Poppen und heizen mit wirbelnden Schichten

22. November 2011, 17:50
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Das Future-Energy-Technology-Team an der TU Wien erforscht die Möglichkeiten von Wirbelschichtverfahren - Damit soll Biomasse sauber verbrannt, aber auch Gas und Treibstoff hergestellt werden können

Im Labor des Instituts für Verfahrenstechnik der TU Wien riecht es wie in einem Kinofoyer - nach frischem Popcorn. Johannes Schmid streut etwas Salz über die aufgepoppten Maiskörner und nascht ein paar der weißen Flocken. "Das ist fettfreies, nur mit heißer Luft hergestelltes Popcorn. Essen ist im Labor aber eigentlich nicht erlaubt", sagt er grinsend. "Aber Maiskörner eignen sich sehr gut, um das Prinzip der Wirbelschicht zu erklären." Seine Kollegen Michael Fuchs und Gerhard Schöny nicken zustimmend. Alle drei beschäftigen sich im Rahmen der Forschungsplattform Future Energy Technology mit dem Thema Wirbelschicht.

Feste Stoffe werden "flüssig"

Weitere Maiskörner rotieren wie in einem Hurrikan gefangen in einer Duranglasröhre, poppen irgendwann auf, werden am Ende der gebogenen Röhre in einem sogenannten Zyklonabscheider separiert und landen in einer Schüssel. Im Labor verteilt stehen weitere sogenannte "Kaltmodelle", mit denen man die Funktionsweise unterschiedlicher Wirbelschichtverfahren erforscht.

"Das kann man sich so vorstellen", erklärt Schöny: "Feste Stoffe werden durch das Einströmen von Gas in einen fluidifizierten Zustand versetzt, das heißt, sie entwickeln flüssigkeitsähnliche Eigenschaften." Würde man den Behälter kippen, würden sich die Partikel wie Wasser in einem Glas verhalten, also waagrecht bleiben. Im Falle des Popcorns trifft Luft durch eine Lochplatte von unten auf die Maiskörner. Erhöht man die Luftzufuhr, erhöht sich auch die Kraft, die auf die Körner wirkt, sie beginnen sich zu lockern, hüpfen auf und ab: Es sieht aus, als würde eine Flüssigkeit blubbern. Sobald dies der Fall ist, spricht man von einer stationären Wirbelschicht, denn die Partikel bleiben im Wesentlichen dort, wo sie sind. Im Gegensatz zur zirkulierenden Wirbelschicht: "Lässt man noch mehr Gas in den Behälter einströmen, werden die Partikel aus ihrem Bett herausgetragen und im ganzen Behälter verteilt", sagt Schöny. Die ausgetragenen Partikel müssen dann aber wieder in einem Kreislauf in das Bett zurückgeführt werden. "Abhängig von der Gasgeschwindigkeit gibt es dann noch Zwischenstufen - blasenbildende, turbulente oder schnelle Wirbelschichten", sagt er. Ein Anwendungsfall wäre ein Vergaser, wo ein Feststoff, beispielsweise Biomasse, durch große Hitze in ein Produktgas umgewandelt wird. Das entstehende Produktgas ist aber mit störenden Abgasen vermischt. Die Lösung für dieses Problem heißt Zweibettwirbelschicht. Wenn man Gaserzeugung und Verbrennung in zwei gekoppelte Behälter aufteilt, so die Erkenntnis, kann im ersten Behälter der feste Ausgangsstoff - Biomasse, herkömmlicher Abfall und auch andere minderwertige Brennstoffe wie Klärschlamm - mithilfe von Wasserdampf in Gase umgewandelt werden.

Synthese, Strom und Wärme

Der Wasserdampf gibt dabei in Kombination mit dem Brennstoff teilweise Sauerstoff ab. Es entsteht ein brennbares Gasgemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, das Basis für chemische Synthesen ist. Das aus dem Ausgangsstoff erzeugte Gas wird abgeleitet, gereinigt, gesammelt, synthetisiert oder direkt zur Strom- und Wärmeerzeugung verwertet.

Restbrennstoff, der nicht vergast wurde, landet im zweiten Behälter, wo er mit Luft verbrannt wird und dadurch die für die Vergasung notwendige thermische Energie liefert. Produkte aus den Syntheseprozessen sind unter anderen Diesel, Methanol oder Methan (Erdgas). "Diese Technologie, nämlich die Prozesse auf zwei Kammern aufzuteilen, wurde seit Anfang der 1990er-Jahre an der TU erforscht und weiterentwickelt", sagt Michael Fuchs, Head of Strategic Management. Federführend dabei war und ist Institutsleiter Hermann Hofbauer. Letztendlich können Abgase, die bei der Verbrennung entstehen, von dem gewünschten Produktgas getrennt werden. "Große Anlagen, die sich dieses Verfahren zunutze machen, stehen heute schon in Güssing, Oberwart und Villach", sagt Johannes Schmid. "Große Anlagen werden zurzeit in Schweden und Deutschland gebaut."

Anlagen in kleinerem Maßstab stehen im Technikum der TU. Dort sieht es aus wie in einem Heizungskeller - man sieht Armaturen, Rohre, Kessel und viel Isoliermaterial. "Hier steht die derzeit größte in Betrieb befindliche Chemical-Looping-Versuchsanlage weltweit", sagt Schmid. Chemical Looping ist ein Verfahren, das auch auf dem Zweibettwirbelschichtprinzip beruht. Das Anlagendesign wurde an der TU entwickelt und ermöglicht es, Sauerstoff zwischen zwei Reaktoren zu transportieren und beispielsweise das bei der Verbrennung entstehende CO2 direkt aus dem ersten Prozessschritt abzuscheiden.

Dieser Kraftwerksprozess befindet sich allerdings noch im Entwicklungsstadium. Nicht so der wohl einzige wirkliche Kaffeevollautomat Wiens: Der tut bereits seine Pflicht im Labor. Während herkömmliche Geräte die Bohnen nur mahlen, übernimmt die Apparatur auch das Rösten - mittels Wirbelschichtverfahrens. (DER STANDARD, Printausgabe, 23.11.2011)

  • Gerhard Schöny, Johannes Schmid und Michael Fuchs (von links) im Technikum der TU Wien, wo Versuchsanlagen stehen.
    foto: standard/corn

    Gerhard Schöny, Johannes Schmid und Michael Fuchs (von links) im Technikum der TU Wien, wo Versuchsanlagen stehen.

  • Anhand von Maiskörnern, die mit heißer Luft zu Popcorn werden, demonstrieren die 
Forscher in ihrem Labor das Prinzip der Wirbelschichttechnologie.
    foto: standard/corn

    Anhand von Maiskörnern, die mit heißer Luft zu Popcorn werden, demonstrieren die Forscher in ihrem Labor das Prinzip der Wirbelschichttechnologie.

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