CO2-Abscheidung und -Speicherung

CO2-ABSCHEIDUNG UND -SPEICHERUNG WARUM NICKELLEGIERUNGEN FÜR AUFSEHEN SORGEN

Die Quest-Anlage für CO2-Abscheidung und -Speicherung (Carbon Capture and Storage, CCS) in der Nähe von Edmonton, Alberta (Kanada). Seit der Eröffnung Ende 2015 hat die Anlage mehr als 6,8 Millionen Tonnen CO2 abgeschieden und 2 km unter der Erde sicher gespeichert. Branchen weltweit versuchen, ihre Kohlendioxid-(CO2)-Emissionen zu reduzieren. Gleichzeitig soll verhindert werden, dass CO2 in die Atmosphäre freigesetzt wird. Hierbei kommt das Verfahren der Abscheidung zur Anwendung. Diese Technologien werden auch als CO2-Abscheidung und -Speicherung (Carbon Capture and Storage, CCS) bezeichnet.

Um das ambitionierte Netto-Null-Ziel bei den von Menschen erzeugten Treibhausgasemissionen zu erreichen, erkundet das Nickel Institute – heute wie eigentlich schon immer –, welche Art von Beiträgen Nickel bei der erfolgreichen CCS-Bereitstellung leisten kann und wie wichtig Nickel dabei ist. Diese Bemühungen erstrecken sich auf die gesamte CCS-Wertschöpfungskette, von der reifen Kohlendioxidabscheidung über den Transport bis hin zur unterirdischen Einlagerung.

Höhere Güten erforderlich

Korrosion und eine korrekte Materialwahl sind wichtige Aspekte bei der Entwicklung einer sicheren, zuverlässigen CCS-Infrastruktur und bei ihrem wirtschaftlichen Betrieb.

Viele CSS-Prozesse laufen bei niedrigen Temperaturen und Vorhandensein von Meerwasser ab, was zu sauren Bedingungen und einem erhöhten Korrosionsrisiko führt. Kohlenstoffstahl ist somit nicht geeignet, und häufig sind nickelhaltige Edelstähle höherer Güte und Nickellegierungen erforderlich. CO2-Abscheidungen aus Gasen enthalten oft Wasser, das in der Regel aus Verbrennungsprozessen stammt. Die Prozesse finden entweder unter nassen, sauren Bedingungen statt oder erfordern ein vorheriges Trocknen, um CO2 abzuscheiden. Bei manchen kommt es zu hohen Temperaturen unter widrigen Bedingungen, die für Kohlenstoffstahl ebenfalls ungeeignet sind.

Transport

Der CO2-Transport von der Kohlendioxidabscheidung bis zur unterirdischen Speicherung erfolgt in erster Linie über Pipelines, Schiffe, Lkw und Schiene. Kohlendioxid wird verflüssigt, um es zum Abscheidungsort transportieren zu können. Die für den Transport von CO2 von der Kohlendioxidabscheidung zur unterirdischen Speicherung verwendete Ausrüstung erfordert ebenfalls nickelhaltigen niedriglegierten Stahl, Edelstahl oder Nickellegierungen.

Der Weg führt nach unten

In unterirdische Speicher injiziertes CO2 ist in der Regel trocken und nicht korrodierend. Die Bohrstelle muss aber so konstruiert werden, dass die möglicherweise vorliegenden sauren Bedingungen, die zu Korrosion führen können, berücksichtigt werden. Daten zur Bohrstellenkonstruktion in den USA und der EU zeigen, dass für eine kritische Bohrlochinfrastruktur bei vorhandenem Korrosionsrisiko normalerweise nickelhaltiger Edelstahl sowie Nickellegierungen eingesetzt werden. Die USA haben klare Richtlinien für den Entwurf von CO2-Injektionsbohrlöchern und deren Bau vorgegeben, in denen die

Abgabe in den Boden Abscheidung und Trennung Bäume absorbieren CO2 aus der Atmosphäre

CO2 wird injiziert

Kohlebergwerke Erschöpfte Öl- und Gasvorräte

Tiefe Aquifere

Materialwahl betont wird, was erneut unterstreicht, wie wichtig Nickel bei der unterirdischen CO2-Endlagerung ist. Um die Materialauswahl für CCS-Prozesse zu unterstützen, entwickelt die Association for Materials Protection and Performance (AMPP) Richtlinien für die Materialauswahl und Korrosionskontrolle für CO²-Transport und Injektion, die angeben, wo nickelhaltige Materialien bevorzugt werden. Die CCS-Wertschöpfungskette wird von vielen Branchen weiterhin evaluiert, aber es ist offensichtlich, dass es nur wenige Schritte gibt, für die kein nickelhaltiger niedriglegierter Legierungsstahl oder Edelstahl gebraucht wird oder keine Nickellegierungen erforderlich sind. Dies zeigt, wie wichtig Nickel bei der CCSImplementierung ist, um in den kommenden Jahren und Jahrzehnten das NettoNull-Ziel bei von Menschen erzeugten Treibhausgasemissionen zu erreichen.

Wo ist Nickel „missionskritisch“?

• CO2-Rückgewinnung aus Abgas von Kohlekraftwerken, wobei das Gas mit

SO2 und Wasser kontaminiert ist, sodass ein saures Kondensat entsteht, das

Kohlenstoffstahl korrodieren würde.

• Flüssige Lösungsmittel wie Amine absorbieren CO2 aus dem Gasstrom.

Dies kann zu sauren, korrosiven Bedingungen im CO2-Absorptionstank, im

Flüssig-Amin-Fördersystem und im Abscheidebehälter führen, in dem das gereinigte CO2 freigesetzt wird.

• Wiedergewinnungssysteme für feste Absorptionsmittel, z. B. Temperatur-

Wechseladsorption (TSA), entfernen CO2 ebenfalls aus dem Gasstrom, indem es mit dem Absorptionsmittel interagiert. Bei diesem Prozess liegen feuchte Bedingungen mit Temperaturen von 40 °C bis 100 °C vor, wodurch saure korrosive Umgebungen entstehen. Aufgrund der potenziellen

Kohlensäurebildung sind die wichtigsten Risikobereiche der

Trocknungsprozess, bei dem nickelhaltiger austenitischer Edelstahl zum

Einsatz kommt, und das Vorabscheidungsgebläse, wo nickelhaltiger Duplex-

Edelstahl verwendet wird.

• Innovative Prozesse zur Verwendung und Abscheidung von CO2 wie der

Allam-Fetvedt-Stromerzeugungskreislauf, die nickelhaltige Legierungen für die CO2-Turbine und die Brennkammer verwenden, der Wärmetauscher und die Hochtemperatur-Rohrleitungen, mit denen diese beiden Komponenten verbunden werden.

VEREINFACHTER ALLAM-FETVEDT-KREISLAUF

Lufteingang

Erdgas

CO2 Recycling -Ablauf Reiner O2

Zusätzlicher WärmeInput

CO2

H2O

Energie CO2

CO2 H2O

Kohlenstoffsequestrierung Entsorgung

1. Lufttrenneinheit (Air Separation Unit, ASU) 2. Oxyfuel-Brennkammer 3. Turbine 4. Wärmetauscher 5. Kühlung

Beim Allam-Fetvedt-Vorgang werden Kohlenbrennstoffe in Wärmeenergie umgewandelt, während das dadurch generierte CO2 und Wasser abgeschieden werden.