Solarenergie-Förderverein Deutschland e.V. (SFV)

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vom 09.08.2002, aktualisiert am 15.07.2006, Georg Engelhard:

CO2-freie Kohlekraftwerke - eine Mogelpackung?

Der Erfindungsreichtum des Menschen ist grenzenlos ...

Leider ist mit der Nutzung fossiler Energien zwangsläufig die Freisetzung von CO2 verbunden, welches von immer mehr Menschen als eher größeres Übel betrachtet wird. So ist es nicht verwunderlich, dass immer neue Möglichkeiten ersonnen werden, fossile Energieträger CO2-neutral auszubeuten.
Drei große Themen werden im Zusammenhang mit der CO2-neutralen Nutzung fossiler Energieträger diskutiert:

  • Die Abtrennung von CO2 aus dem Rauchgas oder dem Brennstoff fossiler Kraftwerke
  • Die Deponierung des abgetrennten CO2
  • Die Entfernung aus der Atmosphäre durch Stimulierung der natürlichen CO2-Absorption in Biomasse.

Das amerikanische Department of Energy unterstützt seit langem systematisch Forschung und Entwicklung auf diesen Gebieten. In der letzten Zeit ist jedoch auch in Deutschland immer häufiger von CO2-freien Kohlekraftwerken die Rede. Bereits im Jahr 2002 initiierte das Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit die Ausarbeitung des COORETEC-Konzepts. Etwa 100 Experten aus Wirtschaft und Forschung sollten zeigen, auf welche Weise das Ziel emissionsfreier fossil befeuerter Kraftwerke bis zum Jahr 2020 erreicht werden könnte. Kürzlich hatte Bundeskanzlerin Merkel die Ehre, den Grundstein für ein Demonstrationskraftwerk zu legen, in welchem die Abtrennung von CO2 aus dem Rauchgas eines Kohlekraftwerks erprobt werden soll. Und auch die EU fördert die Entwicklung, z. B. mit dem Projekt CO2SINK, in dem unter Leitung des Geoforschungszentrums Potsdam die Speicherung von CO2 in Salzwasserschichten untersucht wird.

Abtrennung

Die einfachste Möglichkeit, ein CO2-freies Kraftwerk zu realisieren besteht darin, das Rauchgas eines herkömmlichen fossil befeuerten Kraftwerks zu reinigen. Dazu kann eine Lösung aus Monoethanolamin (MEA) in Wasser dienen, die anschließend mit Hilfe von Wärme aus Niederdruckdampf regeneriert wird. Durch die relativ geringe CO2-Konzentration im Rauchgas liegt der Wirkungsgradverlust bei etwa 10-15 Prozentpunkten. Der Vorteil dieses Verfahrens ist die Anwendbarkeit mit praktisch allen Kraftwerkstypen. Das Verhältnis von Investitionskosten zu Wirkungsgradverlust spricht jedoch gegen eine zukünftige Anwendung. Die Stromerzeugungskosten liegen um 150 Prozent höher als bei einem modernen Referenzkraftwerk mit BoA-Technologie ("Braunkohlekraftwerk mit optimierter Anlagentechnik").

CO2-freie Kraftwerkstechniken im Vergleich

Tabelle 1: CO2-freie Kraftwerkstechniken im Vergleich

Das Problem der geringen CO2-Konzentration kann vermieden werden, wenn zur Verbrennung nicht normale Luft sondern Sauerstoff verwendet wird. Das Rauchgas besteht dann weitestgehend aus CO2 und Wasser, welche durch einfache Kondensation voneinander getrennt werden. Andere Bestandteile des Rauchgases sind überschüssiger Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Schwefel- und Stickoxide. Sauerstoff und Argon müssen während der Verflüssigung des CO2 abgetrennt werden, während die anderen Schadstoffe sowohl im Wasser, als auch im CO2 gelöst bleiben. Dieser sogenannte Oxyfuel-Prozess soll den Wirkungsgradverlust auf 8 Prozentpunkte begrenzen, erfordert allerdings eine erheblich geänderte Kraftwerkstechnik. Da die Verbrennung mit reinem Sauerstoff extrem hohe Temperaturen erzeugt, wird ein Teil des Abgases dem Sauerstoffstrom beigemischt. Die Stromerzeugungskosten sollen etwa 90 Prozent höher sein als beim Referenzkraftwerk.

Eine völlig andere Möglichkeit ist die Vergasung der Kohle, und Abtrennung des CO2 noch vor der Verbrennung. Beim IGCC-Prozess ("Integrated Gasification Combined Cycle") wird duch Teiloxidation mit Sauerstoff ein Brenngas aus Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H2) und CO2 hergestellt. Anschließend kann durch eine weitere Konvertierung das CO zu H2 und CO2 umgesetzt werden. Nach der Abtrennung des CO2 (und weiteren Gasbestandteilen wie H2S, NH3 u.a.) wird der Brennstoff in einer Art GuD-Kraftwerk verbrannt.

Weltweit gibt es inzwischen fünf Demonstrationsanlagen mit Leistungen bis 300 MW, allerdings noch ohne CO2-Wäsche. Der Gesamtwirkungsgrad liegt beim IGCC mit CO2-Abscheidung um 6 bis 10 Prozentpunkte unter demjenigen eines IGCC ohne CO2-Abscheidung. Verglichen mit anderen Verfahren ist er mit 42 bis 46 Prozent aber immer noch recht beachtlich. Die Stromerzeugungskosten würden um 80 Prozent über denen des Referenzkraftwerks liegen. Damit hat der IGCC-Prozess mit CO2-Abtrennung gegenwärtig die besten Aussichten die Technologie der Wahl zu werden.

Für alle hier beschriebenen Verfahren gilt allerdings, dass sie ihre Tauglichkeit bisher nicht im praktischen Einsatz nachweisen mussten. Wie eingangs erwähnt, wurde der erste Spatenstich für eine Demonstrationsanlage in Deutschland gerade erst getätigt. Ein kommerzieller Einsatz ist erst für die Jahre 2014 bis 2020 angedacht. Zwischenzeitlich wollen die großen Energieversorger zahlreiche neue Kohlekraftwerke auf Basis heute verfügbarer Technik neu bauen. Der übliche Abschreibungszeitraum für die verschiedenen Kraftwerksbestandteile liegt jedoch zwischen 10 und 30 Jahren, sodass mit einem schnellen Ersatz all der schönen, neuen Kraftwerke ab dem Jahr 2020 nicht ernsthaft gerechnet werden kann. Einen Beitrag zum Klimaschutz könnten CO2-freie Kohlekraftwerke erst liefern, wenn es längst zu spät ist.

Deponierung

Eine erfolgreiche Abtrennung des CO2 vorausgesetzt, müsste eine Möglichkeit der Deponierung bestehen, die das CO2 sehr langfristig bindet, keinen negativen Einfluss auf bestehende Ökosysteme hat und außerdem kostenmäßig akzeptabel ist. Hier gibt es grundsätzlich drei Ansätze.

Der erste beinhaltet das "Recycling" des CO2 mittels Sonnenenergie (z.B. durch Bakterien) zu neuer Biomasse. Wir werden diesem Punkt noch mal im letzten Abschnitt "Entfernen aus der Atmosphäre" begegnen.

Der zweite Ansatz besteht in der Verpressung des CO2 in unterirdische Lagerstätten, wobei hier wiederum drei nennenswerte Möglichkeiten zur Verfügung stehen:

  • Erdöl-/Erdgas-Lagerstätten
  • Grundwasserleiter (Aquifere)
  • Kohleflöze

Die Verpressung in Erdöl-Lagerstätten wird bereits zur Steigerung des Ertrags genutzt. Außerdem praktiziert der norwegische Ölkonzern Statoil seit 1996 die Verpressung von natürlichem CO2 aus Gasvorkommen in einem Salzwasser-Aquifer unter der Nordsee.

In den USA wird geschätzt, dass 90% der dortigen Kohleflöze nicht abbauwürdig sind, z.B. weil sie zu tief liegen, oder zu dünn sind. Diese Flöze kämen für eine Verpressung in Frage, da Kohle normalerweise Methan bindet, welches aber von CO2 leicht verdrängt wird. In Deutschland steht diese Möglichkeit in viel zu geringem Umfang zur Verfügung, um interessant zu sein. Das größte Potential in Deutschland hätten Aquifere in Tiefen unterhalb 800 m. Unter dem dort herrschenden Druck wird CO2 zu einem überkritischen Fluid, welches bei einer Dichte von ca. 650 kg/m3 kaum noch weiter kompressibel ist. Die Kapazität solcher Aquifere wird auf etwa 20 Milliarden Tonnen CO2 geschätzt. Das entspricht etwa der CO2-Produktion der deutschen Großindustrie (Kraftwerke, Stahlwerke, Raffinerien usw.) von ca. 70 Jahren.Verlässliche Kostenangaben gibt es allerdings nicht und auch die Potentialangaben sind mit großen Unsicherheiten behaftet.

Im dritten Ansatz wird das CO2 im Ozean "versenkt", in der Hoffnung, dass es dort bleibt. Theoretische Untersuchungen behaupten, dass bei einer Einbringung an mehreren Stellen und in verschiedenen Tiefen, das CO2 zu 75% über 500 Jahre im Ozean verbleibt. Allerdings sind die Zusammenhänge beim Austausch von CO2 zwischen Ozean und Atmosphäre in weiten Teilen unverstanden. Grundsätzlich lassen sich auch bei diesem Ansatz mehrere Verfahren identifizieren:

  • Einbringung über Rohre von der Küste in Tiefen unterhalb 1000m.
  • Einbringung einer dichten CO2-Seewasser-Mixtur in einer Tiefe von 500-1000m, die selbständig weiter absinkt.
  • Abwurf von Trockeneis von einem Schiff.
  • Einbringung über ein Rohr von einem Schiff in Tiefen unterhalb 1000m.
  • Schaffung eines stabilen "Sees" von CO2 in Senken unterhalb 4000m.

Weitgehend unerforscht sind die Auswirkungen auf das Ökosystem. Zu Erwarten ist eine Absenkung des pH-Wertes in der Nähe der Einspeisung von 8 auf unter 7. Dies kann Auswirkungen auf Zellmembranen und kalkhaltige Teile mariner Organismen haben. Gerade die Tiefsee ist als Lebensraum heute noch weitgehend unerforscht. Selbst der Energiekonzern RWE rechnet nicht damit, dass es akzeptable Wege geben könnte, die Ozeane als CO2-Deponien zu nutzen.

Entfernen aus der Atmosphäre

Alternativ (oder zusätzlich) zum Abtrennen und Deponieren wird überlegt, natürliche Prozesse, welche CO2 aus der Atmosphäre entfernen, zu stimulieren. Hier ist als Erstes die Aufforstung zu nennen, welche in jedem Fall sinnvoll, aber auch vollkommen unzureichend wäre.

Zum Zweiten könnten große Mengen Eisensulfat im Meer ausgebracht werden, um das Wachstum des Phytoplanktons anzuregen. Dieses ist durch Photosynthese in der Lage, CO2 in Biomasse einzubauen. Das an der Ozeanoberfläche verbrauchte CO2 wird aus der Atmosphäre ersetzt. Tatsächlich konnte auf verschiedenen Expeditionen im südlichen Eismeer eine Vervielfachung des Kieselalgenwachstums beobachtet werden. Kieselalgen dienen dem Zooplankton als Nahrung, welches wiederum von Fischen verspeist wird. Sowohl Zooplankton als auch Fische atmen Sauerstoff und geben CO2 ab. In der CO2-Bilanz ist somit nichts gewonnen. Der Effekt der CO2-Bindung soll dadurch entstehen, dass tote Biomasse ständig von den oberen Schichten in tiefere absinkt und schließlich am Meeresboden sedimentiert. Massiv gestört wird dieser Prozess durch Lebewesen in tieferen Schichten, die die herabrieselnde Biomasse abgreifen und als Nahrung nutzen. Der Kreislauf wird geschlossen durch Arten wie Haie und Wale, welche die Biomasse wieder in die oberen Schichten transportieren. Weitere Störungen verursachen Stürme und Strömungen, die die Schichten immer wieder durcheinander bringen. Es wird geschätzt, dass von dem gesamten aufgenommenen CO2 letztlich nur etwa 1 Promille am Meeresboden abgesetzt wird. Um große Mengen CO2 zu binden müssten gigantische Mengen Eisensulfat ausgebracht werden.

Ein weiteres grundsätzliches Problem besteht darin, dass der Effekt der Düngung ausschließlich dort funktioniert wo Eisen ein Engpass in der Nährstoffversorgung darstellt, und - bei immer mehr Düngung - nur solange nicht andere Nährstoffe wie Nitrat, Phosphat und Silizium (und auch Licht) zum Engpass werden. In den meisten Meeresgebieten herrscht kein Mangel an Eisen, welches vom Wind in großen Mengen vom Land herantransportiert wird. Das Südpolarmeer bildet eine Ausnahme. Hier verhindert der stabile Zirkumpolarwirbel den Austausch mit Luftmassen aus höheren Breitengraden.

Inwieweit andere Nährstoffe als Eisen einen Engpass darstellen können, ist bisher nicht eingehend untersucht.

Bei aller Unwissenheit über die Ökologie des Südpolarmeeres, kann man doch eines mit Sicherheit sagen: eine massive Eisendüngung wäre ein Spiel mit dem Feuer! Die Gefahr der Überdüngung oder eine möglicherweise unkontrollierte Ausbreitung giftiger Algenarten sind dabei noch die harmlosesten.

Das witzigste an dieser Idee ist jedoch die Vorstellung, dass hier Sonnenenergie benutzt werden soll, um fossilen Energieträgern das Überleben zu ermöglichen. Anstatt direkt Sonnenenergie zu nutzen.

Chancen der CO2-neutralen Nutzung fossiler Energieträger

Dass die weltweiten CO2-Emissionen massiv gesenkt werden müssen, um den zu erwartenden Klimawandel einigermaßen zu begrenzen, wird heute nur noch von wenigen Menschen bezweifelt. Selbst die deutschen Betreiber von fossil befeuerten Kraftwerken wollen dem nicht mehr widersprechen. Und tatsächlich scheint es auf den ersten Blick technisch und wirtschaftlich sinnvolle Möglichkeiten zu geben, die es erlauben könnten, fossile Energieträger CO2-neutral zu nutzen. Zwei grundlegende Erwägungen sprechen allerdings eher gegen massive Investitionen in die Entwicklung solcher Techniken:

  1. Die möglicherweise vorhandene Deponiekapazität reicht schon theoretisch nur für eine vorübergehende Verringerung der CO2-Emissionen. Eine parallele Entwicklung nachhaltiger Lösungen bleibt uns also keinesfalls erspart.
  2. Mit einem Ausbau in nennenswertem Umfang kann aus technischen Gründen erst irgendwann zwischen 2014 und 2020 begonnen werden. Bis dahin wird der jährliche Zubau von Anlagen erneuerbarer Energieträger bereits viel höher sein. Eine Übergangstechnik aber, die so spät kommt, dass sie von der endgültigen Lösung überholt wird, führt sich selber ad absurdum.

Es scheint wohl so zu sein, dass die CO2-freien Kohlekraftwerke wie die Atomkraft nur ein weiterer Versuch sind, das Zeitalter der zentralen Großkraftwerke noch ein paar Jahre länger am Leben zu halten.



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