Fossil gefeuerte Kraftwerke

Transkript

1 Kurzfassung Fossil gefeuerte e Technikauswahl und aggregierte Ergebnisdarstellung Dr.-Ing. Sebastian Briem, Dr.-Ing. Markus Blesl, Dr. rer. pol. Ulrich Fahl, Dipl.-Ing. Michael Ohl, Prof. Dr.-Ing. Alfred Voß Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung (IER), Universität Stuttgart im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit geförderten Forschungsvorhabens Lebenszyklusanalysen ausgewählter zukünftiger Stromerzeugungstechniken in Kooperation von: Institut für Energiewirtschaft und Rationelle Energieanwendung, Universität Stuttgart Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Stuttgart Lehrstuhl für Energiesysteme und Energiewirtschaft, Ruhr-Universität Bochum Forschungsstelle für Energiewirtschaft, München

2 1 Fossil gefeuerte e Aus der Gruppe der fossil gefeuerten e werden sechs verschiedene Technologien ausgewählt, die für die zukünftige Stromerzeugung interessante Optionen darstellen können. In Tabelle 1-1 ist zunächst eine Übersicht über die ausgewählten Techniken gegeben. In den folgenden Abschnitten werden die jeweiligen techniken kurz beschrieben. Tabelle 1-1: Technische Daten der fossil gefeuerten e Größe Einheit Erdgas-GuD- Stk-DT- Stk-DWSF- Stk-IGCC- Brk-IGCC- Brk-DT Kapazität (netto) MW el Nettowirkungsgrad % ,5 51,5 50 Zahl Gasturbinen (GT) Zahl Dampfturbinen Volllaststunden h/a Technische Lebensdauer a Kühlverfahren Nasskühlturm Brennstoff Erdgas, Bezug auf Hochdruckebene Rheinische Braunkohle Rheinische Braunkohle 1.1 Erdgas-GuD- Erdgas-GuD-e sind im Vergleich zu anderen fossil gefeuerten en eine Stromerzeugungstechnik, die durch hohe elektrische Wirkungsgrade, geringe spezifische direkte CO 2 -Emissionen, eine kurze Errichtungszeit sowie geringe spezifische Investitionskosten gekennzeichnet ist. Heute erreichen erdgasgefeuerte Gasturbinen in Verbindung mit dem nachgeschalteten Dampfturbinenprozess (GuD) einen elektrischen Wirkungsgrad von bis zu 58 %. Nach heutigem Kenntnisstand wird erwartet, dass durch Steigerung der Turbineneintrittstemperatur, verbesserte Kühlverfahren und Komponentenoptimierung bis zum Jahr 2010 sanlagen mit einem elektrischen Wirkungsgrad von 60 % verfügbar sein werden. Im Rahmen dieser Studie wird eine solche Erdgas-GuD-Anlage (GuD-2010) betrachtet, bei der zwei Gasturbinen mit einem gemeinsamen Dampfturbosatz (in einer sogenannten Mehrwellenanordnung, Multi-Shaft-Konfiguration ) mit einer Gesamtleistung von 817 MW el zusammengeschaltet sind. 1.2 Steinkohle-Dampfturbinenkraftwerk Dampfturbinenkraftwerke stellen die heute am weitest verbreitetste Technik der auf fossilen Brennstoffen basierten Stromerzeugung dar. Moderne Steinkohlekraftwerke erreichen heute unter Standardbedingungen elektrische Wirkungsgrade von etwa 46 %. Die Umwandlungseffizienz ist unmittelbar an die Verfügbarkeit von hochwarmfesten Werkstoffen für die am

3 stärksten beanspruchten Teile der Überhitzer und Dampfsammler gebunden. Gegenwärtige Forschungsprojekte zielen auf die Entwicklung von neuen Werkstoffen ab, mit denen längerfristig höhere Dampfparameter und damit Wirkungsgrade von bis zu 52 % erreichbar sein sollen. Mit Blick auf das Jahr 2010 wird angenommen, dass steinkohlegefeuerte Dampfturbinenkraftwerke Wirkungsgrade von 47 % erreichen (Stk-DT-2010). 1.3 Steinkohle-Druckwirbelschicht- Druckwirbelschichtgefeuerte (DWSF) e stellen eine Stromerzeugungstechnik dar, in der die thermodynamisch vorteilhafte Kombination einer Gasturbine mit einem Dampfturbinenprozess zur Anwendung kommt. Ein direkter Einsatz von festen Brennstoffen wie Kohle in der Brennkammer einer Gasturbine ist jedoch wegen der gegenüber Erdgas erheblich anderen Verbrennungseigenschaften von Kohle sowie der Empfindlichkeit der Gasturbine gegen Asche und weitere Rauchgaskomponenten der Kohleverbrennung nicht möglich. In DWSF- en wird der Brennstoff daher zunächst in einer druckaufgeladenen Wirbelschicht verbrannt. Diese Verbrennungstechnik erlaubt die Verwendung von verschiedenen Brennstoffen, so dass bei Wirbelschichtfeuerungen neben die im Weiteren berücksichtigt wird, auch Braunkohle und andere Brennstoffe zum Einsatz kommen könnten. Das heiße Rauchgas wird nach der Abscheidung von Stäuben auf eine Gasturbine und danach in einen Abhitzekessel zur Erzeugung von Wasserdampf für den Dampfturbinenprozess geleitet. Im Rahmen dieser Studie wird angenommen, dass bis zum Jahr 2010 die weitere Forschung und Entwicklung erfolgreich verlaufen wird und dann technisch ausgereifte Anlagen mit einer Druckwirbelschichtfeuerung verfügbar sein werden, die einen Wirkungsgrad von 46 % erreichen (Stk-DWSF-2010). Gegenwärtige Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten zielen darauf ab, Druckwirbelschichtkraftwerke der sogenannten 2. Generation zu entwickeln, deren Wirkungsgrad gegenüber dem betrachteten auf gut 50 % deutlich angehoben werden könnte. Mit Blick auf das Bezugsjahr 2010 wird jedoch nicht erwartet, dass diese Technik, die neben einer druckaufgeladenen Wirbelschicht auch eine teilweise Vergasung des Brennstoffs erfordert, verfügbar sein wird. DWSF-e der 2. Generation werden eher als langfristige Option betrachtet. 1.4 IGCC-e Neben dem im vorherigen Abschnitt beschrieben Verfahren des s mit einer Druckwirbelschichtfeuerung werden gegenwärtig weitere Konzepte untersucht und Anlagen entwickelt, mit denen hohe Wirkungsgrade durch die Kombination eines Gasturbinenprozesses mit einem Dampfturbinenprozess auch bei Verwendung von festen Brennstoffen erreicht werden können. Ein intensiv verfolgter Ansatz wird in der Umwandlung des Festbrennstoffs Kohle in ein sauberes Brenngas gesehen, das dann in einem entsprechend angepassten GuD-Prozess mit hoher Effizienz eingesetzt werden kann. Zurzeit diskutierte Anlagenkonzepte sehen die Integration der Kohlevergasung in den sprozess vor. Diese Anlagen werden daher englisch als IGCC-e (Integrated Gasification Combined Cycle) bezeichnet. Forschungsvorhaben in jüngerer Zeit zu IGCC-Anlagen lassen erwarten, dass im Jahr 2010

4 e verfügbar sein werden, die einen Wirkungsrad von 51,5 % erreichen. In dieser Studie werden zwei solche IGCC-Anlagen betrachtet, die zum einen mit Steinkohle (Stk- IGCC-2010) und zum anderen mit Braunkohle (Brk-IGCC-2010) befeuert werden. 1.5 Braunkohle-Dampfturbinenkraftwerk mit integrierter Kohletrocknung Moderne Braunkohlekraftwerke erreichen heute bereits Wirkungsgrade von etwa 45 % und liegen trotz hochentwickelter Anlagentechnik damit niedriger als steinkohlegefeuerte Dampfkraftwerke. Dies ist bedingt durch das heute verwendete Trocknungsverfahren der Rohbraunkohle mit heißem Rauchgas, das mit erheblichen Exergieverlusten und damit Einbußen im Wirkungsgrad verbunden ist. Die Forschung und Entwicklung zielt daher auf alternative und thermodynamisch günstigere Trocknungsverfahren ab. Gegenwärtig werden Pilotanlagen zu zwei alternativen Trocknungsverfahren erprobt: Die Wirbelschichttrocknung mit Abwärme (WTA) sowie die Mechanisch-Thermische Entwässerung (MTE). Mit dem WTA-Verfahren wird nach dem Stand der Arbeiten eine Steigerung des Wirkungsgrades von etwa 5 %- Punkten erwartet. Für die Untersuchungen der Lebenszyklusinventare wird daher ein weiterentwickeltes und ab dem Jahr 2010 als repräsentativ angesehenes Braunkohledampfkraftwerk betrachtet, das über einen Wirkungsgrad von 50 % bei einer Anlagenleistung von 1050 MW verfügt (Brk-DT-2010). 2 Ergebnisse Aus der Gruppe der fossil gefeuerten e konnten durch das IER, Stuttgart, für sechs Techniken (vgl. Kapitel 1) komponentenspezifische Materialgerüste zusammengestellt und Lebenszyklusbilanzen erstellt werden. Als zukünftige stechniken wurde ein Dampfturbinenkraftwerk zur Verstromung von ein Braunkohledampfturbinenkraftwerk mit integrierter Kohletrocknung, ein IGCC- zur Verstromung von Braun- und von Steinkohle sowie ein steinkohlegefeuertes mit einer zirkulierenden Wirbelschicht betrachtet. Die ausführliche Technikcharakterisierung und Dokumentation der Arbeiten und Ergebnisse ist im Abschlussericht des Projekts wiedergegeben. Für die Brennstoffbereitstellung werden Versorgungsstrukturen betrachtet, die für die Situation in Deutschland im Jahr 2010 als charakteristisch angesehen werden. In Tabelle 2-1 sind die Ergebnisse der Lebenszyklusbilanzierung der Techniken zusammengestellt. Für das Erdgas-GuD- werden für sämtliche betrachtete Emissionen die niedrigsten Stoffströme ermittelt, die CO 2 - Emissionen liegen, bedingt durch den Brennstoff Erdgas und den hohen Wirkungsgrad, bei weniger als der Hälfte der Werte der anderen Techniken. In Abhängigkeit von dem styp und dem Brennstoff betragen die kumulierten Primärenergieaufwendungen zwischen etwa 6,5 MJ/kWh el (Erdgas-GuD-2010) und knapp 9 MJ/kWh el (Stk-DT-2010).

5 Tabelle 2-1: Ausgewählte Lebenszyklusinventare der fossil gefeuerten e Erdgas- GuD-2010 Steink.- DWSF- Steink. - DT-2010 Steink.- IGCC- Brk- IGCC- Brk.-DT Emissionen in Luft CO 2 g/kwh el CO mg/kwh el CH 4 mg/kwh el N 2 O mg/kwh el SO x als SO 2 mg/kwh el NO x als NO 2 mg/kwh el NMVOC mg/kwh el Partikel (gesamt) mg/kwh el Rohstoffe Bauxit mg/kwh el Eisen ab Erz mg/kwh el Kupfer ab Erz mg/kwh el Primärenergie Uran MJ/kWh el 0, , , , , ,01909 Braunkohle MJ/kWh el 0, , , , , ,39782 Erdgas MJ/kWh el 6, , , , , ,04214 Rohöl MJ/kWh el 0, , , , , ,07129 Steinkohle MJ/kWh el 0, , , , , ,03603 KEA nicht-reg. MJ/ kwh el 6,48 8,94 8,79 8,06 7,40 7,57 Weitere Information zu dem Projekt im Internet: