Kurs-Nr.: Kohlendioxid-Capture - ChemgaPrint -

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3 Inhaltsverzeichnis 1. Motivation Verfahren zur -Abtrennung Kohlendioxid-Speicherung Potenzial der stofflichen oder energetischen Verwertung von... 4 ChemgaPrint - Copyright Wiley Information Services GmbH III

4 Kurs-Nr.: Der CCS-Prozess (Carbon Capture and Storage, deutsch: Kohlenstoffabscheidung und -lagerung) dient dazu, einen Großteil des entstehenden Kohlendioxids aus Prozessabgasen abzufangen und zu speichern, damit es nicht in die Atmosphäre gelangt und zu einem Fortschreiten des Klimawandels beiträgt. Lernziele Verständnis der Umwandlung von Kohlendioxid in Sauerstoff gewinnen Einstufung Fachgebiet: Chemie / Technische Chemie / Grundoperationen Bearbeitungszeit: 45 min Schwierigkeitsgrad (Hochschule): mittel Schwierigkeitsgrad (Ausbildung): hoch Schwierigkeitsgrad (Schule): sehr hoch Vorkenntnisse Keine Weiterführende Lerneinheiten Methanol zu Wasserstoff (EAM) Methanol zu Olefin (EAM) Olefinhydrierungen (ChemgaPedia) Schlüsselworte CCS, Kohlenstoffdioxid, Wasserstoff, Oxyfuel-Prozess, Post-Combustion, Pre-Combustion, Sabatier- Prozesses, Klimawandel, Treibhauseffekt, Kohle, Erdöl, Erdgas, Solarenergie, Erneuerbare Energien, Katalyse, Katalysator Autoren Matthias Bahlmann Exzellenzcluster Engineering of Advanced Materials In Zusammenarbeit mit Prof. Peter Wasserscheid vom und dem Online: IV ChemgaPrint - Copyright Wiley Information Services GmbH

5 1. Motivation Kohlendioxid 1) ( ) ist ein farb- und geruchsloses Gas. Es ist natürlich in der Erdatmosphäre enthalten und entsteht bei Verbrennungsvorgängen, bei Fermentationsprozessen (Verrottung von organischem Material) und bei der Atmung von Menschen und Tieren. Pflanzen benötigen es für ihr Wachstum (Photosynthese), wodurch ein geschlossener -Kreislauf entsteht. Abb.1 Kohlendioxid-Kreislauf Durch die zunehmende Industrialisierung, aber auch durch die stetig wachsende Weltbevölkerung, wächst der Energiebedarf auf der Erde exponentiell an. Zu einem großen Teil wird dieser Energiebedarf durch die Verbrennung fossiler Rohstoffe (Kohle, Erdöl, Erdgas) gedeckt. Das dabei freigesetzte kann aber nur zu einem geringen Teil durch den -Kreislauf aufgenommen werden, der Rest verbleibt in der Atmosphäre und trägt so zum Treibhauseffekt bei. Als Treibhauseffekt versteht man die Absorption der von der Erdoberfläche reflektierten Sonneneinstrahlung und der damit verbundenen Erderwärmung. Die Absorption geschieht durch sogenannte Treibhausgase zu denen auch das gehört. Ohne den Treibhauseffekt würde die Temperatur der Erde bei -18 liegen. Durch die natürlich in der Atmosphäre enthaltenen Treibhausgase beträgt die mittlere Oberflächentemperatur der Erde 15. Dieser Effekt wird als natürlicher Treibhauseffekt bezeichnet. Der durch die Verbrennung von fossilen Energieträgern hervorgerufene Treibhauseffekt wird als anthropogener Treibhauseffekt bezeichnet. Die zusätzliche Erderwärmung durch den anthropogenen Treibhauseffekt bewirkt einen Klimawandel, welcher sich in der Steigerung der Oberflächentemperatur der Erde bemerkbar macht. Eine Temperaturerhöhung um wenige kann bereits immense Folgen haben (Schmelzen der Polkappen, Erhöhung des Meeresspiegels, Flutkatastrophen, Ernteausfälle usw.). Die vom Menschen hervorgerufenen -Emissionen müssen daher soweit wie möglich reduziert werden. Eine Herangehensweise ist dabei neben der Verwendung regenerativer Energiekonzepte die Minimierung der ausgestoßenen -Mengen. Der CCS-Prozess (Carbon Capture and Storage, deutsch: Kohlenstoffabscheidung und -lagerung) dient dazu, einen Großteil des entstehenden aus Prozessabgasen abzufangen und zu speichern, damit es nicht in die Atmosphäre gelangt und zu einem Fortschreiten des Klimawandels beiträgt. 1) Weitere Informationen zu Kohlenstoffdioxid ChemgaPrint - Copyright Wiley Information Services GmbH 1/6

6 2. Verfahren zur -Abtrennung Pre-Combustion Im Pre-Combustion Prozess wird das noch vor Verbrennung des Energieträgers entfernt. Kohle reagiert zusammen mit Sauerstoff und Wasser bei Temperaturen zwischen 700 und 1600 zu einem Gemisch aus hauptsächlich Wasserstoff ( ) und Kohlenmonoxid ( ). Die wichtigsten hier ablaufenden Reaktionen sind die Verbrennung der Kohle: und die Wassergasreaktion: Nach der Entstaubung des Rauchgases wird das Kohlenmonoxid im Shift-Reaktor durch weitere Zugabe von Wasserdampf unter Bildung von Wasserstoff und Kohlendioxid entfernt (Wassergas-Shift-Reaktion). Aus dem im Anschluss an den Shift-Reaktor entschwefelten Wasserstoff/Kohlendioxid-Gemisch kann das Kohlendioxid leicht durch Verdichtung abgetrennt werden. Der hierbei anfallende Wasserstoff wird zur Stromerzeugung verwendet. Post-Combustion Im Post-Combustion Prozess wird der Energieträger verbrannt, das Rauchgas entstaubt sowie entschwefelt und anschließend das über eine Amin- oder Carbonatwäsche aus dem Rauchgas entfernt (Rauchgaswäsche). Das beladene Lösungsmittel kann anschließend bei hohen Temperaturen vom befreit und für eine neue Rauchgaswäsche verwendet werden. (Abbildung: Absorber-Desorber) Das wird nahezu rein erhalten und kann zum weiteren Transport verdichtet werden. Oxyfuel-Prozess Der Oxyfuel-Prozess verwendet zur Vergasung der Kohle ein Gemisch aus reinem Sauerstoff und rezirkuliertem Rauchgas (hauptsächlich und Wasserdampf). Das bei der Verbrennung entstehende Rauchgas wird entstaubt und ein Teil des entstaubten Rauchgases wieder in den Kessel zurückgeführt. Der Rest wird entschwefelt, über einen Kondensator entwässert und das nahezu reine verdichtet. ChemgaPrint - Copyright Wiley Information Services GmbH 2/6

7 Abb.2 So funktioniert der Oxyfuel-Prozess ( Vattenfall Europe AG [1] ) Bei allen Verfahren wird mit dem Nachteil gekämpft, dass der Wirkungsgrad des Kraftwerks durch den Schritt der -Abscheidung gesenkt wird. Hierdurch steigt der Preis für den Brennstoff Kohle und macht ihn unattraktiver gegenüber anderen Energieträgern wie z.b. Erdgas. Eine weitere Frage ist, wie das abgetrennte verwendet wird. Es kann Untertage gespeichert (Frage der Sicherheit der Lagerstätten) oder in wertvolle Zwischenprodukte umgewandelt werden, was die Kosten der Abtrennung wieder ausgleichen könnte. 3. Kohlendioxid-Speicherung Untertage-Speicherung von Kohlendioxid Die Idee bei der Speicherung von ist, das Gas unter hohem Druck unter gasundurchlässige Salz- und Tonschichten zu befördern. Hierzu sollen z.b. ausgediente Erdgas- und Erdöllagerstätten dienen, da diese über viele tausend Jahre hinweg das Erdöl und Erdgas sicher lagern konnten. Weiterhin könnte das in sogenannten salinen Aquiferen (poröse, salzwasserführende Gesteinsschichten) gespeichert werden. Das würde in diese Gesteinsschichten hineingepresst, sich in den wässrigen Salzlösungen lösen und binnen weniger Jahre Bindungen mit dem porösen Gestein eingehen. Problematisch bei der Untertage-Speicherung ist die gesellschaftliche Akzeptanz. Würde eine Lagerstätte ein Leck haben und austreten, so würde es sich aufgrund seiner Dichte ( besitzt eine größere Dichte als Luft) am Boden absetzen. Bei großen Mengen wäre die Folge ein Ersticken von Mensch und Tier. So trifft ein Untertagespeicher für in der Nähe von Ballungsräumen häufig auf starke Ablehnung. Eine sichere Speicherung wäre daher nur durch stetige Kontrolle der Speicherstätte auf mögliche Leckagen und einem aufwendigen Risikomanagement möglich. ChemgaPrint - Copyright Wiley Information Services GmbH 3/6

8 4. Potenzial der stofflichen oder energetischen Verwertung von Verwertung durch Pflanzen Abb.3 Stoffliche Verwertung von Kohlendioxid Die stoffliche Verwertung von ist keine Utopie, sondern geschieht täglich in der Pflanzenwelt. Pflanzen verwerten zusammen mit Wasser und Sonnenlicht zu Kohlenstoff-Verbindungen. Eine Möglichkeit das zu verwerten ist die exotherme Reaktion mit Wasserstoff zu Methanol. Der Sabatier-Prozess Die Verwertung von kann auch mittels des Sabatier-Prozesses vorgenommen werden. Hier reagiert mit Wasserstoff zu Methan und Wasser. Methan ist ein Hauptbestandteil von Erdgas und kann somit als Energiequelle dienen. Der für beide Prozesse benötigte Wasserstoff kann mit Hilfe regenerativer Energie (z.b. Solarenergie) durch Elektrolyse von Wasser gewonnen werden. Als zusätzliches Produkt entsteht hier Sauerstoff. ChemgaPrint - Copyright Wiley Information Services GmbH 4/6

9 Abb.4 Arbeiten an dem Sabatier-System NASA-Astronaut Doug Wheelock, Expedition-2-Kommandant, arbeitet an dem Sabatier-System, um Wasser aus der Atmosphäre für die Raumstation zu extrahiert. ( Mit freundlicher Genehmigung der Nasa[2] ) Da beim Sabatier-Prozess als Nebenprodukt Sauerstoff entsteht, wird er im Zusammenhang mit der Wasserelektrolyse in der Raumfahrt eingesetzt. Aus Kohlendioxid, dem Atmungsprodukt der Astronauten, wird Treibstoff (Methan) regeneriert und aus dem dabei entstehenden Wasser, den für die Atmung benötigten Sauerstoff. Für den Prozess muss lediglich zusätzlicher Wasserstoff in den Weltraum transportiert werden. Die aufgeführten Reaktionen zur Verwertung von könnten als Speicher für erneuerbare Energien dienen. Beide Möglichkeiten wären für die chemische Industrie von großem Interesse, da als Produkte wichtige Ausgangsstoffe entstehen. ChemgaPrint - Copyright Wiley Information Services GmbH 5/6

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11 Appendix B [1] [2] ChemgaPrint - Copyright Wiley Information Services GmbH A/A