Stoff- und Energieströme zu erreichen. Das dynamische Verhalten des Gesamtprozesses hinsichtlich einer flexiblen Einspeisung von Strom ins Netz sollte untersucht und optimiert werden. Abschließend soll für den Bau einer Demonstrationsanlage am Standort einer MVA ein Konzept entwickelt werden.

Innovation

Das in Calciumcarbonat gebundene CO2 wird in einem zweiten Reaktor wieder freigesetzt. Dies geschieht durch einen zusätzlichen Verbrennungsprozess mit einer Temperatur von 900 Grad Celsius. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nutzen einen aus Abfall aufbereiteten Ersatzbrennstoff (SRF - Solid Recovered Fuel) und technisch reinen Sauerstoff. Dadurch erhöht sich sowohl der Durchsatz an Abfall in der MVA als auch die erzeugte Strommenge. Wendet man das CaL-Verfahren bei Kohlekraftwerken an, wird ein wesentlicher Anteil des Wirkungsgradverlusts von circa zwei bis drei Prozent durch die Bereitstellung von Sauerstoff zur Oxyfuel-Verbrennung im Calcinator (Reaktor) erzeugt. Hier setzt die neue Methode an. Das Projektteam kombiniert das CaL-Verfahren mit der Elektrolyse von Wasser. Dabei entsteht Wasserstoff und Sauerstoff. Der Sauerstoff kann für den Verbrennungsprozess im Calcinator verwendet werden. Somit ist es möglich, den Wirkungsgradverlust zu senken.

Ergebnisse

Im Rahmen von zwei Versuchskampagnen testete das Projektteam zwei Wochen rund um die Uhr das CaL-Verfahren an einer Pilotanlage der TU Darmstadt (1 Megawatt thermisch) für den Einsatz an MVA. Erstmals weltweit zeigten sie, dass entsprechend aufbereiteter Abfall, sogenannter Ersatzbrennstoff, erfolgreich im Calcinator zur Regeneration des Sorbens in einer Oxyfuel-Feuerung verbrennt, während CO2 aus einem typischen Abgas einer MVA abgetrennt wurde. Die CO2-Abscheideraten lagen bei über 90 Prozent. Außerdem sank die Chlorkonzentration im Abgas um 80-95 Prozent.

Die reine CO2-Abscheiderate ist bereits jetzt sehr gut. Verglichen mit anderen CO2-Waschverfahren liegen die Kosten ungefähr 50 Prozent günstiger.

Praxistransfer

Vor einer kommerziellen Nutzung ist die Demonstration des Verfahrens im industriellen Maßstab notwendig. Im Rahmen des Vorhabens erarbeiteten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ein technisches Konzept für eine Demonstrationsanlage. In einem weiteren Schritt stehen die Kosten für diese Anlage auf dem Prüfstand. Der Bau und Betrieb einer solchen Demonstrationsanlage erfordert eine finanzielle Unterstützung. Dies könnte beispielsweise als Reallabor im Rahmen des 7. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung verwirklicht werden.

Weitere Abbildungen

Letzte Aktualisierung: 31.07.2019

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