title: Bewertung und Optimierung des indirekt beheizten Carbonate-Looping-Prozesses im Pilotmaßstab für die Anwendung in der Kalkindustrie
Creators: name: Hofmann, Carina Charlotte
Publisher: name: UNSPECIFIED
Year: 2025

description: Eine der größten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts ist die Reduzierung der anthropogenen CO₂-Emissionen in der Erdatmosphäre zur Eindämmung der ökologischen und wirtschaftlichen Folgen des globalen Klimawandels. In einigen energieintensiven Industrien sind Teile der generierten CO₂-Emissionen prozessinhärent, sodass sich eine Vermeidung durch Maßnahmen wie Effizienzsteigerung oder Nutzung erneuerbarer Energien als schwierig erweist. Insbesondere in den Bereichen Kalk-, Zement- und Stahlherstellung spielen Verfahren zur Abscheidung, Speicherung und Wiederverwertung von CO₂ (CCUS) zur vollständigen Dekarbonisierung des jeweiligen Sektors eine entscheidende Rolle. Der Prozessschritt der Abscheidung ist dabei der energieintensivste. Deren Wirkungsgrad konnte durch neue Forschungsansätze in der letzten Dekade deutlich gesteigert werden. Dennoch besteht bei der Anwendung von CCUS-Technologien in der Kalkproduktion ein signifikantes Optimierungspotenzial, um deren Wirtschaftlichkeit und Akzeptanz zu steigern.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Bewertung und Optimierung eines innovativen CO₂-Abscheiderverfahrens der zweiten Generation, des indirekt beheizten Carbonate-Looping-(IHCaL)-Prozesses für den Einsatz in Kalkwerken. Das Verfahren basiert auf der reversiblen Karbonisierungs-Kalzinierungsreaktion von Calciumoxid (CaO) und Kohlenstoffdioxid (CO₂). Hierbei wird ein auf Kalkstein-basierendes Sorbens zyklisch in zwei miteinander gekoppelten Wirbelschichten der Reaktion ausgesetzt. Das Besondere am IHCaL-Prozess ist, dass die für die endotherme Kalzinierungsreaktion erforderliche Wärme nicht direkt, sondern indirekt bereitgestellt wird. Dazu wird die Wirbelschicht von einer externen Brennkammer aus mit Wärme aus Wärmerohren versorgt. Die bei der Reaktion entstehenden Abgase werden gemeinsam mit dem Abgas der CO₂-Quelle dem Karbonator zugeführt.
Der IHCaL-Prozess stellt ein effektives und ökologisches Verfahren dar, welches die Abtrennung von CO₂ aus den Abgasen der Kalkproduktion sowie dessen Vermeidung ermöglicht. Infolge des geringen Energiebedarfs, des kostengünstigen Sorbens sowie dessen potenziellen Einsatzes in der Produktionsstätte, weist der IHCaL-Prozess signifikante ökonomische Vorteile gegenüber konkurrierenden Verfahren auf. In Konsequenz kann eine ressourcenschonende und nachhaltige Produktionskette von kalkbasierten Produkten gewährleistet werden. Die externe Brennkammer eröffnet die Möglichkeit, alternative biogene Brennstoffe zu nutzen, beispielsweise aus Abfällen, die zu einem bestimmten Anteil aus organischen Fraktionen bestehen. Durch die Abtrennung und Speicherung des als klimaneutral eingestuften CO₂ können negative Emissionen generiert werden und bereits emittiertes Kohlenstoffdioxid kompensiert werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine bestehende IHCaL-Versuchsanlage im Maßstab von 300 kWth hinsichtlich ihrer Funktionsfähigkeit und ihres Einsatzbereichs erweitert und optimiert. In diversen Versuchen mit unterschiedlichen Sorbenzien und Brennstoffen konnten Abscheideraten von bis zu 90 % erzielt werden. Die IHCaL-Pilotanlage wurde erstmalig mit Festbrennstoffen, respektive Kohle und Ersatzbrennstoffen, betrieben. Die gewonnenen Daten und Betriebserfahrungen bilden eine valide Grundlage, um die weitere Einsatzfähigkeit des IHCaL-Prozesses in Kalkproduktionsstätten und dessen Optimierungspotenzial bewerten zu können.