Brennstoffzellen fangen Kohlendioxid ab

Eine US-Firma entwickelt Brennstoffzellen, die gleichzeitig Strom produzieren und Kohlendioxid aus dem Abgas von Kraftwerken filtern.

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Von
  • Kevin Bullis
  • Gregor Honsel

Eine US-Firma entwickelt Brennstoffzellen, die gleichzeitig Strom produzieren und Kohlendioxid aus dem Abgas von Kraftwerken filtern.

Die Idee, Kohlendioxid aus dem Abgas eines Wärmekraftwerks abzutrennen und unterirdisch einzulagern, klingt zwar charmant, krankt bislang aber an zwei Faktoren: Erstens lässt sich ein dafür benötigtes CO2-Endlager politisch schlecht durchsetzen. Zweitens senkt die Abscheidung den Stromertrag eines Kraftwerks um etwa ein Drittel und kostet damit viel Geld. Zumindest Letzteres könnte eine neue Technik nun ändern: Das CO2 wird dabei nicht wie bisher in einem eigenen energieaufwendigen Prozess aus dem Rauchgas ausgewaschen, sondern quasi als Nebenprodukt der Stromerzeugung mit Brennstoffzellen ausgefiltert. Das jedenfalls ist die Hoffnung der US-Firma FuelCell Energy in Connecticut. Sie stellt sogenannte Schmelzkarbonatzellen ("Molten Carbonate Fuel Cells", MCFC) für Industriebetriebe und Stromversorger her. Und diese eignen sich auch für die CO2-Abscheidung.

Schmelzkarbonatzellen produzieren Strom aus Methan (CH4). Im ersten Schritt wandelt ein sogenannter Reformer Methan und Wasserdampf in Kohlendioxid und Wasserstoff um. An der Kathode nimmt dieses Kohlendioxid ein Sauerstoff-Atom aus der Luft sowie zwei Elektronen auf und wird dadurch zu CO32-. An der Anode gibt es die beiden Elektronen wieder ab, aus Wasserstoff und CO32- werden Wasserdampf und Kohlendioxid. Das CO2 wird üblicherweise zurück zur Kathode gepumpt, sodass ein geschlossener Kreislauf entsteht.

Um Kohlendioxid abzuscheiden, wird dieser Kreislauf unterbrochen. Statt das CO2 wiederzuverwenden, bezieht die Brennstoffzelle frisches Kohlendioxid dann aus dem Abgas eines Kraftwerks. Dieses enthält etwa 5 bis 15 Prozent CO2, vermengt mit anderen Gasen, vor allem Stickstoff. Die Brennstoffzelle nimmt selektiv nur das Kohlendioxid auf und stößt es an der Anode mit einer Konzentration von rund 70 Prozent wieder aus. Der Rest besteht überwiegend aus Wasserdampf, der sich einfach auskondensieren lässt. So bleibt reines CO2 übrig, das sich unter die Erde pumpen lässt.

Schon seit den frühen 1990er-Jahren denken Forscher über diese Variante nach. Doch erst jetzt sind die dafür nötigen Brennstoffzellen so billig und haltbar geworden, dass ihre praktische Anwendung in Sicht kommt. Die Zellen der US-Firma FuelCell Energy etwa sind vergleichsweise günstig, weil sie ohne Edelmetall-Katalysatoren auskommen.

Völlig kostendeckend ist die Methode dennoch nicht – sie schlägt mit rund 20 bis 30 Dollar pro Tonne Kohlendioxid zu Buche. Das hätten Tests und Berechnungen ergeben, sagt Shailesh Vora, Programm-Manager am National Energy Technology Laboratory des US-Energieministeriums, das FuelCell Energy mit 2,4 Millionen Dollar bei der Weiterentwicklung seiner Technik unterstützt. Bisher hat das Unternehmen nur Brennstoffzellen mit wenigen Megawatt Leistung hergestellt. Um aber die gewaltigen Mengen Kohlendioxid eines Kraftwerks verarbeiten zu können, müssen sie auf mehrere Hundert Megawatt wachsen. Den Zuschuss des US-Energieministeriums will FuelCell Energy nun dazu nutzen, ein größeres System herzustellen, das an einem Kohlekraftwerk angebaut werden soll.

Ob das Unternehmen sein Ziel erreicht, ist unsicher. Ein Grund ist, dass Rauchgase von Kraftwerken Schwefel und andere Verunreinigungen aufweisen, welche die Arbeit der Brennstoffzelle stören. Das Abgas muss also gereinigt werden, bevor es zur Brennstoffzelle gelangen darf. Wie gründlich dies geschehen muss, ist ein entscheidender Faktor für die Endkosten der Methode. Sicher ist nur, dass das Verfahren bei Erdgas-Kraftwerken besser funktionieren dürfte, denn diese produzieren sauberere Abgase als Kohlekraftwerke.

Aber auch 20 Dollar pro Tonne Kohlendioxid wären aus reinen Klimaschutz-Gesichtspunkten zu viel. Darmstädter Forscher wollen ein Verfahren entwickelt haben, CO2 bereits für 10 Euro pro Tonne abzuscheiden. Es eignet sich aber nicht zur Nachrüstung, nur für den Neubau von Kraftwerken. Und die CO2-Emissionsrechte kosten nur rund vier Euro pro Tonne.

FuellCell Energy hofft aber, CO2 als Rohstoff etwa an Gärtnereien abgeben zu können, wo es in Gewächshäusern das Pflanzenwachstum verstärkt. Das Treibhausgas ließe sich damit in Biomasse binden. Auch Öl-Gesellschaften sind mögliche Abnehmer. Sie nutzen Kohlendioxid, um Rohöl aus den Bohrlöchern zu pressen, und legen dafür extra Pipelines zu den entlegenen Bohrstellen. Karbonat-Brennstoffzellen könnten hingegen direkt vor Ort das anfallende Erdgas, das sonst ohnehin abgefackelt würde, in CO2 wandeln und dabei auch noch Strom erzeugen. Wenn die Ölquelle erschöpft ist, würde sie verschlossen, und das restliche CO2 bliebe im Untergrund gefangen.

Wie die CO2-Bilanz bei diesem Modell unter dem Strich aussieht, ist allerdings noch unklar. Wenn beim Verbrennen des zusätzlich geförderten Öls mehr CO2 entsteht, als in der Quelle eingelagert werden kann, hätte zumindest das Klima wenig gewonnen. (grh)