Der Weg zur Klimaneutralität gleicht einem vielschichtigen Puzzle, dessen Gesamtbild sich aus technischen Innovationen, gesellschaftlichem Wandel und politischer Gestaltung zusammensetzen muss. Einige dieser Puzzlestücke sind bereits gesetzt, viele weitere müssen noch entwickelt oder präzise eingefügt werden. Eines dieser technischen Elemente kann die Oxyfuel-Verbrennung sein – ein Verfahren mit großem Potenzial, die industriellen CO2-Emissionen nachhaltig zu reduzieren.
Bei der Oxyfuel-Verbrennung erfolgt die Verbrennung fossiler oder biogener Brennstoffe nicht mit Umgebungsluft, sondern mit nahezu reinem Sauerstoff. Der entscheidende Vorteil gegenüber der herkömmlichen Luftverbrennung liegt im deutlich höheren CO2-Gehalt des Abgases. Da Luft zu etwa 78 Prozent aus Stickstoff besteht – einem Reaktionsinerten, der nicht zur Verbrennung beiträgt –, wird dieser beim Oxyfuel-Verfahren weitgehend ausgeschlossen. Das entstehende Abgas setzt sich primär aus Wasserdampf und Kohlendioxid zusammen.
Nach Abscheidung des Wasserdampfs durch Kondensation bleibt ein nahezu reines CO2-Gasgemisch zurück. Dieses lässt sich durch Carbon Capture and Storage (CCS) abtrennen und in geologischen Formationen – beispielsweise in unterirdischen Salinen-Aquiferen oder ausgeförderten Erdgasfeldern – dauerhaft speichern. Damit wird das CO2 dem natürlichen Kohlenstoffkreislauf entzogen.
Politische Weichenstellung: Rückenwind für CCS ab 2025
Mit der Regierungsbildung im Frühjahr 2025 hat die neue deutsche Koalition ein klares Bekenntnis zur Förderung von CCS-Technologien abgegeben. Ziel ist es, die rechtlichen und infrastrukturellen Rahmenbedingungen so weiterzuentwickeln, dass CO2-Abscheidung und -Speicherung nicht mehr ausschließlich auf „unvermeidbare“ Industrieemissionen beschränkt bleiben. Künftig sollen auch emissionsintensive Gaskraftwerke die Möglichkeit erhalten, abgeschiedenes CO2 sicher zu speichern. Damit wird CCS zunehmend zu einem zentralen Bestandteil des zukünftigen Energiesystems.
Trotz des großen Potentials ist die Oxyfuel-Verbrennung kein Selbstläufer: Die Erzeugung von hochreinem Sauerstoff ist energieintensiv und erfordert leistungsfähige Luftzerlegungsanlagen. Darüber hinaus entstehen im Verbrennungsprozess theoretisch extrem hohe Flammentemperaturen, die hohe Anforderungen an die Materialien und Komponenten klassischer Wärmeerzeuger wie Dampfkessel oder Wärmetauscher stellen. Es bedarf daher ausgefeilter Temperaturmanagement-Strategien, um einen sicheren und wirtschaftlichen Anlagenbetrieb zu gewährleisten.
Kennzahlen im Vergleich: Die Vorteile im Detail
Ein theoretischer Vergleich zentraler verbrennungstechnischer Kennwerte verdeutlicht die Unterschiede zwischen konventioneller Erdgasverbrennung mit Luft und Oxyfuel-Verbrennung mit reinem Sauerstoff.
Verfahren | Erdgas + Oxidationsmittel Luft | Erdgas+ Oxidationsmittel Sauerstoff |
|---|---|---|
Adiabate Verbrennungstemperatur | 2.000 °C | 3.500 °C |
Rauchgasvolumen (Nm³ Rauchgas/Nm³ Gas) | 10,6 | 3 |
CO2 | 9,7 Volumenprozent | 33,8 Volumenprozent |
H2O | 18,6 Volumenprozent | 65,1 Volumenprozent |
N2 | 71,7 Volumenprozent | 1,1 Volumenprozent |
Besonders auffällig ist der Unterschied im Rauchgasvolumen: Während bei Luftverbrennung große Mengen inaktiven Stickstoffs mitgeführt werden, reduziert sich das Rauchgasvolumen im Oxyfuel-Verfahren um etwa den Faktor drei. Das resultierende Abgas besteht fast ausschließlich aus CO2 und Wasserdampf. Der Wasserdampf kann durch Kondensation relativ simpel abgeschieden werden – ideale Voraussetzungen für eine einfache CO2-Abscheidung ohne aufwendige Rauchgasbehandlung.
Auch die theoretisch erreichbare Verbrennungstemperatur unterscheidet sich deutlich. Während die Flammentemperatur bei der Erdgas-Luft-Verbrennung bei etwa 2.000 °C liegt, kann sie bei Oxyfuel-Verbrennung auf bis zu 3500 °C ansteigen – ein Temperaturunterschied von rund 1500 Kelvin. Diese extremen Temperaturen stellen jedoch eine zentrale Herausforderung dar. Um sie in einem technisch beherrschbaren Bereich zu halten, hat sich insbesondere die Rauchgasrezirkulation als effektives Verfahren etabliert.
Rauchgasrezirkulation: Schlüssel zur Temperaturkontrolle
Bei der Rauchgasrezirkulation wird ein erheblicher Anteil des bei der Verbrennung entstehenden Abgases nach dem Wärmetauscher wieder dem Brenner zugeführt, angereichert mit reinem Sauerstoff. Dies erhöht gezielt den Anteil reaktionsträger Gaskomponenten im Verbrennungsraum – vorwiegend CO2 und H2O – und senkt so die Flammentemperatur. Im Unterschied zur klassischen Luftverbrennung besteht der sogenannte „Ballast“ also nicht aus Stickstoff, sondern ausschließlich aus Komponenten, die bei der Verbrennung entstehen. Dadurch bleiben die Vorteile der Oxyfuel-Technologie, insbesondere die unkomplizierte Abscheidung eines nahezu reinen CO2-Stroms, vollständig erhalten.
Praxisbeispiel: Anwendung und Bewertung im Anlagenmaßstab
Ein aktuelles Projekt veranschaulicht den Einsatz der beschriebenen Technik unter realen Bedingungen. Am Standort eines Kunden ist der Bau eines Dampf-Flammrohrkessels mit einer Dampfleistung von 17 t/h geplant. Ziel ist es, ein CO2-angereichertes Abgas zu erzeugen. Als Brennstoffe stehen Leichtöl sowie ein prozessbedingt anfallendes Gas zur Verfügung. Installiert wird ein Drallbrennersystem der Firma Saacke, das sowohl im konventionellen Betrieb mit Luft als auch im Oxyfuel-Modus betrieben werden kann.
Im Oxyfuel-Betrieb wird das Rauchgas hinter dem Economiser entnommen, mit Sauerstoff angereichert und in gestufter Form dem Brenner zugeführt. Diese gestufte Sauerstoffzufuhr ermöglicht nicht nur eine präzisere Steuerung der Verbrennungsreaktion, sondern reduziert auch die Bildung von Stickoxiden (NOx) deutlich – ein besonders wichtiger Aspekt, da das eingesetzte Prozessgas organisch und anorganisch gebundenen Stickstoff enthält, der bei nicht gestufter Sauerstoffzufuhr zu erhöhten Emissionen führt.
Zur Bewertung der beiden Betriebsmodi wurden verschiedene Lastfälle mithilfe numerischer Strömungssimulationen (CFD) analysiert. Die Simulationen erfolgten mit der Software ANSYS Fluent für nicht vorgemischte Verbrennungsprozesse. Dabei wurden zwei Szenarien untersucht: Zum einen die konventionelle Verbrennung des Prozessgases mit Luft, zum anderen die Oxyfuel-Verbrennung mit sauerstoffangereichertem Rauchgas.
Der Vergleich der Flammentemperaturen (Abbildung 1 und Abbildung 2) ergab keine signifikanten Unterschiede – ein Beleg für die Wirksamkeit des eingesetzten Thermomanagements. Interessanterweise zeigte der Flammenkern bei Luftverbrennung sogar tendenziell höhere Temperaturen, da der inerte Luftstickstoff weniger Wärme absorbiert als der hohe inerte Anteil an CO2 und H2O im Oxyfuel-Betrieb. Auch die Flammenform und -lage (Abbildung 3 und Abbildung 4) zeigten günstige Ergebnisse: Zur Visualisierung wurde eine Isofläche bei 2.500 ppm CO definiert, die dem sichtbaren Flammenumriss entspricht. Im Oxyfuel-Betrieb war die Flamme etwas länger, jedoch vollständig ausgebrannt. Die technische Machbarkeit des angedachten Konzeptes war damit bewiesen.
Fazit: Viel Potenzial, aber individuelle Lösungen notwendig
Die Ergebnisse verdeutlichen die technische Machbarkeit der Oxyfuel-Verbrennung als Option für eine klimafreundlichere industrielle Wärmeerzeugung. Der sichere und effiziente Betrieb entsprechender Systeme ist technisch möglich – vorausgesetzt, sie werden individuell auf die jeweiligen Anforderungen vor Ort abgestimmt. Saacke unterstützt seine Kunden hierbei mit der hauseigenen Consulting- und Engineering-Abteilung „Ombustion“, die maßgeschneiderte Lösungen für unterschiedlichste Anwendungen entwickelt.
Insgesamt handelt es sich bei der Oxyfuel-Technologie um ein äußerst vielversprechendes Verfahren mit erheblichen Zukunftschancen – ein weiteres entscheidendes Puzzlestück auf dem Weg zur Klimaneutralität.
