Verbesserte Verbrennung

  • 27. May 2016

Neue thermooptische Messverfahren erlauben deutliche Reduzierung des Kohlendioxid-Ausstoßes in Kohlekraftwerken.

Kohlekraftwerke als konventionelle Energiequellen sind noch essenziell zur Sicher­stellung der Energie­versorgung. Doch aufgrund ihres hohen CO2-Ausstoßes gibt es großen Handlungs­bedarf, um die Energie­gewinnung effizienter und umwelt­verträglicher zu gestalten. Das Center of Device Development CeDeD des Fraunhofer-Instituts für Silicat­forschung ISC konnte nun in verschiedenen Projekten durch eine Verbesserung der Verbrennungs­prozesse nachweisen, dass der CO2-Ausstoß in großem Umfang minimiert und primäre Energie eingespart werden kann. Das CeDeD präsentiert seine Kompetenzen auf der 8th International Freiberg Conference (12. bis 16. Juni 2016) in Köln.

Abb.: Das Bild zeigt das Innere eines Ofens, während Braunkohleschlacke auf 1100 Grad Celsius erhitzt wird. (Bild: Fh.-ISC)

Abb.: Das Bild zeigt das Innere eines Ofens, während Braunkohleschlacke auf 1100 Grad Celsius erhitzt wird. (Bild: Fh.-ISC)

Mit der Energiewende und der Abkehr von Atomkraft werden erneuerbare Energie­quellen wichtiger denn je. Doch bislang lässt sich die Energie­versorgung – insbesondere die Strom­erzeugung für die Grundlast – nicht allein durch saubere Sonnen-, Wind- oder Wasser­kraft sicherstellen. Herkömmliche Energie­quellen wie Mineralöl, Gas und Kohle erleben daher einen großen Aufschwung. Sie belasten jedoch aufgrund ihrer Emissionen die Umwelt und den Menschen.

Mit dem Klimaabkommen von Paris Ende 2015 beschlossen 195 Staaten, den Klimaschutz weiter voranzutreiben und die weltweiten Treibhaus­gas­emissionen drastisch zu reduzieren. Ziel soll die Begrenzung des globalen Temperatur­anstiegs auf höchstens 2 Grad, wenn möglich sogar nur 1,5 Grad, über dem vor­industriellen Niveau sein. Insbesondere Kohle­kraft­werke erzeugen einen hohen Ausstoß an CO2 und haben große Aus­wirkungen auf das Klima. In verschiedenen Projekten konnten Andreas Diegeler, Leiter des CeDeD, und sein Team eine enorme Reduzierung des CO2-Ausstoßes in Kohlekraftanlagen aufzeigen.

Zunächst mussten die Wissenschaftler die Prozesse bei der Verbrennung von Kohle und die Entstehung von Abfall­schlacke oder Gasen genau analysieren. Dafür setzten sie thermo­optische Messanlagen (TOM) ein, die im Fraunhofer ISC entwickelt werden. Die Anlagen charakterisieren die Veränderungen von Materialien unter kontrollierter Atmosphäre bei unterschiedlichen Bedingungen, angefangen bei Raum­temperatur bis hin zu extrem hohen Temperaturen von bis zu 2400 Grad Celsius.

Die TOM-Anlage besteht aus einem zentral gelegenen Hoch­temperatur­ofen mit Fenstern auf beiden Seiten. Mit einer starken Lichtquelle auf der linken Seite, die das Innere des Ofens erleuchtet, und einer CMOS-Kamera mit speziellen Linsen und Filtern auf der rechten Seite ist eine exakte Beobachtung des zu verbrennenden Materials – in diesem Fall Kohle – möglich. Eine Analyse der Kamera­bilder mit einer Genauig­keit von bis zu 0,3 Mikrometern erlaubt es, die Änderung der Konturen des Kohle­stücks während der Verbrennung im Ofen zu messen. Zusätzlich bestimmen die Forscher mittels IR-Spektro­skopie und Gas­chromato­graphie die Verbrennungs­gase und können – falls erforderlich – kontrolliert Gase zuführen. Die Reaktion der Gase und ihre Auswirkung auf den Verbrennungs­prozess werden ebenfalls direkt in situ erfasst.

Mit diesen Daten gelang es dem Team von CeDeD, die Verbrennungs­prozesse zu optimieren und unerwünschte Abfall­produkte zu reduzieren. Bei der Verbrennung von Braun­kohle konnte durch eine Absenkung der Temperatur um 50 Grad im Hochofen und durch die Zuführung von Gasen eine enorme Verbesserung des Reinigungs­prozesses erreicht werden und die CO2-Emission um rund zehn Prozent reduziert werden. Welche Auswirkungen das hat, lässt sich anhand eines modernen Braun­kohle­kraft­werks errechnen. Ein Kohle­kraftwerk mit einer Leistung von vier Gigawatt benötigt jährlich mehr als 30 Millionen Tonnen Kohle, um rund 30 Tera­watt­stunden Energie zu erzeugen. In einem Kohlekraftwerk dieser Größe ließen sich also rund drei Millionen Tonnen CO2 im Jahr einsparen.

Das Center of Device Development CeDeD hat sich auf die Fertigung von Pilot- und Spezial­anlagen für die Charakterisierung von Materialien spezialisiert und setzt TOM bereits erfolgreich für verschiedene Projekte in der Energie­industrie ein.

Fh.-ISC / DE

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