Chemical Looping

Festbettverfahren zur Chemical-Looping-Verbrennung

Das Chemical-Looping-Verfahren (CLC) ist eine innovative Feuerungstechnik und wird vor dem Hintergrund der angestrebten CO₂-Emissionsminderung bei der Energieversorgung aus fossilen Brennstoffen in Kraftwerken intensiv untersucht. Dabei wird das CLC-Verfahren bisher hauptsächlich in Labor- und Technikumsanlagen unter Verwendung der Wirbelschichttechnik realisiert. Vorteilhaft ist u. a. die NO_X-freie Verbrennung. Ferner besteht das Abgas aus dem Brennstoffreaktor bei einer idealen Prozessführung nur aus CO₂ und H₂O, sodass sich auch die Option bietet, CO₂ abzuscheiden und einem Verwertungsprozess zuzuführen.

Bei dem von IUTA entwickelten Festbettverfahren sind die O₂-Carrier auf einem porösen Träger immobilisiert, der vom Brenngas durchströmt wird. Die Regeneration der O₂-Carrier erfolgt mit durchströmender Luft.

Als Sauerstoffcarrier werden bisher oft Nickel bzw. Nickeloxide verwendet. Aufgrund der Kos­ten sowie der negativen Umwelt-, Gesundheits- und Sicherheitsaspekte von Nickel wird intensiv nach alternativen Materialien gesucht. Geeignet sind beispielsweise Eisenoxide.

Nanoskalige O₂-Carrier zeigen gegenüber den bisher verwendeten grobkörnigeren Materialien (100 bis 1000 µm) grundlegend andere Eigenschaften, insbesondere auch hinsichtlich der Reaktionsgeschwindigkeit. Diese wird dabei von einer schnellen Oberflächenreaktion und einer langsamen, diffusionsgetriebenen Austauschreaktion im Inneren des O₂-Carriers bestimmt.

In dem Projekt werden γ-Fe₂O₃-Nanopulver (Maghemit) mit einer Partikelgröße von 10 bis 15 nm eingesetzt. Aus Untersuchungen anderer Forschergruppen lässt sich schließen, dass das Reaktionsgeschehen bei den von IUTA eingesetzten Nanopartikeln ausschließlich durch die schnelle Oberflächenreaktion bestimmt wird. Aufgrund ihres großen Oberflächen- zu Volumenverhältnisses eignen sich nanoskalige O₂-Carrier daher dazu, die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen. Als Trägermaterialien für die O₂-Carrier dienen in dem Forschungsprojekt offenporige Metall- und Keramikschäume, da sie eine große innere Oberfläche (bis zu 5.400 m²/g) für die Beschichtung mit Fe₂O₃-Nanopartikeln aufweisen. Die beschichteten Schäume werden in einem Rohrofen bei Temperaturen bis 800 °C mit Brenngas durchströmt. Entstehender Ruß wird bei der nachfolgenden exothermen Regeneration der O₂-Carrier mit durchströmender Luft abgebrannt.

Die Untersuchungen zeigen bei der Oxidation von CO, dass die auf dem Metallschaum aufgebrachte Menge an Fe₂O₃-Nanopartikeln ausreicht, um zu einem deutlich messbaren Umsatz zu CO₂ zu führen.

Hauptanwendungsgebiete des neuen Verfahrens sollen nach weiteren Entwicklungen einerseits die Energieerzeugung aus Erd- oder Biogas im derzeitig unteren Leistungssegment von Gasbrennern sein. Das Verfahren bietet nach erfolgreichem Scale-up auch Entwicklungsoptionen für weitere Anwendungen in der Energietechnik wie z. B. in Brennkammern für Gasturbinen mit und ohne Abwärmenutzung sowie in Brennern für Industrieöfen, aber auch in gasbetriebenen Infrarotheizungen bzw. -strahlern z. B. für industrielle Trocknungsprozesse. Insbesondere bei der Weiterentwicklung etablierter Verbrennungstechnologien sind viele kleine oder mittelständische Unternehmen beteiligt, sodass durch das Vorhaben für diese Unternehmen Wissen zur Entwicklung einer neuen Gasbrennertechnologie sowie der zugehörigen Peripherie generiert wird.