F&E Aktivitäten zur CO 2 -Reduktion in Kraftwerken

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1 F&E Aktivitäten zur CO 2 -Reduktion in Kraftwerken Gliederung 1) Aktuelle Situation 2) Schwerpunkte: - Effizienzsteigerung - Biomassenutzung -CO 2 -armes Kraftwerk 3) Zusammenfassung Jörg Maier maier@ivd.uni-stuttgart.de Institut für Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen

2 CO 2 Reduktion in fossilbefeuerten Kraftwerken? Anstieg der atmosphärischen CO 2 -Konzentration seit 1750 von 280ppm v auf 363ppm v Weltweit werden 64,5 % des Stromes aus fossilen Brennstoffen produziert (Kohle 38,7 %, Erdgas 18,3%, Erdöl 7,5%) In einzelnen Ländern werden bis zu 90 % (Polen) des Strombedarfs von Kohlekraftwerken bereitgestellt (China 81%) Hohe Verfügbarkeit konventioneller fossiler Kraftwerke > 98 % Reichweite der Kohlelagervorräte > 200 Jahre Verfügbare Kohlelagerstätten auf allen Kontinenten

3 Einsatzstoffe zur Stromerzeugung in der EU

4 Entwicklung der spezifischen Kraftwerksemissionen

5 Maßnahmen zur CO 2 -Emissionsminderung Effizienzsteigerung konventionelle Kraftwerkstechnik Kombi-Prozesse Einsatz regenerativer Energieträger (Biomasse, Wasser, Wind etc.) Mit-Verbrennung Dezentrale Biomassenutzung CO 2 -Abtrennung und Speicherung O 2 /CO 2 -Verbrennung CO-Shift (Vergasung) Offshore/Onshore-Speicherung Wechsel zu kohlenstoffarmen Brennstoffen Kernenergie Energieeinsparung

6 Effizienzsteigerung und CO 2 -Reduktion

7 Braunkohlekraftwerk mit optimierten Anlagenparametern (BoA) BoA-Kraftwerk: 1012 MW el, 580 / 600 C, 270bar, 43,5 % BoA-Plus: Integrierte Kohletrocknung + 5% Wirkungsgradsteigerung AD 700: Wirkungsgrad > 50 % net, 300bar, 700 / 720 C

8 Energiebedingte CO 2 -Emissionen 1990 und 2003 (BRD) Rückgang der energiebedingten CO 2 -Emission insgesamt 15,2%!

9 Ersetzen von Altanlagen (BRD) Effizienzsteigerung / CO 2 -Reduktion / Resourcenschonung

10 Fortschrittliche Kombiprozesse unter Druck Rauchgase in direktem Kontakt mit Turbinenschaufeln Druckwirbelschichtfeuerung (PFBC), Cottbus, Eskatron Integrierte Kohlevergasung (IGCC), Puertollano Druckwirbelschichtvergasung (2. Generation), Lab.-Technikumsmaßstab Druckkohlenstaubfeuerung (DKSF), Lab.-Technikumsmaßstab Rauchgase nicht in direktem Kontakt mit Turbinenschaufeln Extern gefeuerter Gasturbinenprozess (EFCC) Demo-Anlagen, Gastemperatur < 800 C > 800 C, F&E-Bedarf

11 Wirkungsgradpotential von Kraftwerksprozessen State of the art CARNOT Process = theoretical maximum Efficiency [%] Planned Research Conv. steam process with DENOX and DESOX Pressurised fluidised bed combined gas/steam processes with coal conversion and gas cleaning with natural gas with coal gasification with DKSF Maximum process temperature [ C]

12 Biomassenutzung F&E Schwerpunkt der EU 1990 Gründe für die Mitverbrennung: Substitution fossiler Brennstoffen durch CO 2 -neutrale Bio-Anteile geringe Investitionskosten Mitverbrennung von Leistungsanteilen < 15 % machbar Hoher Stromwirkungsgrad Schwankungen im Brennstoffaufkommen problemlos Große Kraftwerkskapazität verfügbar Vielzahl von Kraftwerksstandorten regional verteilt Weitere Randbedingungen: Dezentrale Technologien Brennstoffpreis CO 2 -Emissionshandel, EEG

13 Stromerzeugung durch Einsatz biogener Feststoffe electrical efficiency (co-) combustion coal/ gas power plant % steam turbine, engine % stirling engine %* solid biomass gasification gas turbine, combined cycle % gas-engine (CHP) ca. 25 % liquefraction fuel cell %** * lower output range than steam turbine ** dependent on fuel cell type source: DLR

14 Secondary fuel co-combustion DIRECT co-combustion Conv. heat exchanger [4] Exhaust [10] INDIRECT co-combustion Superheater [3] LUVO ESP [5] DESOX [8] Low calorific gases Combustion chamber [2] BIO MASS Fly ash [6] Products [9] Coal + BIOMASS Ash disposal Bottom ash [7] Gasification and Combustion (Demonstrated in Lathi, Fi) Coal Mill [1]

15 CO 2 -Abtrennung und Lagerung Erste Kooperationen von EU Forschungsaktivitäten zur CO 2 -Abtrennung und CO 2 -Lagerung im 5. Forschungsrahmenprogramm mit USA, Kanada, Norwegen (SACS, RECOPOL, Weyburn ) F&E Schwerpunktprojekte im 6. Rahmenprogramm der EU (ENCAP, CASTOR, CO 2 -Sink, ISCC -O 2 /CO 2 -Verbrennung durch Rauchgasrückführung - Verbrennung von H 2 -reichem Synthesegas in Gasturbine / Brennstoffzelle -O 2 -Bereitstellung (O 2 -Membran, Metalloxide ) -CO/CO 2 /H 2 -Shiftkonversionsprozess -CO 2 -Abtrennung (Wäscher, Membranen, Mineralien ) - Komponenten und Prozessevaluierung -CO 2 -Transport - Verbringung (Offshore, Onshore)

16 Schemata von CO 2 - Abtrennungsprozessen Post Combustion Principle Precombustion Principle Oxy- fuel Principle

17 O 2 /CO 2 -Verbrennung (Oxyfuel Combustion)

18 Prozessabhängige Rauchgaskonzentrationen Flue Gas Concentrations O2 CO2 N2 0 Baseline Optimum Oxy-Firing Theoritical Oxy- Firing

19 Vergasung mit integrierter Reformierung Biomass/Coal/H 2 O AER reactor H 2 -enriched producer gas CaO CaCO 3 + char Oxygen/Air Calcination CO 2

20 Offshore und Onshore CO 2 -Verbringung

21 Zusammenfassung Biomassenutzung in Kraftwerken machbar/ hohes Potential / kostengünstig Ersatz von Altanlagen durch Stand der Technik (32% - 45%) Wirkungsgradpotential konventioneller Kraftwerkstechnik > 50 % Stein- und Braunkohle (BoA-Plus, AD 700) 60-65% Erdgas GuD-Anlagen CO 2 freie fossile Kraftwerke: Bottle-neck CO 2 -Verbringung technische Machbarkeit, öffentliche Akzeptanz, CO 2 -Freisetzung Wirkungsgradminderung Grundlagenforschung im Labor- und Technikumsmaßstab hat begonnen Demonstration ausgewählter Verfahren ( )

22 Oxyfuel Verbrennungsanlage am IVD in Stuttgart vertical furnace reduction zone burner coal + primary air additional fuel + conveyor air secondary air, flue gas recirculation in-flame measurement : O 2, CO 2, CO, NO X, C m H n, temperature reburning fuel burnout air coal mill, primary gas/ O 2 secondary, main combustion gas staging gas re-circulated part-stream of flue-gas oxygen supply ` O 2 burnout zone flue gas emissions : O 2, CO 2, CO, NO X, C m H n, temperature SCR Catalyst ESP to stack bag filter video control slag and ash > 100 µm fly ash samples : - particle size - burnout - ash analysis - trace element analysis - melting behaviour = 400 C = 200 C = 150 C

23 CO 2 emissions of different energy sources (Germany) CO2 emissions [10 6 t] Black coals Brown coals Mineral oil Gas Total Year

24 Forschungsförderung 1,40 1,20 1,00 Mio. EURO 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 DFG Bund LBW EU Industrie Andere