hintergrund mineralisierung

Fakultät Maschinenwesen Institut für Verfahrenstechnik und Umwelttechnik
Lehrstuhl für thermische Verfahrenstechnik und Umwelttechnik
Projektbezeichung: Mineralisierung
Projektpartner: Vattenfall Europe AG
HINTERGRUND
Der anhaltende Klimawandel (Temperaturanstieg zwischen 1906 und 2007 um 0,74 K) und
die angestiegene CO2-Konzentration in der Atmosphäre (von 260 ppm in der vorindustriellen
Zeit auf 360 ppm heute) lassen die Frage nach der Reduzierung der CO2-Emissionen im
Rahmen der Diskussion über die zukünftige Energieversorgung weiter offen. Mittelfristig ist
eine Deckung des Primärenergiebedarfs durch regenerative Energieträger nicht möglich,
sodass weiterhin fossile Energieträger genutzt werden müssen. Den von den
Energieversorgern entwickelten Brückentechnologien, welche unter dem Begriff Carbon
Capture & Storage (CCS) zusammengefasst werden, mangelt es an einer sicheren und von
der Gesellschaft akzeptierten CO2-Speichermöglichkeit. Bislang wurde die geologische
Speicherung als vielversprechendste Möglichkeit herangezogen. Dabei wird das CO2 im
überkritschen Zustand in geeignete Gesteinsschichten (z.B. saline Aquiferen) gepresst.
Aufgrund diverser politischer Entscheidungen ist diese Art der Speicherung in Deutschland
nahezu unmöglich. Hinzukommend gibt es Länder (z.B. Finnland), die über solche Gesteinsschichten nicht verfügen. Dementsprechend muss eine Alternative gefunden werden.
MINERALISIERUNG
Unter Mineralisierung versteht man die technische Adaption des natürlichen Verwitterungsvorganges. Es handelt sich um eine Chemisorption, dadurch wird das CO2 gleichzeitig aus
dem Gasstrom abgetrennt und gespeichert. Entgegen der weitverbreiteten Meinung ist
nicht Kohlenstoffdioxid die energieärmste Form des Kohlenstoffes, sondern es sind
Carbonate (vgl. Abb. 1, links).
Die Reaktion von CO2 und Metalloxiden zu Carbonaten erfolgt spontan und bedingt das
Vorhandensein von Wasser als Reaktionsmedium. Die während des Mineralisierungsprozesses ablaufenden Reaktionen sind in Abb.1, rechts dargestellt.
1
1. Lösen de
es CO2 in W
Wasser
⇄
⇄
es Metalloxxids in Wass
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2. Lösen de
(am Bsp. von Calciu
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⇄
⇄
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→
Abbildung 1 – freie Enthalpien
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Mineralisierung
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A
Abbildung
2 - Überblick über Verfahre
ensarten
Eine der großen
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(Se
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1. Metalloxxid-haltige Gesteine
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u ausschließlich in Indiien und China vor)
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 da
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mechanisch
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n) thermisch oder
c
chemisch
akktiviert werd
den
2
 es ergibt sich ein enormer Aufwand für Abbau, Transport und Aufbereitung
der Gesteine
2. industrielle Reststoffe (Kraftwerksaschen, Stahlschlacken, Rotschlamm, …)
 liegen sowohl im Vergleich zu den Gesteinen als auch zu den gesamten CO2Emissionen in geringer Menge vor
 fallen häufig direkt am Kraftwerksstandort an
 sind bedingt durch den Prozess, bei dem sie anfallen, in der Regel thermisch
und/oder chemisch aktiviert
 sehr geringer Aufwand für Abbau , Transport und Aufbereitung
Abbildung 3 - Ausgangsmaterialien für die Mineralisierung
(oben links: Olivin, unten links: Wollastonit, oben rechts: Kraftwerksasche, unten
rechts: Rotschlamm)
UNTERSUCHUNGEN AM LEHRSTUHL FÜR THERMISCHE VERFAHRENSTECHNIK
UND UMWELTTECHNIK
Bestandteil der seit 2012 laufenden Untersuchungen ist die Mineralisierung von
Kraftwerksaschen aus der Braunkohle-, Steinkohle-, Abfall- und Biomasseverbrennung sowie
Rotschlamm in einem einstufigen nassen Verfahren. Diese industriellen Reststoffe verfügen
über einen hohen Calciumoxidanteil und entsprechend über eine hohe Alkalinität. Im
3
Labormaßstab wurde ein Rührkesselreaktor aufgebaut, der die absatzweise Begasung einer
definierten Asche-/Rotschlamm-Wasser-Suspension ermöglicht (vgl. Abb. 4).
Abbildung 4 - Versuchsstand
Folgende Parameter wurden untersucht:




maximale CO2-Beladung in Abhängigkeit von Reaktionsdauer, Temperatur und CO2Partialdrucks in der Gasphase
umgesetztes Calciumoxid
Auswirkung der Mineralisierung auf die Eigenschaften der begasten Reststoffe
Abschätzung der erreichbaren Speicherrate (Verhältnis aus gespeichertem zu
emittiertem CO2)
Tabelle 1 - Experimentell ermittelte CO2-Beladungen industrieller Reststoffe bei T=30°C und
pCO2=150a/500b mbar
Reststoff
a
Asche 1
Asche 2a
Asche 3a
Asche 4a
Asche 5a
Asche 6a
Asche 7a
Asche 8a
Rotschlammb
CO2-Beladung
(experimentell)
[Gew.-%]
1,41
15,07
21,18
7,01
7,73
11,01
13,59
11,56
2,8
Reaktionszeit
[h:min]
0:47
2:27
2:56
1:07
1:21
1:00
1:00
1:00
2:00
4
Abbildung 5 - Tem
mperaturabhäängigkeit derr CO2-Beladu
ung und des Calciumoxid
dumsatzes au
usgewählter
Kraaftwerksasch
hen
Aus den Ergeb
bnissen, die
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h, dass beii
mperaturen und Reaktiionszeiten vergleichsw
v
weise hohe CO2-Belad
dungen und
d
moderaten Tem
Calciumoxidumssätze möglich sind. In dieser einffachen Umssetzung des Mineralisierungspro-onsmittel od
der dergleic
chen notwe
endig, sodass die Betrriebskosten
n
zesses wird keiin Extraktio
esamt gerin
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emessen an
n den gesam
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Emissionen eines Krafttwerkes istt
insge
es un
nter Verwendung der an
a diesem Kraftwerk
K
anfallenden
a
Asche, aufgrund ihrer vergleichs-weisse geringen Menge, nicht möglich
h eine Speic
cherrate vo
on über 2,5 Gew.-% zu
u erreichen.
Unte
er den aktue
ellen wirtschaftlichen Bedingunge
B
en ergibt sicch kein öko
onomisches Verfahren.
Zur ökonomisch
ö
hen und ökkologischen
n Verbesserung der Mineralisieru
M
ung wird der
d Prozesss
zukünftig erweittert, um 10
00 % des Calciumoxids
s umzusetzen und dab
bei reine Carbonate alss
eitere Senkung der Bettriebskosten durch die
e
Produktstoff zu gewinnen. Außerdem ist eine we
Realiisierung ein
nes quasi-tro
ockenen Ve
erfahrens möglich.
m
BELEG- / DIPL
LOMARBEITEN
abge
eschlossen



Untersucchung der CO
C 2-Mineralisierung als
s Möglichke
eit der daue
erhaften Spe
eicherung,
Christop
ph Braun, Interdisziplinääre Projekta
arbeit, Märzz 2012
Untersucchung der CO
C 2-Speiche
erung durch
h Mineralisierung von K
Kraftwerksa
aschen,
Martin Köhler,
K
Diplo
omarbeit, September 2012
2
Planung und Aufbau
u eines Versuchsstand
des zur CO2-Speicherun
ng durch
Karbonissierung, Hollger Wende
el, Großer Beleg,
B
Dezember 2012
offen
n


Erweiterrung der Laboranlage auf
a einen zw
weistufigen Prozess mit kontinuierlicher
Carbonatausfällung
Reduzierrung der no
otwendigen Prozesswa
assermenge
e durch ein quasi-trock
kenes
Verfahre
en
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VERÖFFENTLICHUNGEN & VORTRÄGE



CO2-Speicherung durch Mineralisierung kraftwerksinterner Stoffströme, 45.
Kraftwerkstechnisches Kolloquium 2013, 15.-16. Oktober, Vortrag, Köhler, M.
CO2-Speicherung durch Mineralisierung kraftwerksinterner Stoffströme,
Kraftwerkstechnik – Sichere und nachhaltige Energieversorgung – Band 5 (2013), S.
299-309, Köhler, M.; Ohle, A.; Mollekopf, N.; Burchhardt, U.; Ringel J.; Günther, T.
Status zum Projekt CO2-Mineralisierung, COORETEC AG3 - Fachtagung, 24.10.2013,
Vortrag, Burchhardt, U.; Köhler, M.
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