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CO2-Speicherung - Ansätze, Konzepte, Trends

Seminararbeit 2009 23 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Wirtschaftsingenieurwesen

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1 Einleitung

2 Die „Carbon Capture and Storage“-Technologien
2.1 Die CO2-Abtrennung
2.1.1 CO2-Abtrennung vor der Verbrennung (Pre-Combustion)
2.1.2 CO2-Abtrennung während der Verbrennung (Oxyfuel)
2.1.3 CO2-Abtrennung nach der Verbrennung (Post-Combustion)
2.2 Der CO2-Transport
2.3 Die CO2-Speicherung
2.3.1 CO2-Speichermöglichkeiten
2.3.1.1 CO2-Speicherung auf dem Meeresboden
2.3.1.2 CO2-Speicherung in Salzkavernen
2.3.1.3 CO2-Speicherung in ungenutzten Kohlevorkommen
2.3.1.4 CO2-Speicherung in ausgeförderten Erdölfeldern
2.3.1.5 CO2-Speicherung in Gaslagerstätten
2.3.1.6 CO2-Speicherung in salinen Aquiferen
2.3.2 CO2-Speichermechanismen
2.3.3 CO2-Speicherpotenzial
2.3.4 Aktuelle CO2-Speicherprojekte

3 Voraussetzungen zur Implementierung von CCS
3.1 Langfristige Speicherfähigkeit der Endlager
3.2 Effektive Monitoring-Systeme
3.3 Rechtsrahmen
3.4 Wirtschaftlichkeit
3.5 Brückenfunktion der CCS-Technologien

4 Kritische Betrachtung der CO2-Speicherung

5 Zusammenfassung

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1 Der CCS-Gesamtprozess

2 Schematischer Ablauf der Pre-Combustion-Methode

3 Schematischer Ablauf der Oxyfuel-Methode

4 Schematischer Ablauf der Post-Combustion-Methode

5 Vergleich verschiedener CO2-Transportmöglichkeiten

6 CO2-Speichermöglichkeiten (Teil 1)

7 CO2-Speichermöglichkeiten (Teil 2)

8 CO2-Speichermechanismen

9 Überblick über mögliche CO2-Lagerstätten

10 Aktuelle Speicherprojekte weltweit

11 Darstellung verschiedener Bereiche des Monitoring

12 Bandbreite der Kosten für die CCS-Technologien

13 Zukünftige Entwicklung der Preise für CCS und CO2-Zertifikate

14 Stromgestehungskosten verschiedener Kraftwerkstypen ohne und mit CC

1 Einleitung

Der Klimawandel stellt die Weltbevölkerung im 21. Jahrhundert vor eine große Herausforderung. Aufgrund der rapide ansteigenden Treibhausgasemissionen - in erster Linie sind hier Kohlendioxid-Emissionen, kurz: CO2-Emissionen, zu nennen - kommt es zu einer signifikanten Erhöhung der globalen Durchschnittstemperatur, was schwerwiegende Folgen für den Menschen und seine Umwelt haben kann. So sind ein Anstieg des Meeresspiegels, großflächige Dürren und andere extreme Wetterereignisse nur einige der zu erwartenden Auswirkungen der globalen Erwärmung. Ziel muss es folglich sein, die Treibhausgasemissionen zu senken, um so die Erderwärmung zu stoppen, bevor sie soweit voran geschritten ist, dass die Konsequenzen nicht mehr aufgehalten werden können.

Um dieses Ziel zu erreichen, ist es von grundlegender Bedeutung, dass der Energiebedarf der Menschheit und der Klimaschutz in Einklang gebracht werden, da „ein Großteil der Treibhausgase, die der Mensch derzeit freisetzt, bei der Nutzung fossiler Energieträger für die Produktion von Wärme und Strom entsteht“[1]. Ein steigender Energiebedarf geht also mit steigenden Treibhausgasemissionen einher. Zur Entflechtung dieses Zusammenhangs muss eine globale Lösung gefunden werden. Erschwert wird dies durch die Tatsache, dass Entwicklungs- und Schwellenländer, wie China und Indien, angetrieben durch ihr rasantes Wirtschaftswachstum, einen stetig steigenden Energiebedarf aufweisen und diesen Bedarf vor allem mit möglichst kostengünstigen Kohlekraftwerken zu decken versuchen, deren Technologie aber meist veraltet und wenig effizient ist. Als Folge dessen wird der Ausstoß von CO2 weiter in die Höhe getrieben und so der Klimawandel noch beschleunigt.

Eine Reduktion von Treibhausgasemissionen ist durch eine Lösung alleine nicht zu realisieren. Vielmehr muss ein Bündel von Lösungen gefunden werden, welche jeweils einen kleinen Teil zur Emissionsreduktion beitragen. Nach heutigem Kenntnisstand unterscheidet man zwischen vier Wegen Treibhausgasemissionen zu reduzieren:

- Einsparen von Energie,
- Steigerung der Energieeffizienz,
- Ausbau erneuerbarer Energien und
- CO2-Speicherung.

Das Reduktionspotenzial der erneuerbaren Energien ist dabei am größten, gefolgt von dem der CO2-Speicherung und dem der Einsparung von Energie bzw. der Steigerung der Energieeffizienz.

Ziel dieser Seminararbeit ist es nun, eine Technologie zur Speicherung von CO2 aufzuzeigen. Dabei werden wir uns auf die technische Speicherung von CO2, nicht aber auf die biologische, z.B. die CO2-Bindung durch Aufforstung oder die CO2-Speicherung in Algen, konzentrieren. Dazu werden wir in Abschnitt 2 die „Carbon Capture and Storage“- Technologien, kurz: CCS-Technologien, vorstellen. Im dritten Abschnitt erläutern wir einige Voraussetzungen zur Implementierung von CCS, bevor wir diese Technologien in Abschnitt 4 kritisch betrachten. Abschließend fassen wir die Ergebnisse im fünften Abschnitt zusammen.

2 Die „Carbon Capture and Storage“-Technologien

„Carbon Capture and Storage“, kurz: CCS, ist die Bezeichnung für einen aus drei Teilbereichen bestehenden Prozess:

1. Abtrennung,
2. Transport und
3. Speicherung

von CO2, „das bei der Verbrennung kohlenstoffhaltiger Materialien, wie z.B. Kohle, Gas, aber auch Biomasse, im Kraftwerk entsteht“[2]. Ein Überblick über den Gesamtprozess CCS ist Abb. 1 zu entnehmen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Der CCS-Gesamtprozess

Quelle: IZ-Klima, 2009b, S. 5 (zitiert nach Total AG)

„Die Grundidee bei CO2-Abscheidung und -Lagerung [...] ist, das CO2 aufzufangen und dauerhaft von der Atmosphäre zu isolieren“[3], um so die Treibhausgasemissionen zu senken. In den folgenden Abschnitten wollen wir uns mit den einzelnen Teilprozessen, der Abtrennung, dem Transport und der Speicherung von CO2, näher auseinandersetzen.

2.1 Die CO2-Abtrennung

Unter der Abtrennung von CO2 „versteht man das Auffangen von CO2, das [...] beim Verbrennungsprozess vom Kraftwerk in die Atmosphäre entweicht“[4]. Zur Zeit werden drei Verfahren zur CO2-Abtrennung erforscht, die in der Lage sein können, 80 bis 90 Prozent des bei der Verbrennung eines Brennstoffs entstehende Kohlendioxid abzuscheiden: eine Abtrennung vor, während und nach der Verbrennung des Brennstoffs im Kraftwerk.

Bei all diesen Methoden muss allerdings bedacht werden, dass diese selbst einen hohen Energiebedarf besitzen. Dieser Bedarf führt zu einem Wirkungsgradverlust der Kraftwerke. Schätzungen zufolge können sich diese Verluste auf 8 bis 12 Prozent belaufen. Eine große Herausforderung ist es also, diese Wirkungsgradverluste durch Weiterentwicklung der Technologien zu minimieren.

2.1.1 CO2-Abtrennung vor der Verbrennung (Pre-Combustion)

Bei der Pre-Combustion-Methode wird dem jeweiligen Brennstoff das CO2 bereits vor der Energieerzeugung bzw. Verbrennung entzogen. Dazu wird der Brennstoff unter hohen „Temperaturen zu einem Synthesegas aus Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) vergast“[5]. Durch die Zugaben von Wasserdampf wird das Kohlenmonoxid dann in Kohlendioxid umgewandelt, wobei auch wieder Wasserstoff entsteht. Das CO2 kann nun aus diesem Gasgemisch mit Hilfe einer physikalischen Wäsche leicht herausgelöst werden. Im darauf folgenden Schritt wird das CO2 stark verdichtet, wodurch es seinen gasförmigen Zustand in einen flüssigen umwandelt und sich so gut transportieren lässt. Dieses Verfahren zur CO2-Abtrennung wird als „Integrated Gasification Combined Cycle“, kurz: IGCC, bei der Verwendung von Kohle, bzw. als „Natural Gas Combined Cycle“, kurz: NGCC, bei der Verwendung von Gas, bezeichnet[6].

Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass der anfallende Wasserstoff, der auf der Erde in natürlicher Form nicht vorkommt, selbst einen hohen Energiegehalt aufweist und ebenfalls zur Energieerzeugung genutzt werden kann. So beschäftigen sich zur Zeit viele Forschungsprojekte unter anderem mit dem Versuch aus Wasserstoff Treibstoffe für Autos oder Flugzeuge zu entwickeln. Abb. 2 stellt den Ablauf der Pre-Combustion-Methode schematisch dar.

Experten rechnen damit, dass die IGCC- bzw. NGCC-Verfahren in der Mitte des nächsten Jahrzehnts im großem Maßstab technisch realisierbar sein werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Schematischer Ablauf der Pre-Combustion-Methode Quelle: IZ-Klima, 2009a, S. 11.

2.1.2 CO2-Abtrennung während der Verbrennung (Oxyfuel)

Die Idee des Oxyfuel-Verfahrens ist es, den Brennstoff nicht in Luft, sondern in reinem Sauerstoff zu verbrennen (vgl. Abb. 3). Als Folge dessen bestehen die Abgase dann zum größten Teil nur noch aus Kohlendioxid - das CO2 besitzt dann einen Anteil von „über 70 Prozent“[7] - und Wasserdampf. Des Weiteren kann die bei der Verbrennung entstehende Menge des Rauchgases stark vermindert werden. Die Abtrennung des CO2 aus diesem Gemisch ist relativ leicht durch eine Kondensation des Wasserdampfs zu erreichen.

Der Nachteil dieser Methode liegt allerdings darin, dass zur Gewinnung des reinen Sauerstoffs selbst große Energiemengen benötigt werden.

Die Anwendung der Oyxfuel-Methode in der Stromerzeugung wird derzeit bereits in einer Pilotanlage in der Lausitz auf ihre Marktreife hin überprüft.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Schematischer Ablauf der Oxyfuel-Methode Quelle: IZ-Klima, 2009a, S. 12.

2.1.3 CO2-Abtrennung nach der Verbrennung (Post-Combustion)

Bei der Post-Combustion-Methode wird das bei der Verbrennung entstehende Rauchgas in seine Einzelteile zerlegt (vgl. Abb. 4). Zu den schon bisher angewendeten Verfahren der Entstickung und Entschwefelung kommt dann noch die CO2-Abtrennung hinzu. Dies geschieht mit Hilfe chemischer Reaktionen. Dazu wird das entschwefelte und entstickte Rauchgas durch eine aminhaltige Flüssigkeit geleitet. In dieser binden die Amine das CO2 und geben es durch anschließende Erhitzung der Flüssigkeit wieder ab. Das Kohlendioxid kann dann verdichtet und abtransportiert werden.

Nachteil dieser Post-Cumbustion-Technologie ist der große Platzbedarf. Die Anlagen können sich über eine Fläche von der Größe eines Fussballfeldes erstrecken. Der Vorteil der CO2-Abtrennung nach der Verbrennung liegt darin, dass dieses Verfahren bereits ausreichend erprobt ist und an einigen Standorten bereits angewendet wird. Außerdem können vorhandene Kraftwerke mit den benötigten Anlagen nachgerüstet werden, wenn dies der zur Verfügung stehende Platz zulässt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Schematischer Ablauf der Post-Combustion-Methode Quelle: IZ-Klima, 2009a, S. 12.

2.2 Der CO2-Transport

Nur in den wenigsten Fällen wird es möglich sein, das CO2 direkt am Entstehungsort auch zu speichern, da geeignete geologische Speicher dort meist nicht vorhanden sein werden. Das abgetrennte CO2 muss also zu einem Speicher transportiert werden. Aufgrund der riesigen zu erwartenden Kohlendioxidmengen kann man für einen möglichst sicheren, wirtschaftlichen und effizienten Transport nur zwei Möglichkeiten in Erwägung ziehen: den Transport per Tanker und den Transport per Pipeline (vgl. Abb. 5). Durch den Transport von Rohöl und Erdgas durch Pipelines bzw. mit Tankern hat man bereits ausreichend Erfahrungen sammeln können, sodass eine Übertragung dieser Technologien auf den CO2- Transport leicht stattfinden kann.

Das Problem liegt allerdings darin, dass die dazu benötigte Infrastruktur noch nicht vorhanden ist. Zwar existieren viele tausende Kilometer Pipeline alleine in Deutschland, allerdings können diese nicht zum Transport von CO2 genutzt werden, da diese ja bereits durch den Transport von Erdgas bzw. Rohöl ausgelastet sind. Es muss folglich ein neues CO2-Pipelinenetz geschaffen werden. Den Transport mittels Tankern betreffend, müssen neben neuen Tankschiffen auch neue Be- und Entladestationen geschaffen werden, die es ermöglichen, das CO2 sicher im Schiff zu speichern und es diesem wieder zu entziehen.

[...]


[1] IZ-Klima, 2009a, S. 6.

[2] IZ-Klima, 2009a, S. 10.

[3] Ausschuss für Bildung, Forschung und Technologiefolgenabschätzung, 2008, S. 10.

[4] IZ-Klima, 2009a, S. 11.

[5] Ebenda.

[6] Vgl. Fischedick et al., 2007, S. 13.

[7] Ausschuss für Bildung, Forschung und Technologiefolgenabschätzung, 2008, S. 13.

Details

Seiten
23
Jahr
2009
ISBN (eBook)
9783640494293
ISBN (Buch)
9783640493838
Dateigröße
913 KB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v141484
Institution / Hochschule
Technische Universität Clausthal – Institut für Elektrische Energietechnik
Note
1,3
Schlagworte
CO2-Speicherung Sequestrierung Umweltschutz CCS

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Titel: CO2-Speicherung - Ansätze, Konzepte, Trends