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Karbonat-Brennstoffzellentechnologie zur Abscheidung und Speicherung von Kohlendioxid

Die Entwicklung moderner Technologien zur wirtschaftlichen und nachhaltigen Abscheidung von Kohlendioxid, das bei großen Erzeugern wie zum Beispiel Kraftwerken freigesetzt wird, spielt eine wichtige Rolle in ExxonMobil‘s Forschungsarbeit.

Die Abscheidung und Speicherung von CO2, auch „Carbon Capture and Storage” (CCS) genannt, ist ein Verfahren, bei dem Kohlendioxid, das sonst anderweitig in die Atmosphäre abgegeben wird, abgeschieden, verdichtet und zur permanenten Speicherung in unterirdische geologische Formationen injiziert wird. ExxonMobil ist Vorreiter bei der Anwendung dieser Technologie und hat in den letzten 30 Jahren umfassende Erfahrungen mit den verschiedenen relevanten Technologien gesammelt. So haben wir uns zum Beispiel an verschiedenen Injektionsprojekten beteiligt. Allein 2015 hat ExxonMobil 6,9 Millionen Tonnen CO2 für die Sequestrierung abgeschieden. Das entspricht der Eliminierung der von mehr als einer Million Pkw in einem Jahr erzeugten Treibhausgase.

Wir glauben, dass Gaskraftwerke die besten Möglichkeiten für den künftigen Einsatz der CCS-Technologie in großtechnischem Maßstab bieten. Gemeinsam mit FuelCell Energy, Inc. arbeiten wir an der Entwicklung neuer Technologien, die die Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit der CCS-Technologie für große Gaskraftwerke stark verbessern können.

Karbonat-Brennstoffzellentechnologie: Höherer Wirkungsgrad, mehr Energie, weniger CO2

Unsere Wissenschaftler arbeiten an der Entwicklung einer neuen Technologie, um die Kosten gegenwärtiger CCS-Prozesse zu senken. Dies soll durch eine Steigerung der Stromproduktion des Kraftwerks bei gleichzeitig deutlicher Senkung des Kohlendioxidausstoßes erreicht werden. Herzstück dieser neuen Technologie ist die Karbonat-Brennstoffzelle.

Laboruntersuchungen haben gezeigt, dass durch den Einsatz von Karbonat-Brennstoffzellen in der Stromerzeugung mit Erdgas CO2 effektiver abgeschieden werden kann, als mit der gängigen CCS-Technologie. Beim konventionellen Prozess wird dem Kraftwerksabgas das CO2 durch Reaktion mit einer Chemikalie entzogen. Anschließend wird das CO2 mit Wasserdampf von der Chemikalie gelöst. Da dieser Wasserdampf nicht mehr für den Antrieb der Turbine zur Verfügung steht, sinkt automatisch die von der Turbine erzeugte Strommenge.

Der Einsatz von Brennstoffzellen führt zu einer effektiveren Abscheidung des im Abgas enthaltenen Kohlendioxids und erhöht gleichzeitig die Stromproduktion. Das Kraftwerksabgas wird der Brennstoffzelle zugeleitet und ersetzt die Luft, die die Brennstoffzellen normalerweise zusammen mit dem Erdgas zur Stromerzeugung benötigt. Während die Brennstoffzelle Strom erzeugt, wird das CO2 weiter aufkonzentriert und kann somit leichter und wirtschaftlicher von den Abgasen der Brennstoffzelle getrennt und gespeichert werden. Unseren Berechnungen zufolge kann ein 500-MW-Kraftwerk bei Nutzung der Karbonat-Brennstoffzellentechnologie seine Leistung um bis zu 120 MW steigern. Bei Nutzung der aktuellen CCS-Technologie würde es stattdessen etwa 50 MW Leistung verbrauchen.

Unseren Untersuchungen zufolge könnten durch die Anwendung dieser Technologie mehr als 90 Prozent der CO2-Emissionen eines Gaskraftwerks abgeschieden werden. Dabei emittiert Erdgas im Vergleich zu allen anderen wichtigen Energieträgern bereits am wenigsten CO2.

Außerdem können mit der Karbonat-Brennstoffzellentechnologie große Mengen an Wasserstoff erzeugt werden. Unsere Simulationen zeigen, dass im Beispiel des oben genannten 500-MW-Kraftwerkes mit der neuen Technologie nicht nur die CO2-Emissionen abgeschieden, sondern auch bis zu 4,3 Millionen m3 Wasserstoff pro Tag produziert werden können. Zum Vergleich: Eine Großanlage zur Produktion von reformiertem Wasserstoff aus Erdgas produziert „nur“ etwa 3,5 Millionen m3 Wasserstoff pro Tag. Außerdem kann noch Synthesegas, bestehend aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, produziert und zu anderen hochwertigen Produkten wie z.B. Kraftstoffe oder Schmiermittel weiterverarbeitet werden.

Die nächsten Entwicklungsschritte

ExxonMobil hat eine Reihe verschiedener CCS-Technologien über viele Jahre einer eingehenden Prüfung unterzogen und glaubt, dass die Karbonat-Brennstoffzellentechnologie großes Potenzial hat. Die Leistungsfähigkeit dieser Technologie ist in Laborsimulationen nachgewiesen worden und die Ergebnisse dieser Simulationen werden zurzeit ausgewertet. In einem nächsten Entwicklungsschritt werden die einzelnen Komponenten des Systems eingehender untersucht und das System als Ganzes weiter optimiert.

Gemeinsam mit FuelCell Energy, Inc. werden wir unsere Zusammenarbeit darauf konzentrieren, ein besseres Verständnis der wissenschaftlichen Grundlagen der Karbonat-Brennstoffzellentechnologie zu schaffen und zu untersuchen, wie sich das CO2 aus dem Abgas von Erdgasturbinen noch wirkungsvoller abscheiden und verdichten lässt.

Im Oktober 2016 haben FuelCell Energy und ExxonMobil die Auswahl eines Standortes bekanntgegeben, an dem die neue Brennstoffzellentechnologie zur Abscheidung und Speicherung von Kohlendioxid unter Praxisbedingungen getestet werden soll. Die in den USA  von der Southern-Company-Tochter Alabama Power betriebene James M. Barry Electric Generating Station, ein kombiniertes Kohle- und Gaskraftwerk mit einer Leistung von 2,7 GW, wird als Pilotanlage dienen. Weiterer Projektpartner ist das US Energie-Ministerium.

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