Untersuchung von Chemical-Looping-Combustion im Megawatt-Maßstab

Die anthropogenen Treibhausgasemissionen sind mit hoher Wahrscheinlichkeit die Hauptursache für den Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur, was erheblichen Einfluss auf unsere gesamte Umwelt hat. Um die Erderwärmung auf weniger als 2 °C im Vergleich zu vorindustriellen Zeiten zu begrenzen, ist die Nutzung von Technologien zur Abscheidung von Kohlenstoffdioxid (CO2) im Energie- und Industriesektor unumgänglich. Um CO2-Abscheideverfahren bei der Strom-, Dampf- und/oder Wärmeproduktion wirtschaftlich nutzen zu können, sind möglichst geringe Zusatzkosten für die Abscheidung von CO2 essentiell. Aufgrund der vernachlässigbaren Wirkungsgradeinbußen ermöglicht das weiterentwickelte Oxyfuel-Verfahren Chemical-Looping-Combustion geringe CO2-Vermeidungskosten und ist somit eine vielversprechende CO2-Abscheidetechnologie.

In der vorliegenden Arbeit werden experimentelle und theoretische Untersuchungen des Verfahrens Chemical-Looping-Combustion im 1 MWth Maßstab präsentiert. Bei diesem Verfahren werden zwei Wirbelschichtreaktoren eingesetzt, welche durch Kopplungselemente miteinander verbunden sind. Ein partikelförmiger Sauerstoffträger wird im ersten Reaktor durch Luftsauerstoff oxidiert und im zweiten Reaktor für die Oxidation eines kohlenstoffhaltigen Brennstoffes verwendet. Somit entstehen Stickstoff mit Restsauerstoff sowie CO2 und Wasserdampf in zwei getrennten Produktströmen. Ausgehend von bestehenden Untersuchungen sind in dieser Arbeit verfahrenstechnische Optimierungen beschrieben und umgesetzt. Während 175 Betriebsstunden Chemical-Looping-Combustion wurde die Performance des Prozesses untersucht, wobei sowohl für gasförmige als auch für feste Brennstoffe autotherme Betriebsbedingungen erzielt werden konnten. Dies stellt einen wichtigen Schritt für eine mögliche Kommerzialisierung dar. Der Umsatz an Festbrennstoff und brennbaren Gasen war niedriger als in anderen Versuchsanlagen, was ausführlich diskutiert ist und auf unterschiedliche Rahmenbedingungen zurückgeführt werden kann.

Insbesondere für Feststoffe sind weitere, modellgestützte Untersuchungen beschrieben, wobei ein Prozesssimulationsmodell entwickelt und mit Versuchsergebnissen validiert wurde. Auf dieser Grundlage folgt eine technisch-ökonomische Diskussion mit Ausführungen über CO2-Vermeidungskosten und Weiterentwicklung des Prozesses. An dieser Stelle wird das technische und wirtschaftliche Potential verschiedener Chemical-Looping-Technologien deutlich.