Energieversorgung: Kohlekraftwerke ohne Emissionen

Das Feuer zu bändigen und nutzbar zu machen, war eine der grundlegenden kulturellen Leistungen. Vom wärmenden Lagerfeuer zum Großkraftwerk, das Energie für die unzählbaren täglichen Dienste bereitstellt, die das Leben komfortabler machen, hat es ein paar Jahrtausende gedauert. Seit einigen Jahrzehnten jedoch stehen die konventionellen, fossilen Energieträger und die dazugehörenden Kraftwerkstechnologien in der Kritik. Denn mit der Stromproduktion entstehen immer noch zu viele Schadstoffe, und der Nettowirkungsgrad von etwa 40 Prozent gilt als zu niedrig. Wenn wertvolle Rohstoffe einfach verbrannt werden, sollte die ihnen innewohnende Energie auch zum größten Teil in Strom umgesetzt werden. Hinzu kommt neuerdings die Kohlendioxidproblematik. Das inerte, in geringen Konzentrationen ungiftige Gas wird als Verstärker des natürlichen Treibhauseffektes angesehen und deshalb ebenfalls als Schadstoff betrachtet.

40 GW neue Kraftwerksleistung

Da die Erde zwar immer weniger Erdöl, aber mindestens für Jahrhunderte noch Kohle bereitstellen kann, wird seit einiger Zeit wieder massiv in die Entwicklung neuer Technologien investiert, um aus der Kohle einen schadstoffarmen Energieträger zu machen, der mit hohem Wirkungsgrad in umweltfreundlichen, emissionsarmen und dennoch wirtschaftlich arbeitenden Kohlekraftwerken verbrannt werden kann. Demnächst wird der Bedarf an neuen Kraftwerken wieder zunehmen. Denn viele Kohlekraftwerke müssen altersbedingt ersetzt werden, und die Abschaffung der Kernkraft vor dem ursprünglich geplanten Laufzeitenende der Reaktoren begründet einen zusätzlichen Bedarf.

Zwischen 2010 und 2020 müssen allein für Deutschland 40 Gigawatt an neuer Kraftwerksleistung installiert werden. Mit fossilen Brennstoffen befeuerte Anlagen haben aber nur dann eine Chance auf Verwirklichung, wenn sie ökologisch akzeptabel und darüber hinaus auf dem Weltmarkt konkurrenzfähig sind. Trotz all der Debatten hat die deutsche Kraftwerkstechnologie weltweit den höchsten Standard. Die aktuelle intensive Forschung wird dies auch weiterhin gewährleisten.

COORETEC – das Programm für die Zukunft

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit hat im Februar 2002 gemeinsam mit Stromerzeugern, Verbänden und Universitäten die Initiative COORETEC (CO₂-Reduktionstechnologien) zur Entwicklung emissionsarmer, fossil befeuerter Kraftwerke vorgestellt. Die weltweit installierte Leistung aller Kohlekraftwerke liegt bei 1000 Gigawatt, der durchschnittliche Wirkungsgrad bei 30%. Moderne Steinkohle- und Braunkohlekraftwerke erreichen jedoch einen Nettowirkungsgrad von bis zu 47% bzw. 45%. Entsprächen alle Kohlekraftwerke diesem Standard, ließen sich die CO₂-Emissionen weltweit allein durch Effizienzsteigerung um ein Drittel senken.

Bei einer so komplexen Technologie wie der eines Großkraftwerkes gibt es naturgemäß viele Ansatzpunkte zur Optimierung. Erstaunlicher Weise ist der Verbrennungsprozess noch immer Gegenstand intensiver Forschung. Hier schlummert nach Einschätzung der Fachleute noch ein großes Verbesserungspotenzial. Die experimentelle Untersuchung und die mathematische Modellierung der Verbrennungsprozesse, vor allem die sehr unterschiedlichen Zeit-, Längen- und Geschwindigkeitsskalen der beteiligten Vorgänge werden derzeit intensiv erforscht.

Beispielsweise liegen die charakteristischen Geschwindigkeiten laminarer Flammen im Bereich von 50 cm pro Sekunde. Die Schallwellen, die für die Brennkammerschwingung wichtig sind, breiten sich dagegen mit mehreren hundert Metern je Sekunde aus. Während die Flammendicke etwa nur einen Millimeter beträgt, ist die Brennkammer eines großen Kraftwerkes über einhundert Meter lang. Hier kann also noch viel getan werden, um die Verbrennungskinetik zu verbessern. Doch das ist nur eine von vielen Detailaufgaben.
 

Die ersten Pilotkraftwerke laufen

Die Entwicklung neuer Kraftwerkslinien führt über ein abgestuftes Konzept. Kurz- und mittelfristig muss die Prozesstechnik weiter optimiert werden. Konventionelle Dampfkraftwerke, in denen Wasserdampf über eine Dampfturbine einen Generator zur Stromerzeugung antreibt, kommen bisher nur auf Wirkungsgrade von etwa 40 Prozent. Eine spürbare Erhöhung des Wirkungsgrades auf weit über 50 Prozent erwartet man von Gas- und Dampfturbinenkraftwerken (GUD) mit integrierter Kohlevergasung. Seit 1993 arbeitet in Buggenem, in Holland, ein solches Kraftwerk zu Versuchszwecken, das allerdings erst einen Wirkungsgrad von 43 Prozent erreicht.

Bei einem GUD wird der Dampf- eine Gasturbine vorgeschaltet. Diese kann mit hoch erhitztem Erdgas, aber auch mit dem heißen Gasgemisch betrieben werden, das durch thermische Umsetzung von Kohle mittels Sauerstoff und Wasserdampf entsteht. Die Kohlevergasung ist eine Technik aus den 1930er-Jahren, die seit 30 Jahren wieder stärker erforscht wird. So wurde in Deutschland das vierstufige Prenflo-Verfahren (pressurized entrained flow) entwickelt: In der ersten Stufe werden Rohkohle und Petrolkoks zu gleichen Teilen gemischt. Aus dem Gemisch entsteht unter Zufuhr von Luft und Wasserdampf bei etwa 800 °C ein Rohgas aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Anschließend wird das Schwefeldioxid aus dem Rohgas entfernt und in der vierten Stufe zu hochreinem Schwefel umgesetzt. Das von der Europäischen Union geförderte Kohlevergasungskraftwerk Puertollano in Spanien arbeit nach diesem Verfahren.

In Dorsten steht eine erste Pilotanlage für die Druckkohlenstaubfeuerung. In dieser Entwicklungslinie werden die heißen Rauchgase so stark gereinigt, dass sie direkt in den nachgeschalteten Gas- und Dampfturbinenprozess eingeschleust werden können. Ziel der Forschung ist es, sogar bis zu 1600 °C heiße Rauchgase von Partikeln (Staub), Schwefel, Schwermetallen und Alkalien zu befreien. Hier steckt man jedoch erst in der Grundlagenforschung.
 

IGCC ist vielversprechend

Vor allem die Kombination mehrerer Technologien verspricht große Effizienzsteigerungen. In Deutschland entwickelt Siemens federführend ein Allesfresser-Kohlekraftwerk, das praktisch keine Schadstoffe mehr ausstoßen wird. Nach dem Konzept der integrierten Kohlevergasung (IGCC = Integrated Gasification Combined Cycle) lassen sich Mischungen aus Kohle und Biomasse, Kohle und Petrolkoks und sogar flüssiger Asphalt verbrennen. Der Brennstoff wird – wie bei der Kohlevergasung – in wasserstoffreiches Synthesegas umgesetzt, das dann in einer Gasturbine verbrannt wird und anschließend eine Dampfturbine antreibt. Bisher werden solche IGCC-Anlagen vor allem von der petrochemischen Industrie betrieben, die damit ihr Raffinerierückstände nutzbringend entsorgt. Nach Schätzungen von Siemens liegt allein in dieser Anwendung ein weltweites Leistungspotenzial von 120 Gigawatt im Jahr 2010. Ob solche Wunderwerke auf Kohlebasis wirtschaftlich arbeiten können, hängt dagegen von den Emissionsvorschriften ab.

Auch das Kohlendioxid, das in der Umweltdebatte derzeit eine so große Rolle spielt, wird beim IGCC-Konzept abgeschieden. Doch dabei reduziert sich der Volumenstrom in der Gasturbine, und die Turbinenleistung verringert sich. Man rechnet mit einer Wirkungsgradminderung von mehr als 15 Prozent. Deshalb liegen IGCC-Anlagen heute bei einem Wirkungsgrad von nur 51 Prozent.