Oxyfuel-Verfahren

Das Oxyfuel-Verfahren ist eines der drei favorisierten Verfahren für die Abscheidung von CO₂ aus Gasgemischen. Die beiden anderen sind: Post-Combustion und Pre-Combustion.

Das Grundprinzip des Oxyfuel-Verfahrens ist die Verbrennung von kohlenstoff-haltigen Brennstoffen mit reinem Sauerstoff anstelle von Luft. Durch den fehlenden Luftstickstoff enthält das entstehende Rauchgas im Wesentlichen Kohlendioxid und Wasserdampf. Der CO₂-Anteil liegt bei etwa 80 Vol.-Prozent.

Um weitgehend reines CO₂ für den Transport und die Speicherung zu erhalten, wird der Wasserdampf durch eine Abkühlung des Rauchgases auskondensiert. Zusätzlich müssen gasförmige Begleitstoffe wie Stickstoff (N₂), Sauerstoff (O₂), Argon (Ar) und SO_x abgeschieden werden.

Nach der Verdichtung kann das weitgehend reine CO₂ per Pipeline zum Speicherort transportiert werden.

Der Sauerstoff für den Verbrennungsprozess kann mit kryogenen Luftzerlegungsanlagen oder mit Membranverfahren erzeugt werden.

Besonderheiten und Aufgabenstellungen des Oxyfuel-Verfahrens:

Verbrennungstemperatur
Wird der Brennstoff Kohle mit reinem Sauerstoff verbrannt, ist die Verbrennungstemperatur deutlich höher als bei einer konventionellen Verbrennung. Die Verbrennungstemperatur muss zur Begrenzung der Werkstoffbelastungen gesenkt werden. Dies geschieht durch eine Rauchgas-Rückführung in den Verbrennungsraum. Durch die Rauchgas-Rückführung wird zudem der Restsauerstoffgehalt im Rauchgas gesenkt.
Modifikation des Dampferzeugers
Die Verbrennung der Kohle mit reinem Sauerstoff führt wegen des fehlenden Luftstickstoffs zu deutlich geringeren Rauchgasmengen. Der sich dadurch verändernde Strahlungswärmeübergang erfordert eine Neuauslegung von Wärmetauscherflächen, Brennraumgeometrien und Brennern.
Falschlufteintritt
Ein weiteres Problem des Oxyfuel-Verfahrens ist das Eindringen von Falschluft. Der Anteil an Falschluft kann mehrere Prozent des Rauchgasvolumens betragen und sich mit zunehmender Lebensdauer des Kraftwerks erhöhen. Dies kann dazu führen, dass die geforderte CO₂-Reinheit nicht mehr erreicht wird und ein zusätzlicher Energieaufwand für die Kompression des CO₂ notwendig wird.
Effizienzsteigerung bei der Sauerstoffherstellung
Die Herstellung von reinem Sauerstoff mit herkömmlichen kryogenen Luftzerlegungsanlagen ist mit einem hohen Energieaufwand verbunden. Möglichkeiten zur Reduzierung des Energieaufwands für die Sauerstofferzeugung sind:
- Effizienzverbesserung herkömmlicher kryogener Verfahren z. B. durch den sogenannten Drei-Säulen-Prozess
- Membranverfahren zur Sauerstoffproduktion
- Chemical Looping Combustion
Entstickung und Entschwefelung
Durch die niedrigeren Rauchgasvolumenströme eines Oxyfuel-Kraftwerks liegt der Stickoxidgehalt höher als bei einem konventionellen Kraftwerk. Dies und die CO₂-Reinheitsanforderungen erfordern eine andere Konzeption von NOx-Sekundärmaßnahmen. Aus den transport- und speicherspezifischen Reinheitsanforderungen ergibt sich auch die Notwendigkeit das Rauchgas stärker zu entschwefeln.

F&E-Arbeiten zum Oxyfuel-Verfahren finden u. a. im Rahmen der COORETEC-Forschungsinitiative über das Verbundprojekt ADECOS statt.

Oxyfuel-Verfahren bilden im EU-Projekt ENCAP einen wichtigen Forschungsschwerpunkt. Über ENCAP ist eine Vielzahl von Industrieunternehmen wie z. B. ALSTOM, Siemens, Air Liquide, Vattenfall, eingebunden. Weitere Oxyfuel-Aktivitäten sind im IEA-Netzwerk Oxyfuel Combustion Network integriert.

Wesentliche Forschungsarbeiten zu Oxyfuel werden außerhalb der EU derzeit in Kanada im CANMET-Projekt an einem 300-kW-Reaktor und in Japan an einer 1,2-MW-Anlage durchgeführt. Darüber hinaus wurde 2006 in Australien das Callide-Oxyfuel-Projekt gestartet. Ziel ist das Retrofitting eines bestehenden Kohlekraftwerks mit Oxyfuel-Technik.

Begriffserläuterungen:

ADECOS: Advanced Development of the coal fired Oxyfuel Process with CO₂ Separation
COORETEC: CO2-Reduktions-Technologien
ENCAP: Enhanced Capture of CO₂

Synonym(e):

Oxyfuel-Verbrennung

Englische Übersetzung(en):

oxyfuel combustion