Warum Schwefeloxide schädlich sind und wie die Rauchgasentschwefelungstechnologie funktioniert

Feb 08, 2024

Schwefeloxide (SOx) haben mehrere schädliche Auswirkungen sowohl auf die Umwelt als auch auf die Gesundheit von Mensch und Tier. Ein Großteil des SOx in der Atmosphäre stammt aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe durch Kraftwerke und andere Industrieanlagen. Der Einsatz der Rauchgasentschwefelungstechnologie führt jedoch zu einer erheblichen Reduzierung der SOx- und Feinstaubemissionen.

Schwefeloxide (SOx) sind eine Gruppe von Molekülen aus Schwefel- und Sauerstoffatomen, wie zum Beispiel Schwefeldioxid (SO2) und Schwefeltrioxid (SO3). SOx sind Schadstoffe, die zur Bildung von saurem Regen und zur Feinstaubverschmutzung beitragen.

Einige SOx sind Gase, andere sind Flüssigkeiten oder feste Partikel. SO2 ist das gefährlichste der SOx-Moleküle. Es ist ein farbloses Gas, das nach verbrannten Streichhölzern riecht. SO3 hingegen ist oft ein farbloser oder weißer Feststoff, der weiße Dämpfe in der Luft erzeugt und starke Reaktionen mit Wasser zeigt. Sowohl SO2 als auch SO3 reagieren unter Bildung von Schwefelsäure, die für lebendes Gewebe giftig ist und den Hauptbestandteil von saurem Regen darstellt.

Während einige natürliche Quellen wie Vulkane zur SOx-Konzentration in der Atmosphäre beitragen, stammt der überwiegende Teil des freigesetzten SO2 aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe zur Strom- und Wärmeerzeugung. Beim Verbrennen von Kohle und Öl verbindet sich der darin enthaltene Schwefel mit dem Luftsauerstoff und erzeugt SOx. Erdgasbefeuerte Anlagen produzieren ebenfalls SO2, allerdings weitaus weniger. Das US Government Accountability Office stellte fest, dass Kohlekraftwerke pro erzeugter MWh mehr als 90-mal so viel SO2 produzierten wie Erdgaskraftwerke, was hauptsächlich auf den höheren Schwefelgehalt der Kohle zurückzuführen ist.

In die Atmosphäre abgegebenes SO2 kann chemische Reaktionen eingehen und Verbindungen bilden, die über große Entfernungen transportiert werden können. Nach Angaben der US-Umweltschutzbehörde EPA liegen diese chemischen Verbindungen in Form winziger Feststoffpartikel oder Flüssigkeitströpfchen vor und können tage- oder sogar jahrelang in der Luft verbleiben.

Irgendwann kehren die Schadstoffe jedoch durch die Prozesse der feuchten und trockenen atmosphärischen Deposition zur Erde zurück. In diesem Fall können die feinen Partikel zu schweren Atemwegserkrankungen wie Asthma und chronischer Bronchitis führen und zu einem vorzeitigen Tod führen. Darüber hinaus versauert SO2 das Oberflächenwasser, verringert die Artenvielfalt und tötet Fische; schädigt Wälder durch direkte Einwirkung auf Blätter und Nadeln sowie durch Bodenversauerung und Nährstoffmangel im Boden; trägt zu verminderter Sicht bei (regionaler Dunst); und beschleunigt die Verwitterung von Denkmälern, Gebäuden und anderen Stein- und Metallkonstruktionen.

Unter Feinstaub (PM) versteht man eine Mischung aus festen Partikeln und flüssigen Tröpfchen in der Luft. Die EPA klassifiziert feine einatembare Partikel als alle Partikel mit einem Durchmesser von 2,5 Mikrometern (Millionstel Meter) oder kleiner, die sie als PM2,5 bezeichnet. Obwohl Kraftwerke eine sehr begrenzte Menge PM direkt in die Luft ausstoßen dürfen, ist einer ihrer Hauptbeiträge zur PM-Luftverschmutzung die Emission von SO2, das in der Atmosphäre in Sulfat umgewandelt wird und über Hunderte von Kilometern transportiert werden kann . Die EPA hat erklärt, dass die gesundheitlichen Auswirkungen dieses PM Folgendes umfassen können:

Im Juni 1989 schlug Präsident George HW Bush umfassende Änderungen des Clean Air Act vor. Aufbauend auf Kongressvorschlägen aus den 1980er Jahren schlug Bush Gesetze vor, die darauf abzielten, drei große Bedrohungen für die Umwelt des Landes und die Gesundheit seiner Bevölkerung einzudämmen: sauren Regen, städtische Luftverschmutzung und giftige Luftemissionen. Der Vorschlag forderte auch die Einrichtung eines nationalen Genehmigungsprogramms, um das Gesetz praktikabler zu machen.

Sowohl das US-Repräsentantenhaus (401 zu 21) als auch der US-Senat (89 zu 11) verabschiedeten mit großer Mehrheit Gesetzesentwürfe zur Luftreinhaltung, die die Hauptbestandteile der Vorschläge des Präsidenten enthielten. Von Juli bis Oktober 1990 traf sich ein gemeinsamer Konferenzausschuss, um Differenzen in den Gesetzentwürfen auszuräumen, und das von den Konferenzteilnehmern empfohlene Paket wurde vom Kongress mit überwältigender Mehrheit angenommen. Der Präsident erhielt den Gesetzentwurf am 14. November 1990 und unterzeichnete ihn am nächsten Tag.

Die SO2-Emissionen von US-Kraftwerken begannen kurz nach der Verabschiedung der Clean Air Act Amendments (CAAA) von 1990 zu sinken (Abbildung 1). Zu den von der CAAA genehmigten Bestimmungen gehörte das Acid Rain Program (ARP), das ab 1995 eine Obergrenze für SO2-Emissionen aus Kohle- und Restölkraftwerken vorsah. Das Programm wurde in erster Linie durch Bedenken hinsichtlich der Auswirkungen von saurem Regen motiviert Gebiete in Windrichtung von Anlagen, die SOx-Verbindungen emittieren. Da auf Kohlekraftwerke ein großer Anteil der SO2-Emissionen entfällt, bot das Programm einen wirtschaftlichen Anreiz für sie, Systeme zur Kontrolle der Umweltverschmutzung zu installieren, schwefelärmere Kohle zu verbrennen und Anlagen mit hohen Emissionen weniger Strom einzuspeisen.

1. Von 1995 bis 2021 sind die jährlichen Schwefeldioxidemissionen (SO2) aus Kraftwerken um 92 % gesunken. Im Jahr 2021 emittierten Quellen sowohl im SO2-Jahresprogramm der Cross-State Air Pollution Rule (CSAPR) als auch im Acid Rain Program (ARP) zusammen 0,94 Millionen Tonnen, was einer Reduzierung um 11 Millionen Tonnen gegenüber dem Niveau von 1995 entspricht. Quelle: US-Umweltschutzbehörde (EPA)

Auch andere Vorschriften spielten eine große Rolle bei der weiteren Reduzierung der SOx-Emissionen. Im Jahr 2005 entwickelte die EPA die Clean Air Interstate Rule (CAIR), ein Cap-and-Trade-Programm, das darauf abzielt, die SO2-Emissionen in der östlichen Hälfte der USA über die im ARP festgelegten Werte hinaus zu reduzieren. Das CAIR befasste sich mit dem regionalen zwischenstaatlichen Transport von Verursachern von bodennahem Ozon (Smog), indem es 27 östliche Bundesstaaten dazu aufforderte, Umsetzungspläne zur Reduzierung der SO2-Emissionen einzureichen.

Auf die 27 durch das CAIR regulierten Staaten waren 1997 mehr als 80 % sowohl der Kohlestromerzeugung als auch der nationalen SO2-Emissionen des Energiesektors zurückzuführen. Das CAIR führte zumindest teilweise dazu, dass 91 GW Kohlekraftwerkskapazität nachgerüstet wurden Zwischen 2005 und 2011 wurden Rauchgasentschwefelungswäscher (REA) eingesetzt. Tatsächlich waren Ende 2011 bereits 60 % der US-amerikanischen Kohleflotte mit REA-Wäschern ausgestattet. Zusätzliche staatliche Anforderungen und Vergleiche im Rahmen des New Source Review-Programms der CAA trugen ebenfalls zu einem Anstieg der Umweltsanierungen von Kohlekraftwerken bei. Die CAIR wurde 2015 durch die Cross-State Air Pollution Rule (CSAPR) ersetzt.

Unterdessen wurden die Mercury and Air Toxics Standards (MATS) im Jahr 2012 fertiggestellt und mussten bis April 2015 (oder April 2016, mit Genehmigung einer Verlängerung um ein Jahr) eingehalten werden. Obwohl das MATS SO2 nicht direkt regelte, bestand der wichtigste Compliance-Ansatz vieler Stromerzeuger in der Installation von REA-Wäschern oder Geräten zur Einspritzung trockener Sorptionsmittel – beides entfernt zusätzlich zu den im MATS geregelten Zielluftschadstoffen auch SO2.

Die SO2-Emissionen wurden auch durch verschiedene Betriebsstrategien und die Einführung bestimmter Best Practices für die Verbrennung in der gesamten Kohleflotte reduziert. Zu den weiteren Faktoren, die sich auf die Emissionsreduzierung auswirken, gehört die allgemeine Abkehr von der Kohleverstromung, da die öffentliche Wahrnehmung hinsichtlich ihrer negativen Auswirkungen auf den Klimawandel an Dynamik gewonnen hat; Schließung kleinerer, weniger effizienter Kohlekraftwerke, die relativ höhere SO2-Emissionsprofile aufwiesen; eine Reduzierung des Einsatzes von Kohlestrom aufgrund des Überflusses an kostengünstigem Erdgas, was gasbetriebenen Anlagen einen Wettbewerbsvorteil verschafft; und ähnliche Effekte, die durch das Wachstum erneuerbarer Energiequellen verursacht werden.

Es gibt zwei gängige REA-Wäschertechnologien, die typischerweise zur Entfernung des in Kohlekraftwerken erzeugten SO2 eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um die Zwangsoxidation von Kalkstein – eine Nass-REA-Technologie – und den Kalksprühtrockner – eine halbtrockene REA-Technologie, die einen Sprühtrockner-Absorber (SDA) verwendet.

In Nass-REA-Systemen wird der verschmutzte Gasstrom mit einem flüssigen alkalischen Sorbens (typischerweise Kalkstein) in Kontakt gebracht, indem man ihn durch ein Becken der flüssigen Aufschlämmung drückt oder mit der Flüssigkeit besprüht. Das Alkali reagiert mit dem SO2-Gas unter Bildung von Calciumsulfit (CaSO3) oder Calciumsulfat (CaSO4), das in Form einer flüssigen Aufschlämmung gesammelt wird. CaSO3 und CaSO4 können sich absetzen und der Großteil des Wassers wird recycelt. Das abgesetzte Material, REA-Wäschermaterial oder Wäscherschlamm genannt, ist eine cremefarbene Aufschlämmung mit einem Feststoffgehalt von etwa 5 % bis 10 %. Da Kohlekraftwerke in der Regel sowohl über ein REA-System als auch über ein Flugascheentfernungssystem verfügen, wird manchmal Flugasche in das REA-Material eingearbeitet.

In trockenen REA-Systemen wird der verschmutzte Gasstrom mithilfe eines Sprühtrockners in halbtrockenem Zustand mit dem alkalischen Sorptionsmittel in Kontakt gebracht. Trockene REA-Systeme verbrauchen weniger Wasser als Nasssysteme und produzieren ein trockenes Nebenprodukt. Das gebräuchlichste Trocken-REA-System sprüht gelöschten Kalkschlamm in das Rauchgas. Das Hauptprodukt trockener REA-Systeme ist CaSO3 mit geringen Mengen CaSO4. Die Entfernungseffizienz für SDA-Systeme nimmt bei Kohlen mit einem SO2-Gehalt über 3 Pfund SO2/MMBtu stetig ab; Daher wird die Technologie im Allgemeinen nur in Anlagen eingesetzt, die die Möglichkeit haben, Kohlen mit einem Schwefelgehalt unterhalb dieses Grenzwerts zu verbrennen.

REA-Wäscher können eine Reduktionseffizienz im Bereich von 50 % bis 98 % erreichen. Die höchsten Abscheidegrade werden mit Nasswäschern erreicht, oft über 90 %. Die ersten Trockenwäscher, die in Betrieb genommen wurden, hatten Wirkungsgrade von weniger als 80 %, aber die Technologie hat sich weiterentwickelt und die neuesten Konstruktionen sind in der Lage, höhere Regelwirkungsgrade zu erzielen – in der Größenordnung von 90 %.

Zu den Nachteilen von REA-Systemen gehören:

2. Von 2000 bis 2021 sanken die Feinstaubkonzentrationen (PM2,5) um 37 %, basierend auf Daten von 375 von der EPA überwachten Trendstandorten. Quelle: EPA

Dennoch sind die Vorteile für Umwelt und Gesundheit erheblich. Der Einsatz von REA-Systemen hat die SOx- und PM2,5-Emissionen von US-Kraftwerken erheblich reduziert. Mithilfe eines landesweiten Netzwerks von Überwachungsstandorten verfolgt die EPA Trends in der Luftqualität für Feinstaub. Von 2000 bis 2021 gingen die durchschnittlichen PM2,5-Konzentrationen landesweit um 37 % zurück, basierend auf Daten der 375 Trendstandorte, die die EPA überwacht (Abbildung 2). Was SO2 betrifft, so sind die jährlichen SO2-Emissionen von Kraftwerken von 1995 bis 2021 um 92 % gesunken.

—Aaron Larson ist Chefredakteur von POWER.

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