Energieumwandlung: effizienter und klimafreundlicher

Mann in blauem Arbeitsanzug in einer Testanlage für ein CO2-freies Kraftwerk

Effizienz als Ergebnis von Forschung

Foto: Vattenfall

„Energie wird nicht gewonnen, sondern umgewandelt!“ Aus dem Mund der Referentin des Bundeswirtschaftsministeriums klang der Satz fast vorwurfsvoll. Aber ich werde es beherzigen, schließlich hat sie Recht.

Bei der Verbrennung von Kohle, Öl oder Gas in einem Kraftwerk entsteht Wärmeenergie, mit der meist Wasser zum Verdampfen gebracht wird. Der Dampfdruck erzeugt wiederum Bewegungsenergie in einer Turbine, die ein Generator schließlich in elektrischen Strom umwandelt. Aus der in dem Brennstoff seit Jahrmillionen gespeicherten chemischen Energie entsteht so elektrische Energie: eine Umwandlung, zweifellos.

Mehr Energie nutzen

Schon aus dieser kurzen Beschreibung wird deutlich, dass bei einer derartigen Umwandlung häufig mehrere Zwischenschritte durchlaufen werden. Bei jedem einzelnen geht Energie verloren, etwa durch Reibung oder Abgas. So muss das heiße Wasser aus der Turbine abgekühlt werden. Häufig gelangt es in großen Dampfschwaden aus den Kühltürmen in die Luft.

Diese Wärme ließe sich besser nutzen, beispielsweise für eine Fernheizung. Dieses Prinzip nennt man Kraft-Wärme-Kopplung. Der Wirkungsgrad eines derartigen Kraftwerks kann über 80 Prozent betragen. Das bedeutet, dass 80 Prozent der im Brennstoff gespeicherten chemischen Energie jeweils etwa zur Hälfte in Strom und Heizwärme umgewandelt werden. Experten rechnen damit, dass allein der bundesweite Ausbau der Kraft-Wärme-Kopplung den Kohlendioxid-Ausstoß um 9 Prozent verringern könnte.

Neuartige Kraftwerke nutzen mehr Energien

Ein völlig neuer Ansatz sind Gas- und Dampf-Kombikraftwerke. In einer Gasturbine treibt das heiße Abgas bei der Verbrennung von Erdgas oder Öl direkt eine Turbine an. Da dieses Abgas eine Temperatur von 1.350 Grad Celsius und einen Druck von bis zu 35 bar aufweist, bedarf es besonders widerstandsfähiger Bauteile. Ein Fall fü die Materialforschung: Es gilt, neuartige Beschichtungen für Brennkammer und Turbinenschaufeln etwa aus Keramik zu entwickeln.

Das Gas verlässt die Turbine mit einer Temperatur von immer noch 600 Grad. Nutzt man diese Wärme, um Wasser zu verdampfen, lässt sich mittels einer nachgeschalteten Dampfturbine zusätzlich Strom gewinnen. Der Wirkungsgrad der Gasturbine allein beträgt 40 Prozent. Im Verbund mit der Dampfturbine soll er eines Tages insgesamt bei 63 Prozent liegen.

Klimaschädlichkeit verringern

Kohlekraftwerke gelten wegen ihres hohen Ausstoßes von Kohlendioxid (CO2) als besonders klimaschädlich. Weltweit haben Kohlekraftwerke im Schnitt einen Wirkungsgrad von um die 30 Prozent. In Deutschland liegt dieser Wert immerhin bei 38 Prozent. Die Forschung arbeitet mit Hochdruck daran, die Effizienz zu steigern: 43 Prozent für Braunkohle- und 46 Prozent für Steinkohlekraftwerke sind angepeilt.

Der Effekt würde sich deutlich auf den Kohlendioxid-Ausstoß auswirken. Professor Alfons Kather von der Technischen Universität Hamburg-Harburg rechnet vor: „Würde man alle steinkohlegefeuerten Dampfkraftwerke auf der Welt durch solche nach dem neuesten Stand der Technik ersetzen, dann würde dies für diese Anlagen eine Verringerung der CO2-Emissionen von etwa 35 Prozent bedeuten.“

Hier liegt auch das globale Problem. Deutschland trägt nur mit etwa drei Prozent zum weltweiten Ausstoß des klimaschädlichen Gases bei. Wichtig ist deshalb die Entwicklung und der Export unserer Technologie etwa in Schwellenländer, in denen immer noch Kohlekraftwerke mit veralteter Technik entstehen.

Ganz wesentlich für die Umwandlung des Dampfdrucks in der Turbine ist die Gestaltung der Schaufelräder, die der Druck in Bewegung setzt. Inzwischen sind sie sehr kompliziert gestaltet, um den unterschiedlichen Druckverhältnissen innerhalb der Maschine gerecht werden zu können.

Der Wirkungsgrad lässt sich auch mit höheren Temperaturen des Dampfes steigern. Genau auf die Temperaturverhältnisse abgestimmte Leitungsquerschnitte tun ein Übriges. All diese Veränderungen führen indes an materialtechnische Grenzen. Ohne die Forschung geht da nichts.

Kein CO2 mehr in die Atmosphäre

Moderne Kohlekraftwerke mit Kraft-Wärme-Kopplung blasen sehr viel weniger CO2 in die Luft als herkömmliche Kraftwerke. Trotzdem entsteht bei der Verbrennung von Kohle, vor allem von Braunkohle, überproportional viel des klimaschädlichen Gases.

Die größte Herausforderung an die Forschung ist es, das unvermeidlich entstehende CO2 nicht in die Atmosphäre gelangen zu lassen. Daraus ergeben sich zwei große Herausforderungen für die Wissenschaft: Wie isoliert man Kohlendioxid aus dem Abgas und speichert es anschließend dauerhaft, ohne dass es in die Atmosphäre gelangt?

An beiden Fragen arbeiten Forscherinnen und Forscher zusammen mit der Industrie schon seit Längerem intensiv. Das Bundeswirtschaftsministerium hat für diese Projekte eine Initiative namens Cooretec ins Leben gerufen. Der Name leitet sich ab von „CO2-Reduktions-Technologien in fossil befeuerten Kraftwerken“. In fünf Arbeitsgruppen mit unterschiedlichen Schwerpunkten suchen hier hochrangige Vertreter aus Forschung und Industrie nach Lösungen. Seit 2004 fließen an die 100 Millionen Euro Fördergelder in diese Forschungen.

Derzeit gibt  es drei Verfahren zur Abtrennung von CO2 aus dem Rauchgas. Ein chemisches Verfahren, bei dem die Verbrennung mit reinem Sauerstoff erfolgt, liefert besonders reines CO2. Ein  Problem besteht darin, dass die Prozedur selbst sehr viel Energie benötigt. Ein zweites Verfahren trennt CO2 aus dem Abgas ab. Es bringt jedoch ein sehr viel stärker verunreinigtes Gas hervor, das nicht zur unterirdischen Speicherung geeignet ist.

Im September 2008 hat im brandenburgischen Spremberg eine 30 Megawatt-Pilotanlage ihren Betrieb aufgenommen. In großem Maßstab wird hier die Technologie zur CO2-Abscheidung erprobt und optimiert. Das gewonnene Gas wird  im Rahmen des europäischen Projekt CO2-Sink nahe Berlin in den Untergrund gepumpt. Forscherinnen und Forscher untersuchen dabei, ob eine sichere Lagerung in vergleichbaren geologischen Schichten dauerhaft möglich ist.

mehr zur unterirdischen Lagerung von CO2

Noch in der frühen Planungsphase steckt ein weiteres Projekt mit dem Namen Sugar. Es geht in die Tiefe: Methan aus unterseeischen Lagerstätten wird gefördert und dabei durch CO2 ersetzt. Das Methan lässt sich wiederum als Brennstoff für Kraftwerke verwenden.

Ließe sich dieses Verfahren bis zur Praxisreife entwickeln, wäre viel gewonnen: Methan ist unter dem Meeresboden in rauen Mengen vorhanden.

mehr zum Projekt Sugar

All diese Beispiele zeigen, dass die dringend erforderliche Effizienzsteigerung im Umgang mit den immer teureren fossilen Brennstoffen entscheidend von der Forschung abhängt.

Gleichzeitig lässt die Forschung Verfahren entstehen, die zum Klimaschutz beitragen. Es ist zu hoffen, dass sie noch rechtzeitig wirken können, um die drohende Klimakatastrophe zu verhindern.

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