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Thermooptische Messanlagen könnten Millionen Tonnen CO2 in Kohlekraftwerken einsparen

27.05.2016

Fraunhofer ISC

Das Bild zeigt das Innere eines Ofens, während Braunkohleschlacke auf 1100 °C erhitzt wird.

Kohlekraftwerke als konventionelle Energiequellen sind essenziell zur Sicherstellung der Energieversorgung. Doch aufgrund ihres hohen CO2-Austoßes gibt es großen Handlungsbedarf, um die Energiegewinnung effizienter und umweltverträglicher zu gestalten. Das Center of Device Development CeDeD des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC konnte nun in verschiedenen Projekten durch eine Verbesserung der Verbrennungsprozesse nachweisen, dass in großem Umfang der CO2-Ausstoß erheblich minimiert und primäre Energie eingespart werden kann.

Mit der Energiewende und der Abkehr von Atomkraft werden erneuerbare Energiequellen wichtiger denn je. Doch bislang kann die Energieversorgung – insbesondere die Stromerzeugung für die Grundlast – nicht allein durch saubere Sonnen-, Wind- oder Wasserkraft sichergestellt werden. Herkömmliche Energiequellen wie Mineralöl, Gas und Kohle erleben daher einen großen Aufschwung. Sie belasten jedoch aufgrund ihrer Emissionen die Umwelt und den Menschen.

Mit dem Klimaabkommen von Paris Ende 2015 beschlossen 195 Staaten, den Klimaschutz weiter voranzutreiben und die weltweiten Treibhausgasemissionen drastisch zu reduzieren. Ziel soll die Begrenzung des globalen Temperaturanstiegs auf höchstens 2 °C, wenn möglich sogar nur 1,5 °C, über dem vorindustriellen Niveau sein. Insbesondere Kohlekraftwerke erzeugen einen hohen Ausstoß an CO2-Gas und haben große Auswirkungen auf das Klima. In verschiedenen Projekten konnten Dr. Andreas Diegeler, Leiter des CeDeD, und sein Team eine enorme Reduzierung an CO2-Ausstoß in Kohlekraftanlagen aufzeigen.

Zunächst mussten die Wissenschaftler die Prozesse bei der Verbrennung von Kohle und die Entstehung von Abfallschlacke oder Gasen genau analysieren. Dafür setzten sie thermooptische Messanlagen (TOM) ein, die im Fraunhofer ISC entwickelt werden. Die Anlagen charakterisieren die Veränderungen von Materialien unter kontrollierter Atmosphäre bei unterschiedlichen Bedingungen, angefangen bei Raumtemperatur bis hin zu extrem hohen Temperaturen von bis zu 2400 °C.

Die TOM-Anlage besteht aus einem zentral gelegenen Hochtemperaturofen mit Fenstern auf beiden Seiten. Mit einer starken Lichtquelle auf der linken Seite, die das Innere des Ofens erleuchtet, und einer CMOS-Kamera mit speziellen Linsen und Filtern auf der rechten Seite ist eine exakte Beobachtung des zu verbrennenden Materials – in diesem Fall Kohle – möglich. Eine Analyse der Kamerabilder mit einer Genauigkeit von bis zu 0,3 µm erlaubt es, die Änderung der Konturen des Kohlestücks während der Verbrennung im Ofen zu messen. Zusätzlich werden durch IR-Spektroskopie und Gaschromatographie die Verbrennungsgase bestimmt und wenn erforderlich, kontrolliert Gase zugeführt. Die Reaktion der Gase und ihre Auswirkung auf den Verbrennungsprozess werden ebenfalls direkt in situ erfasst.

Mit diesen Daten gelang es dem Team von CeDeD die Verbrennungsprozesse zu optimieren und unerwünschte Abfallprodukte zu reduzieren. Bei der Verbrennung von Braunkohle konnte durch eine Absenkung der Temperatur um 50 °C im Hochofen und durch die Zuführung von Gasen eine enorme Verbesserung des Reinigungsprozesses erreicht werden und die CO2-Emission um rund 10 Prozent reduziert werden. In einem Standardverbrennungsprozess könnten somit 1000 Gramm CO2 pro Kilowattstunde (kWh) auf rund 900 Gramm gesenkt werden. Welche Auswirkungen das hat, lässt sich anhand eines modernen Braunkohlekraftwerks errechnen. Ein Kohlekraftwerk mit einer Leistung von 4 Gigawatt benötigt jährlich mehr als 30 Millionen Tonnen Kohle, um rund 30 Terawattstunden (also 30 Milliarden kWh) Energie zu erzeugen. In einem Kohlekraftwerk dieser Größe können also rund 3 Millionen Tonnen CO2 im Jahr eingespart werden.

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