Kombinierte Technikumsanlage zur CO2-Abscheidung durch Membranen und Gaswäsche. Darüber hinaus verfügt das Institut über mobile Anlagen zur Untersuchung und Optimierung von Adsorptionsverfahren. Foto: © IUTA e.V.
Kopplung von CO₂-Abscheidung und Wärmepumpen an Abfallverbrennungs-Anlagen
Wärme zur Desorption nutzen, ohne sie zu verlieren
CO2-Emissionen von Anlagen zur thermischen Abfallbehandlung (TAB) sind unvermeidlich. Deshalb kann nur die Abscheidung von CO2 aus dem Abgas der Abfallverbrennung den Eintrag des Treibhausgases in die Atmosphäre verhindern. CO2-Abscheideanlagen benötigen jedoch Energie, insbesondere Wärme für die Regeneration des Sorptionsmittels. Im gerade gestarteten Projekt RekupCC untersuchen IUTA-Forschende, wie Hochtemperatur-Wärmepumpen in das System integriert werden können, um den Wärmebedarf für die CO2-Desorption nicht auf Kosten der kommunalen Wärmeplanung decken zu müssen.
Welche CO₂-Mengen entstehen bei der Müllverbrennung?
Laut Destatis wurden im Jahr 2019 deutschlandweit rund 25 Mio. Tonnen Abfälle in 156 thermischen Abfallbehandlungsanlagen verbrannt. Dabei entstehen im Mittel etwa 1,1 Tonnen CO2 pro Tonne Restmüll, davon sind etwa 50 % aus biogenen Quellen. Diese Einschätzung der Emissionen gab das Wuppertal Institut im Jahr 2022 in einer Publikation bekannt.
Seit 2024 unterliegen TAB dem „Gesetz über einen nationalen Zertifikatehandel für Brennstoffemissionen“ (BEHG) und sind verpflichtet, CO2-Emissionen mit Zertifikaten zu bezahlen.
Wärmeenergiebedarf der CO₂-Abscheidung
Im Projekt werden Absorptionsverfahren betrachtet, weil sie bisher die einzige verfügbare Technologie mit dem erforderlichen Reifegrad für den Einsatz an TAB sind. Ihr großer Nachteil ist ihr hoher Bedarf an thermischer Energie für die Regeneration des Absorptionsmittels:
Etwa 3,6 GJ pro Tonne abgeschiedenes CO2 werden für die Desorption aus Waschlösungen mit Monoethanolamin (MEA) oder Diglykolamin (DGA) bei 120 °C benötigt. Zusätzlich brauchen diese Systeme etwa 3,1 bis 4,9 GJ pro Tonne abgeschiedenes CO2 zur Kühlung an verschiedenen Stellen des Gesamtprozesses.
Dies berechneten IUTA-Mitarbeitende schon im Vorfeld des Projektes, in dem neben aminhaltigen Waschlösungen auch die Alkalicarbonatwäsche betrachtet wird.
Das Dilemma: Konkurrenz um die Abwärme der TAB
TAB sind mehrheitlich in kommunalem Besitz und ihre Abwärme ist vielerorts fester Bestandteil der kommunalen Wärmeplanung. Den Kommunen diese Abwärme ganz oder teilweise zu entziehen, weil sie für den Betrieb der CO2-Abscheidung benötigt wird, ist weder für die bisherigen Nutzer noch für den Klimaschutz erstrebenswert. Denn der Strom und die Wärme, die dann über die TAB-Anlage nicht mehr bereitgestellt würden, müssten auf andere, möglichst klimaneutrale Weise beschafft werden.
Die Lösung: Hochtemperaturwärmepumpen
In einer CO2-Abscheideanlage wird Kühlenergie an verschiedenen Stellen benötigt. Unter anderem muss das heiße Rauchgas vor dem Eintritt in den Absorber gekühlt werden, ebenso das bei der Regeneration zurückgewonnene CO2, bevor es weitertransportiert werden kann. Um diese bei der Kühlung freiwerdende Wärme für den Betrieb der Desorptionsanlage nutzbar zu machen, werden Wärmepumpen in das System integriert.
Das Konzept ist im Grundprinzip einfach, denn alle technischen Komponenten, die dafür benötigt werden, sind am Markt vorhanden. Die Komplexität ergibt sich aus den Details der Anlagenteile:
- eine große Bandbreite der durch einzelne TAB vorgegebenen Rauchgasmengen und -zusammensetzungen,
- die Auswahlmöglichkeiten bei den Absorptionslösungen,
- die möglichen Variationen beim Betrieb der Wäscher,
- die Anforderungen an die Konditionierung des CO2 für Weitertransport, Nutzung oder Lagerung,
- die Auswahl der Wärmepumpen hinsichtlich der erforderlichen Temperaturniveaus und der eingesetzten Kältemittel.
Genau hier setzt RekupCC an: Nach umfangreichen Analysen relevanter Daten werden Abscheideverfahren und CO2-Konditionierung modelliert. Damit wird die Energieintegration durch die Verschaltung der einzelnen Prozesse mit Wärmeübertragernetzwerken und die Berechnung der Abwärmepotenziale ermöglicht. Diese Simulation wird für sechs verschiedene Szenarien durchgeführt, die hinsichtlich ihrer Energieeinsparpotenziale und Kosten verglichen werden.
Die Ergebnisse fließen ein in ein bereits vorhandenes branchenspezifisches Tool zur Technologieauswahl von Carbon Capture Verfahren an TAB, so dass Betreiber damit die Kosten der CO2-Abscheidung mit optionaler Wärmerückgewinnung berechnen und die für sie sinnvollste Variante ermitteln können.
Ansprechpartner
M.Sc. Björn Wölk
woelk@iuta.de