Kohlendioxid (CO2) ist bei Weitem das am häufigsten vorkommende Treibhausgas. Nach Angaben des Umweltbundesamtes entfielen 2022 auf Kohlendioxid 89,4 % der gesamten Treibhausgasemissionen. Um die vom Europäischen Parlament und von der Bundesregierung gesteckten Net-Zero-Ziele bis 2050 oder sogar 2045 zu erreichen, gilt es die Dekarbonisierung mit Nachdruck voranzutreiben. Das Gebot der Stunde heißt, Kohlendioxid auffangen, nutzen und speichern. In allen Verfahren und Phasen der Dekarbonisierung leisten Aggregate, Armaturen und Rohrsysteme aus Edelstahl Rostfrei einen zentralen Beitrag zum Erfolg.
Ob Kohle-, Gas- oder thermische Kraftwerke, Chemie-, Stahl- oder Zementindustrie: Überall dort, wo fossile Brennstoffe verbrannt werden oder chemische Prozesse stattfinden, entsteht CO2. Dieses wegen seiner Klimaschädlichkeit oft geschmähte Neben- oder Abfallprodukt ist für viele Prozesse und Produkte jedoch auch ein wertvoller Grundstoff, der obendrein die Abhängigkeit von fossilen Ressourcen verringern kann. Deshalb gilt Abscheiden (Carbon Capture, CC), Nutzen (Carbon Utilization, CU) und Speichern (Carbon Storage, CS) von CO2 als entscheidende Übergangstechnologie auf dem Weg zur Klimaneutralität.
Wege zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen
Für Carbon Capture kommen unterschiedliche Ansätze zum Tragen. Die gängigste und auch einfachste Möglichkeit, CO2 aus Verbrennungsprozessen zu entfernen, ist die sogenannte Post-Combustion Capture, eine nachgeschaltete Gaswäsche als letzter Schritt nach der Entschwefelung der Abgase. Im Gegensatz dazu wird bei Pre-Combustion Capture Kohlendioxid beispielweise in Synthesegas umgewandelt, bevor der Brennstoff verbrannt ist. Bei Oxyfuel-Combustion Capture wird der Brennstoff in reinem Sauerstoff verbrannt. Aus dem hierbei entstehenden Abgasstrom aus Wasser und CO2 lässt sich anschließend das Klimagas leicht abtrennen. Direct Air Capture (DAC) setzt auf Direktabscheidung von CO2 aus der Atmosphäre mithilfe großer Ventilatoren. Sie saugen mit einer Membran Umgebungsluft an und filtern deren Kohlendioxidmoleküle über eine Membran aus chemischen Fasern ab. Die in der Membran gebundenen CO2-Moleküle werden dann durch Erhitzen gelöst.
Carbon Utilization nutzt das abgeschiedene CO2 bei der Herstellung einer Vielzahl von Produkten. In chemischen oder physikalischen Prozessen wird es zu einem Rohstoff für synthetische Kraftstoffe, Chemikalien und Polymere umgewandelt. Betonwerke hingegen führen der Betonmischung während der Produktion CO2 zu, um die Druckfestigkeit des Betons zu erhöhen. Dieses patentierte Verfahren ermöglicht es auch, den Zementanteil im Beton zu reduzieren und durch die dauerhafte Bindung von Kohlendioxid die CO2-Bilanz des Baustoffs zu verbessern. Die Nahrungsmittelindustrie nutzt CO2 unter anderem zur Herstellung kohlensäurehaltiger Getränke, und in der Landwirtschaft wird es zur Verbesserung des Pflanzenwachstums eingesetzt.
Carbon Capture and Carbon Storage (CCS) verbindet die Abscheidung von Kohlendioxid mit der Zwischenlagerung zur späteren Verwendung als Rohstoff oder auch zur Endlagerung. Zur dauerhaften Endlagerung wird das abgeschiedene CO2 unter hohem Druck in unterirdische Formationen von Salzstöcken, erschöpfte Erdöl- und Gasfelder, tiefe Aqui-fere oder Offshore injiziert. Parlament, Rat und Kommission der EU sowie das Bundesministerium für Umwelt und Naturschutz befürworten CCS und die unterirdische Speicherung von klimaschädlichem CO2, um das ambitionierte Ziel der Klimaneutralität zu erreichen. Dies gilt insbesondere auch mit Blick auf die große Bedeutung von CCS als Übergangstechnologie in der Wasserstoffgewinnung, um die CO2-Emissionen aus fossilem Erdgas zu reduzieren. Während Umweltverbände wie Nabu und WWF die CCS-Pläne mit Speicherung in der Nordsee unterstützen, warnen andere wie BUND und Greenpeace vor unterschätzten Risiken des Verfahrens.
Erster Schritt: Abscheidung
Abgasreinigungsanlagen, die bei der Verbrennung von Biomasse und anderen organischen Materialien zum Einsatz kommen, setzen bei der Entfernung von Verunreinigungen mit Partikeln und anderen Schadstoffen auf korrosionsbeständige Filterelemente aus nichtrostendem Stahl vor der eigentlichen Reinigungseinheit. In Post-Combustion-Capture-Prozessen zur CO2-Abscheidung aus den Abgasen von Kohlekraftwerken, Müllverbrennungsanlagen oder anderen Industrien zählen Absorptionsanlagen zu den am häufigsten verwendeten Anlagen. Darin absorbieren Absorptionskolonnen von bis zu mehreren Metern Durchmesser mit Lösungsmitteln wie Amin das CO2. Füllkörper oder strukturierte Packungen als Weiterentwicklung der geordneten Füllkörper optimieren den Wärme- und Stoffaustausch in den Kolonnen. Möglich macht dies die Oberflächenvergrößerung durch die eng gewickelten Filterkomponenten aus Gewebe, Loch- oder Wellblech. Zugleich minimieren sie den Druckverlust und ermöglichen somit häufig auch geringere Kolonnendurchmesser. Sie kommen in vielen prozessspezifisch ausgelegten Edelstahl-Legierungen zum Einsatz, um den chemischen Angriffen und aggressiven Umgebungsbedingungen der Prozessströme standzuhalten. Anschließend wird in der Desorptionskolonne (Stripper) das CO2 von der flüssigen Phase in die Gasphase überführt und abgeschieden. Bei den dafür erforderlichen Wärmetauschern gewährleisten auf den jeweiligen Prozess abgestimmte Edelstahl-Legierungen hohe Wärmeübertragungseffizienz und lange Standzeiten. Strömungssensoren, deren Sensorelemente in Edelstahl Rostfrei gekapselt sind, und Durchflussmessgeräte mit einem Messrohr aus 1.4404 überwachen kontinuierlich den Prozess.
Zweiter Schritt: Speichern oder Nutzen
Nach der Abscheidung wird CO2 wieder durch Kompression zu einer Flüssigkeit verdichtet. Dieser komplexe Prozess stellt hohe Anforderungen an Pumpsysteme und Armaturen, da die Kompressibilität des Klimagases je nach Aggregatzustand variiert und somit sich auch der Volumenstrom verändert. Für den Verflüssigungsprozess von CO2 sind metallisch dichtende Absperrklappen aus Edelstahl bewährter Standard. Zum effizienten Transport des CO2 via Pipeline erhöhen die Pumpen den Druck noch weiter. Um den hohen Drücken und Temperaturunterschieden dauerhaft standzuhalten und angesichts der Flüchtigkeit von CO2 Leckagen beim Transport zu vermeiden, fällt bei Pumpen, Klappen, Ventilen, nahtlosen Rohren und Behältern die Wahl in der Regel auf Edelstahl Rostfrei. Für die Speicherung in unterirdischen geologischen Formationen stellen mehrstufige Hochleistungspumpen den hohen Druck sicher, der für das Verpressen des CO2 in Gesteinsformationen tief unter der Erde erforderlich ist. Hochdruckpumpen, Saugleitungen, Membranventile und doppelexzentrische Absperrklappen aus rostfreiem Stahl erfüllen in diesen Prozessen herausfordernde Aufgaben. Die austenitischen Güten 1.4404, 1.4408, Duplex 1.4593, Super-Duplex 1.4573 oder 1.4469 zählen hier zu den bevorzugt eingesetzten Werkstoffen.
