Nachhaltige Verfahren zur Reduzierung von CO2-Emissionen fossiler Kraftwerke und die Sequestrierung des Treibhausgases mittels Carbon Capture and Storage (CCS)


Bachelorarbeit, 2013
58 Seiten, Note: 1,7

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Danksagung

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Formelverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung und Motivation

2 Eigenschaften von CO2
2.1 Physikalische Eigenschaften
2.2 Chemische Eigenschaften
2.3 Industrielle Verwendung

3 Entwicklung und Folgen des C02-Anstiegs seit der Industrialisierung

4 Natürlicher Kohlenstoffkreislauf und C02-Senken
4.1 Wissenschaftliche Unklarheiten
4.2 Kurzfristiger Kreislauf
4.2.1 Biosphäre
4.2.2 Hydrosphäre
4.2.3 Atmosphäre
4.3 Langfristiger Kreislauf
4.3.1 Lithosphäre

5 Künstliche Verfahren zur Reduzierung von CO2 aus der Luft
5.1 „Düngung“ der Kohlenstoffsenken
5.2 Technische Methoden

6 Dauerhafte Reduzierung von C02-Emissionen
6.1 Politische Maßnahmen
6.1.1 Lastenteilung (Burden Sharing)
6.1.2 Emissionsrechtehandel
6.1.3 Clean Development Mechanism
6.2 C02-Abscheidung in Kraftwerken
6.2.1 Pre-Combustion
6.2.2 Post-Combustion
6.2.3 Oxyfuel-Verfahren
6.3 Stahl- und Betonindustrie
6.4 C02-Transport
6.5 Ökonomische Effizienz

7 MÖGLICHKEITEN ZUR DAUERHAFTEN SPEICHERUNG VON CO2
7.1 Saline Aquifere
7.2 Entleerte Ölfelder
7.3 Entleerte Gasfelder
7.4 Nicht abbaubare Kohleflöze
7.5 Künstliche Mineralisierung
7.6 Ozeanspeicherung
7.7 Speicherpotentiale
7.8 Projekte
7.8.1 Das Weyburn-Midale CÖ2-EORProjekt
7.8.2 Sleipner-Projekt
7.8.3 In Salah-Projekt
7.8.4 CO2SINK
7.8.5 CLEAN

8 Risiken

9 Fazit

10 Literaturverzeichnis

Danksagung

Ich bedanke mich herzlichst bei meinem Professor, Herrn Prof. Dr. Jörg Erzinger, für die gemeinsame Ausarbeitung des Bachelorthemas und die gute und ständige Betreuung während der Bearbeitung der Arbeit. Weiterhin danke ich Herrn Prof. Dr. Uwe Altenberger für die bereitwillige Zusage als Zweitgutachter für diese Bachelorarbeit zu fungieren. Ein herzlicher Dank für die Zeit und Mühe gebührt den Korrekturlesern und Freunden dieser Arbeit Tobias Doßmann, Oliver Mietzner, Mirza Cerimagic, Ouri Wollschläger und Philipp Helbig.

Ein besonderer Dank gebührt der Firma IZ Klima - Informationszentrum für CO2-Technologien e. V. für die Bereitstellung von Arbeits- und Informationsmaterial.

Ich danke ebenfalls meiner Familie für ihre Unterstützung während meines Studiums.

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: pT-Phasendiagramm von Kohlenstoffdioxid

Abbildung 2: C02-Anstieg seit der Industrialisierung

Abbildung 3: Vier Modelle der C02-Entwicklung

Abbildung 4: Temperatur- und Meeresspiegelanstieg seit 1850

Abbildung 5: Kurzfristiger Kohlenstoffkreislauf

Abbildung 6: Veränderung der Nettokohlenstoffbilanz

Abbildung 7: Differenz pH-Wert der Meeresoberflächen

Abbildung 8: Modell langfristiger Kohlenstoffkreislauf

Abbildung 9: C02-Reduktionsziele der EU und Deutschland

Abbildung 10: C02-Vermeidung und Abscheidung verschiedener Brennstoffe

Abbildung 11: Prinzip des IGCC-Prozesses mit C02-Abscheidung

Abbildung 12: Prozessablaufder C02-Rauchgaswäsche

Abbildung 13: Prinzip des 0xyfuel-Verfahrens mit C02-Abscheidung

Abbildung 14: Kosten des C02-Transportes über 250 km

Abbildung 15: Injizieren von C02 in saline Aquifere

Abbildung 16: Lage von Gas- & Ölfeldern, Hauptpipelines und C02-Punktquellen

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Physikalische Eigenschaften C02

Tabelle 2: Jährlicher C02-Anstieg seit 1963

Tabelle 3: Kohlenstoffmengen der verschiedenen Speicher

Tabelle 4: Treibhausgas-Emissionen und Änderungsrate ausgewählter Nationen

zwischen 1990 und 2010 ohne Landnutzung

Tabelle 5: Schätzungen von C02-Speicherkapazitäten in Gt

Tabelle 6: Typisierung der Speicherrisiken

Formelverzeichnis

Formel 1: Reaktionsgleichung C02 mit Wasser zu Kohlensäure

Formel 2: Dissoziationsgleichung C02 in Wasser

Formel 3: Allgemeine Formel Photosynthese und Bildung org. Kohlenstoffs

Formel 4: Beispiel Photosynthese mit Bildung von Glukose

Formel 5: Verwitterung von Gesteinen auf dem Festland

Formel 6: Ablagerung von Kalk im Meer

Formel 8: Wassergas-Shift-Reaktion

Formel 9: Umsatz von Methan in der Dampfreformierung

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung und Motivation

Eines der größten Probleme des 21. Jahrhunderts stellt der Klimawandel dar. Es wird angenommen, jedoch nicht eindeutig bestätigt, dass durch den massiven, menschenverursachten Ausstoß von Kohlenstoffdioxid und den weiterhin ungehinderten Anstieg von Treibhausgasen in der Atmosphäre, die Klimaerwärmung verstärkt wird und die Welt dadurch vor einer noch nie dagewesenen Herausforderung steht.

Um dem Klimawandel entgegenzuwirken, erfordert es neue politische, technische und wissenschaftliche Strategien sowie ein Umdenken des persönlichen Lebensstils aus Verbrauchersicht. Für das Erreichen des sogenannten „2-Grad-Ziels“1 rechnen

Wissenschaftler mit Kosten von ca. einem Prozent des globalen Bruttoinlandsprodukts. Diese aktuelle Problematik hat mich dazu motiviert, das Thema meiner Bachelorarbeit den allgegenwertigen, natürlichen Prozessen und technische Methoden zur Abscheidung und Speicherung von CO2, die bereits heute angewendet werden, zu widmen. Die Ziele durch diese Verfahren und Methoden sind, die Emission von Treibhausgasen nachhaltig zu verringern, den atmosphärischen Kohlenstoffdioxidanstieg zu reduzieren und in Kraftwerken abgeschiedenes CO2 in möglichen Reservoiren dauerhaft zu speichern. Das Ziel der Arbeit ist neben der Hinterfragung, ob der anthropogene CO2-Anstieg wirklich den Grund für den globalen Temperaturanstieg darstellt, das grundlegende Prinzip des natürlichen Kohlenstoffkreislaufes und darauf aufbauende, künstliche Verfahren zu erörtern sowie bereits praktizierte und in der Forschung stehende Techniken zur Abscheidung von CO2-Emissionen „fossiler Kraftwerken“ zu erläutern. Weiterhin ist das Ziel dieser Arbeit das Erstellen eines Überblicks über die erfolgversprechendsten Methoden und den wirtschaftlichen Nutzwert der verschiedenen Arten und Möglichkeiten zur Abscheidung und Speicherung des Kohlenstoffdioxids. Auch die politischen Maßnahmen zur CO2-Einsparung, mit dem gesonderten Bezug auf Emissionsrechtehandel, werden betrachtet, da dieser dahingehend für Kraftwerksbetreiber interessant ist, dass aufgrund des Rechtehandels die Möglichkeit besteht, CO2 einzusparen, ohne die eigenen Emissionswerte zu reduzieren. Ferner wird betrachtet, ob die Sequestrierung von CO2eine sinnvolle Lösung zum Entgegenwirken des Klimawechsels darstellt. Dabei werden aktuelle Forschungsstände zur Technologie „Carbon Capture and Storage“ überprüft und ein Resultat gezogen, ob CCS für den Klimaschutz ausreicht oder ein anderer Weg eingeschlagen werden sollte, um das vom Klimarat des „Intergovernmental Panel on Climate Change“ geforderten 2-Grad-Ziels einzuhalten.

2 Eigenschaften von CO2

Kohlenstoffdioxid oder auch Kohlendioxid genannt, ist ein Molekül, bestehend aus einem Kohlenstoff- und zwei Sauerstoffatomen. Es ist ein farb- und geruchsloses, ungiftiges Gas, gut in Wasser löslich und nicht entflammbar. CO2 ist ein natürlicher Bestandteil der Luft. Obwohl es im Grunde, dem Volumenanteil von 390 ppm2 (Scripps 2013) nach, ein Spurengas ist, wird es aufgrund seiner wichtigen Bedeutung für Klima, Mensch, Flora und Fauna als Hauptbestandteil der Luft angesehen. Weiterhin gehört CO2, wie auch Methan (CH4), Distickstoffoxid (N2O) und Fluorkohlenwasserstoff (FCKW) zu den Treibhausgasen, wobei Wasserdampf mit einer Strahlungsabsorptionsrate von 70 % zu den stärksten Klimagasen zählt. Diese haben die Eigenschaft, kurzwellige Strahlung ungehindert passieren zu lassen und die vom Boden abgegebene Infrarotstrahlung (langwellig) zum Teil zu absorbieren. Dabei erhöht die Strahlungsenergie das Energieniveau der Moleküle, welche Energie in Form von Wärme emittieren. Dies führt zu einem Kreislauf, der die Temperatur des Bodens und der Troposphäre ansteigen lässt. Der Treibhauseffekt führt dazu, dass die globale Durchschnittstemperatur an der Erdoberfläche um ungefähr 33 °C höher und somit bei ca. 15 °C liegt. Ohne diesen Effekt hätte die Erde in der unteren Atmosphärenschicht eine mittlere Durchschnittstemperatur von -18 °C. Desweiteren ist Kohlenstoffdioxid mit einem Anteil von 5x10-4% Bestandteil des Meeres und ist in Vulkangasen enthalten. Der größte CO2-Anteil liegt in gebundener Form in Carbonatgesteinen und -mineralen vor. Wichtige Vertreter sind Calcit (Ca[CO3]), sowie Dolomit (CaMg[CO3h) und Siderit (FeCO3) (Finger 1999).

2.1 Physikalische Eigenschaften

Tabelle 1: Physikalische Eigenschaften CO2 (erstellt nach Kött 2008)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

C02 liegt bei Druckverhältnissen über 7,38 MPa2 und Temperaturen größer als 31,4 °C als superkritische Phase vor. In dieser Phase ist das CO2 zwar gasförmig, weist jedoch ähnliche Fließeigenschaften wie eine Flüssigkeit auf. Des Weiteren besitzt es eine höhere spezifische Dichte als flüssiges Kohlenstoffdioxid (vgl. Skovholt 1993; Odenberger & SvENSSON 2003). Wie in Abbildung 1 zu sehen, sind die Dichte und der Zustand abhängig von Druck und Temperatur. Demnach geht CO2 bei atmosphärischen Druckverhältnissen vom festen direkt in den gasförmigen Aggregatzustand über, wobei der flüssige Zustand dabei nicht erreicht wird (Sublimation). Der Tripelpunkt3 liegt bei einer Temperatur von -56,6 °C und einem Druck von 5,19 bar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: pT-Phasendiagramm von Kohlenstoffdioxid (Quelle: Lohninger 2013)

Für den Transport und die Speicherung von CO2 sind besonders die kritischen und überkritischen Phasen von großer Bedeutung.

Weiterhin ist es wichtig, zu verstehen, dass sich mehr CO2 löst, je kälter das Wasser ist. So hat Wasser, proportional zum Anstieg der Temperatur, ein abnehmendes Potential zum Lösen von Kohlenstoffdioxid, sodass es sich demnach je nach Konzentration und ansteigender Temperatur aus dem Wasser wieder löst.

2.2 Chemische Eigenschaften

Durch das Lösen von Kohlenstoffdioxid in Wasser, bildet sich Kohlensäure (H2CO3),

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Formel 1: Reaktionsgleichung CO2 mit Wasser zu Kohlensäure

wobei nur ein geringer Kohlensäureanteil von 0,003 % tatsächlich entsteht. Das restliche CO2 wird dabei physikalisch gelöst (GDCh 2000). Das gelöste CO2 liegt mit seinen Dissoziationsprodukten, Carbonat und Hydrogencarbonat, in einem Gleichgewicht, wobei das Gleichgewicht im Wasser überwiegend auf der Seite des Kohlenstoffdioxids liegt. Das Mengenverhältnis zueinander ist abhängig vom vorherrschenden pH-Wert (Molt 2007).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Kohlensäure spielt bei der CO2-Speicherung in entleerten Gasfeldern eine gewisse Rolle, da sie eine technische Herausforderung hinsichtlich der sicheren Verschließung von Bohrlöchern solcher Felder darstellt, da die Säure bei direktem Kontakt mit metallischen Werkstoffen und dem umliegenden Zementen zu Korrosion führt (May et al. 2009).

2.3 Industrielle Verwendung

Verwendung findet das überkritische CO2 neben der Erdöl- und Erdgasexploration durch das „Enhanced Oil Recovery“-Verfahren (EOR) und „Enhanced Gas Recovery“-Verfahren (EGR), auch in den verschiedensten Industriezweigen. Beispielsweise wird es als Extraktionsmittel oder Destraktionsmittel zum Entkoffeinieren von Kaffee, als Lösungs- und Trocknungsmittel organischer Präparate, sowie zur Reinigung hochempfindlicher Geräte verwendet. Der Vorteil des überkritischen CO2 liegt darin, dass es sich nach dessen Verwendung durch Abnahme von Druck verflüchtigt. In der Lebensmittelindustrie wird Kohlenstoffdioxid oft Getränken zugesetzt, um kohlensäurehaltige Getränke herzustellen. Weitere Anwendungen findet es in Feuerlöschern und als Kältemittel in Klimaanlagen, bei Transportkühlungen, sowie zur Kühlung von Lebensmitteln in Supermärkten (Kött 2008).

3 Entwicklung und Folgen des C02-Anstiegs seit der Industrialisierung

Die Industrialisierung begann Mitte des 18. Jahrhunderts in England. Fast ein ganzes Jahrhundert später (1848/49) setzte die industrielle Revolution auch in Deutschland ein. Seitdem hat sich die C02-Konzentration in der Atmosphäre, wie in Abbildung 2 zu sehen, durch Verbrennung fossiler Rohstoffe und Änderungen in der Landnutzung, um 39% von 280 auf 390 ppm stetig erhöht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: C02-Anstieg seit der Industrialisierung (erstellt nach Daten von FRIEDLI et al. 1986, SCRIPPS 2013, N0AA2013)

Wie die folgende Tabelle aufzeigt, ist bisher auch noch kein Trend absehbar, dass sich dieser Anteil verringert, da der jährliche Anstieg an CO2 in der Atmosphäre seit Dekaden weiterhin ungehindert zunimmt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2: Jährlicher C02-Anstieg seit 1963 (erstellt nach CO2NOW 2013)

Damit hat Kohlenstoffdioxid das höchste Niveau seit über 420.000 Jahren4 erreicht (Petit et al. 1999). Dieses Niveau wird nicht nur beibehalten, sondern in den nächsten Jahrzehnten auf voraussichtlich bis zu 600 ppm ansteigen, falls dem durch drastische Emissionsminderungen nicht entgegengewirkt wird (IPCC 2001). Verschiedene Forschergruppen des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung (PIK) haben 2004 vier Szenarien über die Entwicklung der Kohlenstoffdioxidkonzentration in der

Atmosphäre, erstellt (siehe Abbildung 3). Dabei wurden verschiedenste Faktoren und unterschiedliche Szenarien der Umweltentwicklung verwendet. Auf die einzelnen, farblich gekennzeichneten Szenarien wird in dieser Arbeit jedoch nicht weitereingegangen (PIK 2004).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Vier Modelle der C02-Entwicklung (PIK 2004)

Demnach nehmen jeweils zwei Szenarien den ungefähr gleichen Werdegang der Kohlenstoffdioxidkonzentration an. Die positiven Szenarien (blau und grün) sehen eine Chance in der Eindämmung des weiteren C02-Anstiegs und nur noch eine geringere Erhöhung auf ca. 600 ppm. Die beiden negativen Szenarien (rot und gelb) rechnen damit, dass jenes C02-Problem auch in Zukunft nicht unter Kontrolle gebracht werden kann und der Anteil auf fast 1.000 ppm ansteigen wird.

Diese Szenarien sehen massive Probleme und Folgen für die Menschheit voraus (PIK 2004). Folgen des Anstieges sind schon heute und seit längerem zu beobachten. Lange Zeit wurde ein anthropogener Grund für den globalen Temperaturanstieg von Wissenschaftlern und Politikern ausgeschlossen und solche Theorien belächelt. Heute wird die Wahrscheinlichkeit, dass menschliches Einwirken den natürlichen Treibhauseffekt verstärkt und maßgebend an der globalen Klimaänderung beteiligt ist, mit „sehr wahrscheinlich“5 (IPCC 2007) angegeben. Laut dem „Intergovernmental Panel on Climate Change“ hat sich die mittlere globale Temperatur seit 1850 bis 2001-2005 um ca. 0,76 °C6 erhöht (Abbildung 4). Im Bericht des IPCC aufgeführte Beobachtungen seit 1961 zeigen weiterhin, dass die Temperatur der Ozeane7 bis in eine Tiefe von 3000 m angestiegen ist. Da sich das Wasser mit zunehmender Temperatur ausdehnt, trägt dies zusammen mit dem Abschmelzen der Gebirgsgletscher und Eiskappen, zum Anstieg des Meeresspiegels bei (IPCC 2007). Die Erkenntnisse über die Veränderung der Temperatur und den Anstieg des Meeresspiegels werden vom IPCC in Abbildung 4 gestützt. Daraus erschließt sich ein direkter Zusammenhang zwischen dem Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur und dem Meeresspiegel. Derartige Klimadiagramme über einen Zeitraum von mehr als 100 Jahre muss man jedoch kritisch begegnen und hinterfragen, unter welchen Umständen diese Werte erfasst wurden und wie glaubwürdig ein daraus resultierender globaler Temperaturanstieg wirklich ist. So war die Dichte der globalen Temperaturmessungen vor 150 Jahren auf einem wesentlich niedrigeren Niveau als heute. Die Anzahl von Temperaturmesspunkten war zu diesem Zeitpunkt weitaus geringer. So gibt es auch nur wenige Messdaten auf dem offenen Meer aus anfänglichen Zeiten der Wetterdatenerfassung (Jones et al.1999), während die globalen Temperaturen seit der Messung durch Satelliten viel akkurater geworden sind. Dieser Unterschied von groben und mangelhaften globaler Verteilung von Messungen damals bis sehr präzisen und dichten Messungen heute, vereint in einem Diagramm, kann ein Grund für den „vermeintlichen“ Temperaturanstieg sein. Gleiches gilt auch für die Messung des Meeresspiegels. In Abbildung 4 wird von einem maximalen Meeresspiegelunterschied von 20 cm ausgegangen. Jedoch ist hier die Konsistenz der Messungen zu hinterfragen und es ist interessant, wie genau der Meeresspiegel denn wirklich zum Anfang des 19. Jahrhunderts erfasst werden konnte. Weiterhin spielen natürliche Faktoren eine Rolle. Es ist relevant zu klären, in welcher Höhe die Messpunkte gemacht wurden, da nicht jeder Ozean die tatsächlich gleiche Wasserhöhe hat, sondern diese auch variieren (Jones et al.1999).

[...]


1 Ziel der internationalen Klimapolitik. Darin wurde festgelegt, dass das globale Klima sich nicht mehr als zwei Grad Celsius gegenüber dem Niveau vor Beginn der Industrialisierung erwärmen darf.

2 ca. 74-fache Atmosphärendruck

3 CO2 liegt in allen drei Phasen vor

4 Nach IPPC (2007) selbst der letzten 650.000 Jahre

5 Wissenschaftlicher Sprachgebrauch des vierten IPCC-Berichts. Demnach bedeutet „sehr wahrscheinlich“ eine mindestens 90-prozentige Wahrscheinlichkeit.

6 Mittelwert des Unsicherheitsbereiches [0,57 - 0,95 °C]

7 Ozeane absorbieren über 80 % der dem Klimasystem zugeführten thermischen Energie

Ende der Leseprobe aus 58 Seiten

Details

Titel
Nachhaltige Verfahren zur Reduzierung von CO2-Emissionen fossiler Kraftwerke und die Sequestrierung des Treibhausgases mittels Carbon Capture and Storage (CCS)
Hochschule
Universität Potsdam  (Institut für Erd- und Umweltwissenschaften)
Note
1,7
Autor
Jahr
2013
Seiten
58
Katalognummer
V302120
ISBN (eBook)
9783956875861
ISBN (Buch)
9783668005549
Dateigröße
2842 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
kreislauf, kohlenstoffs, speicherung, senken, verfahren, reduzierung, co2-emissionen, kraftwerke, sequestrierung, treibhausgases, carbon, capture, storage
Arbeit zitieren
Christian Bartels (Autor), 2013, Nachhaltige Verfahren zur Reduzierung von CO2-Emissionen fossiler Kraftwerke und die Sequestrierung des Treibhausgases mittels Carbon Capture and Storage (CCS), München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/302120

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