Kohlendioxid: Klimakiller oder Rohstoff?

Beleuchtet wurden aktuelle Forschungsaktivitäten rund um die Abscheidung und Lagerung von Kohlendioxid bei der Erdgas-Gewinnung und beim Betrieb von Kohlekraftwerken sowie etablierte Verfahren und Techniken zur industriellen Nutzung von Kohlendioxid (Extraktion mit überkritischem CO2, Reinigungsaufgaben, Schäumen von Kunststoff). Bei allen Verfahren spielen Hochdruckpumpen eine wesentliche Rolle.

Beispielsweise bei den Anwendungsmöglichkeiten von überkritischem CO2. Seine exzellenten Lösungseigenschaften werden z. B. beim Extrahieren von Naturstoffen (Kaffee, Tee, Hopfen) und bei der Auftrennung temperaturempfindlicher Stoffe kommerziell genutzt. Durch das Anpassen von Druck und Temperatur wird die optimale Dichte eingestellt, um hohe Löslichkeiten zu erreichen. Auf diese Weise können Extraktionsraten erhöht oder Substanzen, die in konventionellen Lösungsmitteln unlöslich sind, für die Extraktion zugänglich gemacht werden.

Lewa ist auch in Verfahren zur Aufarbeitung von verunreinigten Böden, zur Entfettung/Entölung von Werkstücken und zur Trennung von Schleifschlämmen involviert. Weitere, teils in der industriellen Praxis umgesetzte, teils in Entwicklung befindliche Verfahren sind z. B. die Textilreinigung oder die Textilfärbung mit überkritischem CO2. Die Herausforderung an den Pumpenhersteller: Neben der Kompressibilität von Flüssiggasen, die im höheren Druckbereich erheblichen Einfluss auf den Fördergrad der Pumpe hat, spielt die bei der Verdichtung entstehende Kompressionswärme eine große Rolle: Die Oberfläche im Pumpenkopf erwärmt sich. Dadurch kann, wenn das CO2 am Dampfdruck vorliegt, im Saughub Kavitation entstehen, die zu einem Fördergradverlust der Pumpe führt. Um dem entgegen zu wirken, wird die Saugleitung oder der Pumpenkopf oder auch beides gekühlt.

Ein weiterer interessanter Einsatz von CO2 bietet sich beim Schäumen von Kunststoffen – hier ist Lewa als kompletter Systemlieferant führend. Aufgabenstellung ist das zuverlässige und pulsationsarme Dosieren des Treibmittels (CO2, Propan, Butan, Propan/Butan-Gemische, halogenierte Kohlenwasserstoffe) bei Drücken zwischen 250 und 500 bar in eine Kunststoffschmelze. Da die Treibmitteldosierung einen elementaren Einfluss auf die Qualität des Endproduktes hat (Dämmeigenschaften, Dichte, Porengröße), werden Anlagen zum Schäumen von Kunststoffen meist als selbstüberwachende Systeme ausgeführt. Führungsgröße der Dosierpumpe ist im Regelfall die Drehzahl des Extruders. Die Dosierpumpe, häufig als Doppel- oder Dreifachpumpe ausgeführt, bringt proportional zur Extruderdrehzahl die entsprechende Menge Treibmittel in die Polymerschmelze ein. Diese Regelung übernimmt der Lewa Kleinrechner FIS-Dialog.

Auf dem ‚Green Technologies Day‘ wurde CO2 auch als Multitalent für die Reinigung vorgestellt. Die Herausforderung: In einer Fertigung unter reinen Bedingungen können selbst kleinste Kontaminationen die Produktqualität beeinträchtigen. Viele der etablierten Reinigungsverfahren kommen dabei an ihre Grenzen. Der Einsatz von in einer Düse beschleunigtem CO2-Schnee stellt für zahlreiche Anwendungen eine Reinigungsalternative dar. Diese resultiert aus der Kombination von schonender Abrasiv-

Wirkung, Induktion von Thermospannung, Löslichkeit und Spülwirkung. Auch für die Inline-Reinigung von Sacklöchern sind die Vorteile des CO2-Schneestrahl-Verfahrens nutzbar. Der Lösungsansatz des Reinigungsverfahrens besteht darin, die im Bohrloch vorhandenen Ölreste zunächst effektiv mittels überkritischem CO2 zu entfernen, um die Haftkräfte abzubauen, die die Partikel im Bohrloch zurückhalten. Anschließend werden die jetzt lose vorliegenden Partikel mittels des beschleunigten CO2-Strahls aus der Bohrung ausgeblasen. Der überwiegende Teil der Bearbeitungshilfsstoffe lässt sich sehr gut entfernen.

Bei der Stromerzeugung fallen große Mengen an CO2 an. Etwa die Hälfte des in Deutschland erzeugten Stroms wird mit Kohle erzeugt. Zur Minderung der dabei anfallenden CO2-Emissionen gibt es nur wenige Möglichkeiten – eine davon ist die Verbesserung der Umwandlungseffizienz: Die Erhöhung des Wirkungsgrads eines Kraftwerks ist die beste Methode, um Kohlendioxid einzusparen. Der zentrale Nachteil der CO2-Abscheidung und -Speicherung (CCS-Technologie, Carbon Capture & Storage), die auch CO2-Emissionen reduzieren soll, ist damit klar: Die Wirkungsgradverluste liegen im Bereich von 8 bis 13 Prozentpunkten. Das bedeutet, dass die Umsetzung der CCS-Technologie es erforderlich macht, größere Mengen von Kohle zu verbrennen, um die Kraftwerksleistung gleich zu halten.

Für die Rückverpressung von fossilem Kohlendioxid, das in Erdgas-Förderfeldern anfällt, wird die CCS-Technologie bereits seit einigen Jahren angewandt. Das im Erdgas enthaltene CO2 wird abgetrennt und wieder in die Lagerstätten oder in unterirdische Kavernen gepresst. Eine sehr bekannte CCS-Anlage befindet sich am Snøhvit-Gasfeld in Norwegen. Hier werden die im geförderten Erdgas enthaltenen 5 bis 8% Kohlendioxid in einem chemischen Absorptionsprozess vom Rohgas getrennt, komprimiert, verflüssigt und schließlich in die Lagerstätten zurückgepumpt. Für das Verpressen sind die weltgrößten Prozess-Membranpumpen von Lewa im Einsatz.

Fazit: Es ist nicht richtig, CO2 allein unter dem Aspekt ‚Klimakiller‘ zu betrachten. Die Referenten des ‚Green Technologies Day‘ bei Lewa konnten überzeugend belegen, dass es sich um eine äußerst attraktive Verbindung handelt, die beispielsweise bei der überkritischen Extraktion, bei Reinigungsaufgaben und beim Schäumen von Kunststoffen wertvolle Dienste leistet. Die Emission von anthropogen erzeugtem Kohlendioxid beträgt derzeit weltweit ca. 29 Milliarden t/a.

Die Nutzung von CO2 als Industriegas liegt demgegenüber bei ca. 20 Millionen t/a, als Chemierohstoff etwa bei 110 Millionen t/a* – ein eher begrenzter Beitrag zur Reduktion der Kohlendioxid-Emission. Die rohstoffliche Nutzung ist dennoch in der Gesamtstrategie des ‚Carbon-Managements‘ eine wichtige Option.

* Weltweite Innovationen bei der Entwicklung von CCS-Technologien und Möglichkeiten der Nutzung und des Recyclings von CO2 (Schriften des Forschungszentrums Jülich, 2010).