Das 700 C Kraftwerk: Entwicklungsstand und Perspektive

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1 Energiesysteme und Energietechnik Energiesysteme und Energietechnik Prof. Dr.-Ing. Bernd Epple Das 700 C Kraftwerk: Entwicklungsstand und Perspektive DVV Sitzung vom Beckum Prof. Dr.-Ing. Bernd Epple Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Energiesysteme und Energietechnik

2 Vortragsübersicht Globales Scenario Stand der Technik Weg zum 700 C Kraftwerk Ansätze zur CO2 Reduktion

3 Global CO 2 Emissions Mio tons CO 2 5,000 USA 5,592 CO 2 Emission (energy sector) 4,826 4,000 3,137 3,000 2,290 2,222 2,000 EU-15 China Russia 4,082 3,197 1,498 1,000 Africa '90 '95 '96 '97 '98 '99 '00 '01 '02 Year Source: DIW

4 Wirkungsgrade von steinkohlebefeuerten Dampfkraftwerken China/Russland Welt Deutschland Künftige Technik % Quelle: Cooretec 2003

5 Zeitliche Entwicklung der Installation überkritischer DKW Akkumulierte Leistung [MW] EU: europäische Technologie (ohne Japan) JP: Japan CL: China lokal Bestelljahr

6 Wai Gao Qiao 2 x 900 MW el Shanghai /PR China WGQ Exporttechnologie Sept Dampfleistung (BMCR) 2,788 2,788 t/h t/h Frischdampf bar/542 C C Zwischenüberhitz bar/568 C C h > %

7 Vortragsübersicht Globales Scenario Stand der Technik Weg zum 700 C Kraftwerk Ansätze zur CO2 Reduktion

8 BoA I und BoA II + 167,5 m BOA I + 170,7 m BOA II 1000 MW 1100 MW + 170,7 m Frischdampf 290bar 295 bar 580 C 600 C Zwischendampf 80 bar 72 bar 600 C 605 C ± 0,0 m

9 Wirkungsgrade von Dampfkraftwerken in Europa 55 h [%] Einführung der Zwangdurchlauftechnologie 175 / 540 / überkritische Anlagen ( bar Verdampferdruck) 250 / 550 / / 580 / / 600 / / 700 / Zeit

10 Werkstoffentwicklungsstufen und zugehörige Dampfparametergrenzwerte Umfassungswand Heizflächenrohre HD-Austrittsammler 2010 HCM 12 (?), Nickelbasis Nickelbasis Nickelbasis 2005 NF 12, SAVE 12, 12 CrCoMo (?) CrMo VTiB HCM 2S 9-12 % Chromstähle Austenit E 911, P 92, P CrMo 4 4 X 20 CrMoV 12 1 Austenit X 20 CrMoV 12 1 P bar C C

11 Erfahrungen bei Auslegung, Fertigung und Schweißung von Nickelbasis-Legierungen Wärmetauscher für 900 C Montage eines HT-Heliumvorwärmers In der petrochemischen Industrie werden Nickelbasis-Legierungen bei Dampftemperaturen bis zu 900 C seit vielen Jahren mit hervorragenden Betriebsergebnissen eingesetzt.

12 Vortragsübersicht Globales Scenario Stand der Technik Weg zum 700 C Kraftwerk Ansätze zur CO2 Reduktion

13 AD 700 Merkmale 40 Partnern aus europ. Ländern: Anlagenherstellern, Stahlproduzenten, EVU s und Universitätsinstituten -Projektbeginn in Gefördert durch EU, teilnehmenden Partnern, sowie Materiallieferanten und EVU s Aspekte: - Wirtschaftlichkeit -> AD700 noch rentabel,auch bei einer Kohlepreisreduktion v. 20% (Jahr 2000) - Materialeigenschaften, wie Kriechverhalten - Herstell- und Schweißbarkeit - Rauchgaskorrosion - Thermo-Mechanische Wechselbeanspruchung

14 AD 700 Stand der Materialentwicklung Brennkammerwände: HCM 12, In 617 Heizflächenrohre: Austenite (174), In 617, 740 Sammler, Rohrleitungen: In 617, C263 Turbinenventile: In 625, In 617 Turbinengehäuse: In 625, In 617 Turbinenrotor: In 625, In 617 Schaufeln, Schrauben: Waspalloy

15 Thick Walled Components Materials Composition Name Ni Cr Co Mo Other [%] [%] [%] [%] [%] In ~ 4 Al, Fe C ~ 3 Nb, Mo, Ti, Al, Fe

16 COMTES 700 Komponententestanlagen CTF -> nächste Stufe des AD700 Projektes VGB Initiative Emax bestehend aus einigen großen europäischen EVU: RWE, EON, EnBW, EDF, Vattenfall, Electrabel, Energi E2, Elsam, PPC Bedarf zum Bau und Betrieb einer Versuchsanlage zur Untersuchung der krit. Dampferzeugerkomponenten : - Umfassungswände, Überhitzer, Sammler - Hochdruckumleitstation - Sicherheitsventile Untersuchungsumfang - Anlagenkomponenten mit realen Abmessungen, Analyse d. Kriechverhalten - Restlebensdauerbestimmung - Betriebsuntersuch. von Ni-Basislegierungen bei Rohrleitungen u. Ventilen - Dampfoxidations- und Korrosionsverhalten unter realen Bedingungen

17 Komponententestanlage Flußdiagramm von Ü 1 Eintrittssammler M V Verdampfer Überhitzer V Zum zu Ü Ü4 3 Austrittssammler Austrittssammler 230 bar 410 C D 220 bar 600 C D 210 bar 705 C 205 bar 540 C HD - Bypass Zur zu H-ZÜ 1 Austrittssammler

18 Komponententestanlage COMTES 700 Scholven F 700 MW el

19 Endgültiges Werkstoffkonzept Alloy 617 HCM 12 T 24 Verdampferwand P 92 Austritt 43 x 48 = parallele Rohre 13 CrMo mm Eintritt

20 Komponententestanlage COMTES 700 Scholven F 700 MW el

21 Endgültiges Werkstoffkonzept Überhitzerheizfläche Austritt P 92 In 617 HR3C / TP 310N Alloy 740 Eintritt 15 x 70 = parallele Rohre Alloy mm

22 Komponententestanlage Schlussfolgerungen Die Ventilhersteller haben die Mindestdurchflussmenge und den minimalen Druck gemäß den Anforderungen bei 700 C festgelegt. Die Rohrleitungshersteller haben die erforderliche Mindestlänge für die Rohre bei 700 C festgelegt. Die Komponententestanlage ermöglicht die Prüfung der Endüberhitzerstufen und Verdampferwände im Maßstab 1:1.

23 Zeithorizont für die Realisierung des 700 C Kraftwerks IBS COMTES 700 Laufende und zusätzliche F & E Programme 400 MW 700 C Anlage Projektablauf Betrieb der 400 MW 700 C Anlage

24 Kohlekraftwerk mit η > 50 % Dampferzeuger Frischdampf 350 bar 700 C Dampferzeugerumfassungswände Zwischendampf 720 C Heizflächenendstufen Sammler- und Rohrleitungswerkstoffe Armaturen

25 Kohlepreis (am Kraftwerk, Euro/t) Perspektiven für Dampfkraftwerke Wirtschaftlichkeit moderner Kraftwerksanlagen: 350 bar/700/720 C rentabel unrentabel Höchster Kohlepreis (Westeuropa, ~2020) Durchschnittlicher aktueller Kohlepreis (Westeuropa, 2000) Niedrigster Kohlepreis (Westeuropa, ~2020) MW 400 MWe el EZ 400 MW SR 400 MWe el DZ 930 MW DR 930 MWe el EZ 930 MW SR 930 MWe el DZ DR Anlagengröße und -typ

26 Vortragsübersicht Globales Scenario Stand der Technik Weg zum 700 C Kraftwerk Ansätze zur CO2 Reduktion

27 Ansätze zur CO2 Reduktion beim Einsatz fossiler Brennstoffe Erdgas Brennstoffwechsel Biomasse Kraftwerks - neubauten Wirkungsgrad - steigerung Mit - verbrennung CO 2 Abscheidung - Oxyfuel - ` Tail End` - Abscheidung (z.b. MEA Wäsche) - Dekarbonisierung (z.b. in Vergasungsprozessen) Chemical Looping) - Vergasungsprozesse Chemical Looping

28 Altersstruktur der Kohlekraftwerke in der EU Anteil der installierten Leistung von Kohlekraftwerken in der EU [%] Anteil der installierten Leistung [%] Anzahl der Blöcke >40 37 % Jahre 63 % Anzahl der Blöcke

29 Wirkungsgrad von Kohlekraftwerken in der EU 8 % > 40 3 % % Anteil: 43 % Wirkungsgrad h: % Stand der Technik: Wirkungsgrade Braunkohle > 43 % Steinkohle > 45 %

30 CO 2 -Reduzierung durch Wirkungsgradsteigerung in der EU [Mio t CO2] > Alter Quelle: Epple, Scheffknecht, Stamatelopoulos: Neue Steinkohlekraftwerke mit hohen Wirkungsgraden Brennstoff-Wärme-Kraftwerk BWK 56 (2004) no 7/8

31 Ansätze zur CO2 Reduktion beim Einsatz fossiler Brennstoffe Erdgas Brennstoffwechsel Biomasse Kraftwerks - neubauten Wirkungsgrad - steigerung Mit - verbrennung CO 2 Abscheidung - Oxyfuel - ` Tail End` - Abscheidung (z.b. MEA Wäsche) - Dekarbonisierung (z.b. in Vergasungsprozessen) Chemical Looping) - Vergasungsprozesse Chemical Looping

32 Zeitlicher Horizont > 2020 Zeit Dampfkraftwerk CO 2 -Reduzierung durch weitere Wirkungsgradsteigerung (heute > 45 % Stand der Technik für das Kohlekraftwerk) 700 C-Technologie ermöglicht weitere CO 2 - Reduzierung durch Wirkungsgrade über 50 % O 2 -gefeuerter Prozess ermöglicht fast vollständige CO 2 - Abscheidung (mit Wirkungsgradverlust) Kombikraftwerk CO 2 -Reduzierung durch weitere Wirkungsgradsteigerung (heute > 56 % Stand der Technik für das Gaskraftwerk) Nutzen von Kohle durch Kohlevergasung. CO 2 -Abscheidung vor der Verbrennung möglich (mit Wirkungsgradverlust) Völlig neue Prozesse z. B. Chemical looping, Membrantechnologie, Brennstoffzellen,... Wirkungsgradverlust kann verringert werden