Bewährungsprobe für Dekarbonisierungstechnologie in Müllheizkraftwerk

Dänische Forscher haben gezeigt, dass es möglich ist, den Großteil des Kohlendioxids (CO₂) aus den Emissionen einer Müllverbrennungsanlage zu entfernen. Durch den Nachweis der Realisierbarkeit des Verfahrens glauben die Forscher, eine Schlüsseltechnologie im Kampf gegen den Klimawandel entwickelt zuhaben. In Kopenhagen ist seit mehreren Monaten eine Pilotanlage in Betrieb, in der eine neuartige Gasüberwachungstechnologie die Optimierung der Anlageneffizienz ermöglicht hat.

Bildnachweis: Hufton & Crow/ARC

Wenn weltweit führende Unternehmen ihre Verpflichtungen zur Erreichung des Netto-Null-Ziels einhalten wollen, besteht eines ihrer Hauptziele in der Entwicklung und Nutzung von Dekarbonisierungstechnologien, z. B. Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (Carbon Capture and Storage, CCS) und Kohlenstoffabscheidung, -nutzung und -speicherung (Carbon Capture, Utilisation and Storage, CCUS). Forscher der Technischen Universität Dänemark (DTU) arbeiten daher mit einer hochinnovativen Müllverbrennungsanlage in Kopenhagen an der Entwicklung eines Verfahrens, das in der Lage ist, Kohlendioxid (CO₂) aus seinen Emissionen aufzufangen. Das Projekt nutzt fortschrittliche Gasanalysegeräten von Vaisala, um die Effizienz der Kohlenstoffabscheidung und damit die Rentabilität von CCUS zu messen.

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Die Forscher haben eine Pilotanlage zur Beseitigung von CO₂ aus den Emissionen der Verbrennungsanlage des Amager Bakke Müllheizkraftwerk entwickelt, einer der größten Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK) in Nordeuropa – mit einer Kapazität zur Aufbereitung von 560.000 Tonnen Abfall jährlich. Das vom Kopenhagener Abfallentsorgungsunternehmen ARC (Amager Ressourcecenter) entwickelte KWK-Kraftwerk, das sich im gemeinsamen Besitz von fünf Gemeinden im Raum Kopenhagen befindet, weist eine Reihe von Innovationen auf, darunter eine künstliche Skipiste auf dem Dach, die Teil eines bekannten Outdoor-Aktivitätszentrums mit dem Namen CopenHill ist.

Die Pilotanlage wurde zum Auffangen von CO₂ aus den Emissionen entwickelt, die bei Prozessen wie Abwasserbehandlung, Biogaserzeugung, anaerobe Gärung und Abfallverbrennung entstehen. Die Forscher untersuchen aber auch Methoden, wie CO₂ nicht nur aufgefangen, sondern auch genutzt werden kann. Vor ihrer Installation bei Amager Bakke wurde die Pilotanlage zur Kohlenstoffabscheidung in einer Kläranlage eingesetzt. „Die Technologie an sich ist nicht neu“, erklärt Jens Jørsboe, wissenschaftlicher Mitarbeiter der DTU. „Der Schwerpunkt unserer Arbeit lag jedoch darauf, die Kosten der Kohlenstoffabscheidung zu senken, damit sie wirtschaftlich tragfähig wird.“

Abgas aus der Verbrennungsanlage von Amager Bakke wird durch einen elektrostatischen Abscheider (Electrostatic Precipitator, ESP) geleitet, um Partikel zu entfernen. NOx-Verbindungen werden durch selektive katalytische Reduktion (Selective Catalytic Reduction, SCR) abgesondert und ein Wäscher entfernt Schwefeloxide. Im Rauchgas verbleiben hohe CO₂-Werte, und der Hauptzweck der Pilotanlage zur Kohlenstoffabscheidung besteht darin, die Machbarkeit ihrer Abscheidung zu untersuchen. Dazu wird das Gas nach oben durch eine Säule geleitet, die mit Perlen und dem Lösungsmittel Monoethanolamin (MEA) gefüllt ist, das das CO₂ aus dem Gas wäscht. Das Lösungsmittel wird dann zu einem Desorber geleitet, der das nun fast reine CO₂ entfernt. Zudem wird das MEA zur Wiederverwendung regeneriert. Als Forschungsprojekt wird das produzierte CO₂ derzeit noch in die Luft abgelassen, auf kommerzieller Basis gibt es allerdings mittlerweile viele verschiedene industrielle Anwendungen, in denen CO2 genutzt werden kann. Zum Beispiel kann CO₂ im Sabatier-Prozess mit Wasserstoff umgesetzt werden, um Methan (ein Gasbrennstoff) und Wasser bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck in Gegenwart eines Nickelkatalysators zu erzeugen. Dabei kann es sich um eine umweltfreundliche Methode zur Herstellung von Kraftstoff handeln, wenn der Wasserstoff durch Elektrolyse mit erneuerbarer Energie erzeugt wird – zum Beispiel aus Solar-, Biogas- oder Windkraft.

CO₂ wird auch in einer Vielzahl anderer Branchen eingesetzt, darunter Lebensmittel und Getränke, Kältetechnik, Medizin, Gartenbau, Brandbekämpfung, Schweißen usw. Es sind also viele verschiedene potenzielle Märkte verfügbar, wenn CO₂ in kommerzieller Qualität und Größenordnung hergestellt werden kann.

Überwachung der Effizienz der Kohlenstoffabscheidung

Die Optimierung des Kohlenstoffabscheidungs-Prozesses kann nur erreicht werden, wenn CO₂-Konzentrationen sowohl vor als auch nach dem Kohlenstoffabscheidungs-Prozess kontinuierlich überwacht werden können. Es war daher ein glücklicher Umstand, dass der weltweit erste Inline-CO₂-, Feuchte- und Methanmonitor von Vaisala in Finnland vor dem Bau der Pilotanlage entwickelt wurde.

Abgase von Verbrennungsanlagen können jedoch korrosiv und explosionsgefährlich sein. In der Vergangenheit war es daher nicht möglich, eine Inline-Überwachung durchzuführen. Bis vor Kurzem bestand die einzige Lösung darin, Proben zur Analyse außerhalb des Prozesses zu entnehmen. Dieses Verfahren ist jedoch nicht für die Prozesssteuerung und -optimierung geeignet. Es weist zudem eine Reihe von inhärenten Mängeln auf, wie z. B. die Notwendigkeit, Feuchte aus der Probenleitung zu entfernen, sowie eine häufige Neukalibrierung.

Die Entwicklung der Multigas-Messsonde MGP261 von Vaisala löste alle diese Überwachungsherausforderungen, insbesondere als ihr ein Schwesterprodukt, die MGP262, folgte. Diese wurde für die Messung hoher CO₂-Konzentrationen angepasst und war damit ideal für die kontinuierliche Inline-Überwachung von nahezu reinem CO₂ nach dem Desorber der Pilotanlage geeignet.

In der Pilotanlage kommen insgesamt drei Vaisala Sonden zum Einsatz, wobei die MGP261 das von der Verbrennungsanlage einströmende Verbrennungsabgas überwacht und die MGP262 die Reinheit des extrahierten CO₂ misst. Die dritte Sonde ist eine Vaisala CARBOCAP® CO2-Sonde, die GMP251. Sie misst den CO₂-Gehalt (nach der Kohlenstoffabscheidung) im Abgas der Pilotanlage.

Einzigartige Überwachungstechnologie

Alle drei Überwachungssonden enthalten die CARBOCAP®-Technologie, die einen elektrisch abstimmbaren Fabry-Pérot-Interferometer(FPI)-Filter verwendet. Neben der Messung der Zielarten ermöglicht der mikromechanische FPI-Filter eine Referenzmessung bei einer Wellenlänge, bei der keine Absorption auftritt. Bei der Referenzmessung wird der FPI-Filter elektrisch so eingestellt, dass das Bandpassband von der Absorptionswellenlänge auf eine Nicht-Absorptionswellenlänge umgeschaltet wird. Diese Referenzmessung kompensiert mögliche Änderungen der Lichtquellenintensität sowie Verunreinigungen im Lichtweg. So ist der Sensor über die Zeit sehr stabil. 

Innerhalb der MGP261 und der MGP262 werden Feuchte und CO₂ mit demselben optischen Filter gemessen und ein zweiter optischer Kanal misst Methan. In vielerlei Hinsicht kombiniert dies die analytische Leistungsfähigkeit eines Laborspektrometers mit der schlichten robusten Bauweise eines Kontrollmessgeräts für industrielle Prozesse.

Über die Leistung der Überwachungsgeräte sagt Jens Jørsboe: „Wir sind von der Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Multigas-Messsonden begeistert – nicht zuletzt, weil wir dadurch viel über das Management von Rauchgasen aus der Müllverbrennung lernen konnten. Über die Emissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe ist viel bekannt, über die Emissionen aus der Müllverbrennung wissen wir aber nur wenig. 

Die durch die Vaisala-Sonden eingesetzte Technologie trägt auch dazu bei, die Betriebskosten zu minimieren, da durch die effektive Selbstkalibrierung die Serviceanforderungen der Sonden minimal waren und Ausfallzeiten vermieden wurden.“

Kohlenstoffabscheidung in Kopenhagen und weltweit

Mit dem Vorteil der kontinuierlichen Inline-Überwachung konnten die Forscher die Leistung der Kohlenstoffabscheidung nach einer Bewertung von zwölf verschiedenen Pilotanlagenkonfigurationen optimieren. Nachdem die Durchführbarkeit des Kohlenstoffabscheidungs-Prozess nachgewiesen wurde, bestand der nächste Schritt darin, die relativen Vorteile der Kohlenstoffspeicherung und -nutzung zu bewerten. Jens Jørsboe sagt: „Derzeit ist die Nutzung von CO₂ aufgrund der mit der erforderlichen weiteren Veredelung des CO₂ verbundenen Kosten die teurere Option. Die Eigentümer der Amager Bakke-Anlage planen daher, 1,5 Milliarden DKK (230 Millionen US-Dollar) für eine CCS-Anlage zu beantragen, die 500.000 Tonnen CO₂ pro Jahr abscheiden kann – wenn der dänische Staat die richtigen rechtlichen Rahmenbedingungen und ausreichende Mittel bereitstellt. In dieser Anlage würde der gleiche Aminwäscheprozess verwendet, der sich in der Pilotanlage zur Kohlenstoffabscheidung bewährt hat.“

Durch die Verbrennung von 1 Tonne Siedlungsabfällen werden 0,7 bis 1,7 Tonnen CO₂ freigesetzt, abhängig von den Bestandteilen des Abfalls. Folglich ist die Energieerzeugung aus der Müllverbrennung kohlenstoffintensiver als die Verbrennung von fossilem Gas, sodass die Kohlenstoffabscheidung eine Möglichkeit bietet, den wachsenden Bedarf an kommunaler Abfallbehandlung zu bewältigen, ohne Treibhausgase in unakzeptabler Menge zu erzeugen.

Mit Blick auf die Zukunft glaubt Jens, dass diese Technologie in jeder Müllverbrennungsanlage der Welt eingesetzt werden könnte. Nach den neuesten Daten von ecoprog sind das rund 2.500 WtE-Anlagen mit einer Entsorgungskapazität von rund 400 Millionen Tonnen Abfall pro Jahr. 
Zudem kann die Restwärme genutzt und an die lokale Industrie oder an ein Fernwärmenetz abgeführt werden. 

Zusammenfassend sagt Jens: „Auf der jüngsten COP26-Klimakonferenz in Glasgow wurde der dringende Bedarf an Technologien deutlich, die dazu beitragen können, die globalen Emissionen von Treibhausgasen wie CO₂ zu reduzieren. Viele Länder haben sich zu Netto-Null-Zielen verpflichtet. Unsere Arbeit in der Müllverbrennungsanlage Amager Bakke bietet ihnen also die Möglichkeit, in eine der Methoden zu investieren, mit denen dieses Ziel erreicht werden kann.“