Stoffliche Nutzung der Braunkohle - Eine Chance für die Energiewende

Braunkohle kann mehr - Kohlenstoffquellen sind unverzichtbar

Für die Stromerzeugung in Deutschland spielt die Braunkohle eine wichtige Rolle: Sie ist eine subventionsfrei zu nutzende heimische Ressource, die aufgrund großer Vorräte noch viele Jahre zur Verfügung steht. Dazu hat sie den Vorteil, dass bei ihrer Nutzung die Wertschöpfung nahezu vollständig in Deutschland verbleibt.

Braunkohle kann noch mehr: Sie kann als Kohlenstoffträger auch stofflich genutzt werden. Mit ihr können Ausgangsstoffe für die petrochemische oder die chemische Industrie hergestellt werden, wie z. B. Naphtha, Wachse, Ammoniak oder Methanol. Des Weiteren können aus Braunkohle alternative Kraftstoffe für Dieselmotoren, wie DME (Dimethylether) und OME (Oxymethylether), produziert werden. Diese können das Abgasverhalten des aus CO2-Sicht effizientesten Verbrennungsmotors deutlich verbessern, da die NOx- und Rußemissionen entscheidend geringer sind. Produkte aus Braunkohle, die sonst üblicherweise aus Erdöl oder Erdgas hergestellt würden, führen bei der Weiterverarbeitung z.B. zu höheren Ausbeuten bei Folgeprodukten oder sorgen für eine saubere Verbrennung. Darüber hinaus sind die aus Braunkohle hergestellten Produkte schwefelfrei und aromatenarm.

Der Rohstoffbedarf wächst weltweit; die Rohstoffversorgung wird häufig durch wenig planbare politische und ökonomische Entwicklungen beeinflusst. Deshalb kann Braunkohle erheblich zur Versorgungssicherheit und zur Diversifizierung der Rohstoffversorgung in der (petro-)chemischen Industrie Deutschlands beitragen. Zu dem gleichen Schluss ist im Frühjahr 2015 auch die Enquete-Kommission II des nordrhein-westfälischen Landtags „Zukunft der chemischen Industrie in Nordrhein-Westfalen“ gekommen. Sie weist der Braunkohle in ihrem „Abschlussbericht im Hinblick auf nachhaltige Rohstoffbasen, Produkte und Produktionsverfahren“ eine wichtige Rolle zu. Ihre stoffliche Nutzung verbreitere die Versorgungsbasis der chemischen Industrie und verringere die Importabhängigkeit (Pressemitteilung).

Von der Kohle zum Kraftstoff, wie funktioniert das?

Die Prozesse zur Umwandlung von Braunkohle zu chemischen und petrochemischen Rohstoffen werden als „Coal to Liquid-“ oder „Coal to Gas“-Verfahren (kurz CtL und CtG) bezeichnet.

Zoom Synthesegas © francis bonami, Fotolia.com; Chemierohstoffe © Zsolnai Gergely, Fotolia.com Im ersten Schritt wird Rohbraunkohle, die ca. 50% Wasser enthält, zunächst auf einen Restwassergehalt von rund 12% getrocknet. Danach wird sie in einem Vergaser bei hohen Temperaturen mit einer unterstöchiometrischen Menge Sauerstoff umgesetzt, so dass die Kohle nicht verbrennt, sondern ein Gasgemisch entsteht, das als „Synthesegas“ bezeichnet wird. Dieses Gasgemisch enthält als Hauptkomponenten Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid sowie geringe Mengen Schwefelwasserstoff. Je nach gewünschtem Produkt muss neben der Abtrennung von CO2 und H2S in einem nächsten Schritt, der Gasaufbereitung, das Verhältnis von Kohlenmonoxid und Wasserstoff eingestellt werden. Im letzten Schritt, der Synthese, kann dann das gewünschte Produkt wie z. B. Methanol, Ammoniak, Naphtha (Ausgangsstoff z.B. zur Kunststoffproduktion) oder Methan (Hauptkomponente von Erdgas) gebildet werden.

Basis für die Anwendung der rheinische Braunkohle in CtL-/CtG-Verfahren sind zwei Schlüsseltechnologien: die Kohletrocknung und die Kohlevergasung.

Zu beiden Technologien hat RWE aus zahlreichen Projekten, Pilot- und Demonstrationsanlagen jahrzehntelange Erfahrungen gesammelt. Für die Trocknung der Braunkohle wurde sogar ein eigenes Verfahren entwickelt, die „Wirbelschichttrocknung mit interner Abwärmenutzung“, kurz WTA®.

Herausforderung 1: Optimierung von Investitionskosten

Nutzung von Synergien: Das Annex-Konzept

Die kommerzielle Nutzung von Kohle als Rohstofflieferant für die chemische und petrochemische Industrie wird in einigen Ländern bereits betrieben. Beispiele sind China, Südafrika oder die USA.

Ob sie sich in Europa und speziell in Deutschland etabliert, wird insbesondere von der Entwicklung der Öl- und Gaspreise sowie der CO2-Zertifikatekosten abhängen, aber auch vom Investitionsaufwand für die Produktionsanlagen.

Wirtschaftlich verbessern lässt sich die Route von Kohle zum Chemieprodukt über sogenannte Annex-Konzepte. Hier wird gezielt eine Eingliederung z.B. der Synthesegasherstellung in bereits existierende Industrie- oder Kraftwerksstandorte angestrebt, um bestehende Infrastrukturen bestmöglich zu nutzen.

Entwicklung neuartiger Verfahrenskonzepte

Weitere Kostensenkungspotentiale können durch die konsequente Entwicklung von alternativen Anlagenkonzepten gehoben werden. RWE untersucht derzeit konkret ein neues Waschverfahren, dass im Bereich der Gasaufbereitung das Rohgas aus dem Vergaser auf eine von der Synthese benötigte Qualität reinigt. Es wird erwartet, dass das neuartige Waschkonzept die Investitionskosten der Gasaufbereitung um ca. 50% reduziert.

Üblicherweise wird bei CtL/CtG-Anlagen zur Entfernung von Schwefelkomponenten und CO2 das Rectisolverfahren eingesetzt. Da es tiefkaltes Methanol als Waschmittel einsetzt, ist es durch die notwendigen Kälteanlagen kapitalintensiv. Die im RWE Projekt konzipierte alternative Gasreinigung kombiniert anderweitig erprobte Verfahrensschritte. In einem ersten Schritt wird der größte Anteil der im Synthesegas unerwünschten Komponenten Schwefel und CO2 mit Hilfe eines Aminwaschmittels unter Druck entfernt. In einer anschließenden Regenerationsstufe wird das beladene Aminwaschmittel von diesen Komponenten befreit. Das frei werdende Gemisch aus CO2 und Schwefelwasserstoff wird in einer H2O2- Waschkolonne (Wasserstoffperoxid) gewaschen. Hier wird Schwefelwasserstoff zu festem Schwefel aufoxidiert, der aus dem umlaufenden Waschmedium kontinuierlich abgetrennt wird. Als Kopfprodukt verlässt hochreines Kohlendioxid diese Kolonne. Das in der Aminwäsche vorgereinigte Synthesegas wird in einer Laugewaschkolonne zu spezifikationsgerechtem hochreinen Synthesegas aufbereitet. Die verbrauchte Waschlauge wird in einer Aufbereitung mit Luftsauerstoff und Dampf behandelt und kann ins Abwasser abgegeben werden.

Herausforderung 2: Minderung von CO2-Emissionen

Im Vergleich zur Braunkohleverstromung emittiert die stoffliche Nutzung von Kohle bereits deutlich weniger CO2, da ca. 50% der Kohlenstoffatome in den Produkten gebunden werden. Durch den Einsatz regenerativer Energien können die verbleibenden CO2-Emissionen bis auf Null gesenkt werden. Dabei ist die Nutzung regenerativer Energien flexibel in dem Maße möglich, wie diese zur Verfügung stehen. Die stoffliche Nutzung von Braunkohle ist daher ein effizientes und einfaches Vehikel zur verstärkten Nutzung regenerativer Energien in der Rohstoffversorgung der chemischen Industrie.

Welche Optionen gibt es?

Zum einen kann Biomasse als Kohlenstoffträger in der stofflichen Nutzung dienen. In der Vergasung kann ein Teil der Braunkohle flexibel durch Biomasse ersetzt werden. Auf diesem Weg schafft man einen Kohlenstoffkreislauf für die Rohstoffversorgung der chemischen Industrie. In welchem Maße Biomasse hierfür eingesetzt werden kann, hängt vor allem von ihrer Verfügbarkeit ab.

Zum anderen ist der Einsatz von regenerativem Überschussstrom aus Photovoltaik- und Windkraftanlagen möglich. Hierbei bieten sich aus unserer Sicht vor allem drei Alternativen: Über eine Elektrolyse kann aus Strom Wasserstoff hergestellt werden. Wird dieser anstelle des Wasserstoffs aus einer prozessinternen Shift-Reaktion im Prozess eingesetzt, kann die Bildung von CO2 im Shift bis auf Null reduziert werden. Gleichzeitig wird die Produktausbeute nahezu verdoppelt.

Eine weitere Option zielt darauf ab, die bei der Vergasung entstehende CO2-Menge zu reduzieren. Bei der Vergasung muss mindestens die Menge Sauerstoff zugesetzt werden, mit der der in fester Form vorliegende Kohlenstoff in gasförmiges Kohlenmonoxid umgesetzt werden kann. Eine weitere Bedingung für den Vergasungsprozess ist, dass er bei einer bestimmten Mindesttemperatur ablaufen muss. In der Praxis wird daher zur Wärmeerzeugung mehr Sauerstoff eingesetzt als zur Überführung des festen Kohlenstoffs in CO nötig wäre. Hierbei wird Kohlendioxid gebildet. Die Idee der RWE Forscher ist es nun, diesen Wärmeeintrag nicht über die Verbrennung von Kohle, sondern über Strom zu realisieren. Hierzu kann z.B. der Vergaser selbst mit regenerativem Überschussstrom beheizt werden. Denkbar ist auch die Vorwärmung von Stoffströmen, die üblicherweise auf niedrigem Temperaturniveau in den Vergaser geleitet werden (Brennstoff, Sauerstoff, Fluidisierungs- und Transportmedien). Berechnungen zeigen, dass bis zu 20% der üblichen Kohlendioxidemissionen auf diesem Wege eingespart werden können.

Eine dritte Option nutzt als Kohlenstoffquelle des Verfahrens CO2 aus industriellen Prozessen mit unvermeidbarer CO2-Produktion (z.B. Zement und Roheisen). In Kombination mit regenerativem Wasserstoff kann aus CO2 in der reversen Shift-Reaktion konventionelles Synthesegas hergestellt werden, das zur Herstellung der oben genannten Produkte genutzt werden kann. Diese Option setzt natürlich voraus, dass mit „grünem“ Strom wirtschaftlich konkurrenzfähiger Wasserstoff hergestellt wird. Diese Option könnte einen vollständigen Kohlenstoffkreislauf in der Rohstoffwirtschaft realisieren, ist aber derzeit am weitesten von einer Wirtschaftlichkeit entfernt. Grund dafür sind sehr hohe Investitionskosten für Elektrolyseure sowie bislang nicht wirtschaftlich nutzbare, zu geringe Mengen Überschussstrom. Bis eine Wirtschaftlichkeit für diese Art der CO2-Nutzung gegeben ist, ist der Weg über die Nutzung der Braunkohle das Vehikel, die notwendigen Technologien einer zukunftsträchtigen Option in großtechnischer Dimension zu erproben.

Aktuelle Aktivitäten

In Gesprächen mit potentiellen Produktabnehmern aus Deutschland und dem benachbarten Ausland prüft RWE zurzeit gezielt chemische und petrochemische Märkte und analysiert in Frage kommende Standorte. Ziel ist ein ökonomisch attraktives Produktportfolio einschließlich der notwendigen Infrastruktur für die stoffliche Braunkohlenutzung.

Darüber hinaus läuft bereits die erste Phase der verfahrenstechnischen Anlagenplanung.

Im BMWi-geförderten Projekt Fabiene testet RWE bis 2020 Schlüsselkomponenten für CtL/CtG Verfahren im Technikumsmaßstab gemeinsam mit den Partnern TU Darmstadt und ThyssenKrupp Industrial Solutions aus Dortmund.

Anwendungsorientierte Forschung an unserem Innovationszentrum Kohle am Kraftwerk Niederaußem untermauert diese Tätigkeiten.

Ihr Ansprechpartner:

 

Weiterführende Informationen