Thermische Kraftwerke und CCS

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1 Thermische Kraftwerke 16. Dezember 2008

2 Inhaltsverzeichnis Thermische Kraftwerke 1 Thermische Kraftwerke Grundlagen Dampfkraftwerk GuD-Kraftwerk Kraft-Wärme-Kopplung 2 Abscheideverfahren Wirkungsgrad Transport Speicherung 3

3 Thermische Kraftwerke Grundlagen Dampfkraftwerk GuD-Kraftwerk Kraft-Wärme-Kopplung Thermische Kraftwerke - Grundlagen Hauptziel: Stromproduktion chemische Energie thermische Energie mechanische Energie elektrische Energie Verwendete chemische Energieträger: Kohle, Erdgas, Biogas, (Uran)

4 Der Carnot-Prozess Thermische Kraftwerke Grundlagen Dampfkraftwerk GuD-Kraftwerk Kraft-Wärme-Kopplung η 1 T k T h

5 Thermische Kraftwerke Grundlagen Dampfkraftwerk GuD-Kraftwerk Kraft-Wärme-Kopplung Vergleichsprozess für Dampfkraftwerke: Clausius-Rankine Prozess

6 Thermische Kraftwerke Aufbau eines Dampfkraftwerks Grundlagen Dampfkraftwerk GuD-Kraftwerk Kraft-Wärme-Kopplung

7 Kühlturm Thermische Kraftwerke Grundlagen Dampfkraftwerk GuD-Kraftwerk Kraft-Wärme-Kopplung

8 Thermische Kraftwerke Rauchgas-Aufbereitung Grundlagen Dampfkraftwerk GuD-Kraftwerk Kraft-Wärme-Kopplung Gesetzliche Abgasnormen Hauptbestandteile: NO x, SO x Filterung mittels Gewebe- und Elektrofilter Absorption mit Lösungsmitteln Katalytische Umsetzung

9 GuD-Kraftwerk Thermische Kraftwerke Grundlagen Dampfkraftwerk GuD-Kraftwerk Kraft-Wärme-Kopplung Vergleichsprozess für Gasturbine: Der Joule-Kreisprozess

10 Aufbau eines GuD-Kraktwerks

11 Thermische Kraftwerke Aufbau einer Gasturbine Grundlagen Dampfkraftwerk GuD-Kraftwerk Kraft-Wärme-Kopplung

12 Wirkungsgrad Thermische Kraftwerke Grundlagen Dampfkraftwerk GuD-Kraftwerk Kraft-Wärme-Kopplung

13 Anfahrverhalten Thermische Kraftwerke Grundlagen Dampfkraftwerk GuD-Kraftwerk Kraft-Wärme-Kopplung Art Startart Anfahrzeit Kohle Kaltstart nach weniger als 72 h Stillstand 400 min Warmstart nach weniger als 48 h Stillstand 280 min Heißstart nach weniger als 8 h Stillstand 115 min GuD Kaltstart der Turbine wenige Minuten

14 Thermische Kraftwerke Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) Grundlagen Dampfkraftwerk GuD-Kraftwerk Kraft-Wärme-Kopplung Nutzung der Abwärme zum Heizen (Fernwärme) eingesetzte Primärenergie wird zu 70 bis über 90 % genutzt kleinere Blockheizkraftwerke, Dezentrale Energieversorgung flexibler als große Kraftwerke: Umschalten zwischen stromgeführter/wärmegeführter Fahrweise Förderung von KWK durch die Bundesregierung

15 Thermische Kraftwerke Abscheideverfahren Wirkungsgrad Transport Speicherung

16 Einführung Thermische Kraftwerke Abscheideverfahren Wirkungsgrad Transport Speicherung

17 Thermische Kraftwerke Treibhausgase nach Bereich Abscheideverfahren Wirkungsgrad Transport Speicherung Quelle: P.Radgen: Verfahren zur CO2-Abscheidung, Umweltbundesamt

18 Thermische Kraftwerke Abscheidung aus Industrieanlagen Abscheideverfahren Wirkungsgrad Transport Speicherung Erdgas-Aufbereitung Eisen- und Stahlindustrie Zement-Produktion Ammoniak-Produktion

19 Thermische Kraftwerke Zusammensetzung der Luft Abscheideverfahren Wirkungsgrad Transport Speicherung Stoff Konzentration in der Luft Stickstoff N 2 78,08 % Sauerstoff O 2 20,95 % Edelgase 0,93 % CO 2 0,038 % (380 ppm) C + O 2 CO 2

20 Thermische Kraftwerke Abscheideverfahren - Übersicht Abscheideverfahren Wirkungsgrad Transport Speicherung 3 Verfahren: Post-Combustion Pre-Combustion Oxyfuel-Verfahren

21 Gasrennungsverfahren - Übersicht Quelle: Verfahren zur CO2-Abscheidung und -Speicherung, Umweltbundesamt (2006)

22 Absorption http : //www.co2crc.com.au Quelle: Cooperative Research Centre for Greenhouse Gas Technologies

23 Post-Combustion Thermische Kraftwerke Abscheideverfahren Wirkungsgrad Transport Speicherung Abtrennung von CO 2 nach der Verbrennung aus dem Rauchgas CO 2 -Gehalt im Rauchgas: variiert von 3% bei GuD bis zu 15 % bei Kohlekraftwerken Abtrennung durch chemische Absorption: Bereits erprobtes Verfahren (Rauchgas-Aufbereitung) und braucht am wenigsten Energie (nach heutigem Stand der Technik) Entwicklungsbedarf: bessere Lösungsmittel zum Nachrüsten von Kraftwerken geeignet

24 Pre-Combustion Thermische Kraftwerke Abscheideverfahren Wirkungsgrad Transport Speicherung Umwandlung des Brennstoffes feste Brennstoffe: Vergasen (IGCC-Kraftwerk) flüssige Brennstoffe: Dampfreformierung (NGCC-Kraftwerk) jeweils Hauptprodukte der Umwandlung: CO und H 2 CO-shift: CO + H 2 O CO 2 + H 2 Trennung von CO 2 und H 2 durch physikalische Wäsche, in Zukunft durch Membranen Vorteil gegenüber Post-Combustion: Verbrennung in einem GuD-Kraftwerk H 2 als Brennstoff flexibler Einsatz (H-Auto, Brennstoffzelle,...) Entwicklungsbedarf: H-Gasturbine

25 Pre-Combustion Thermische Kraftwerke Abscheideverfahren Wirkungsgrad Transport Speicherung Quelle: Workshop On Carbon Dioxide Capture And Storage, IPCC (2002)

26 Oxyfuel-Verfahren Thermische Kraftwerke Abscheideverfahren Wirkungsgrad Transport Speicherung Verbrennung mit Sauerstoff statt mit Luft Verbrennung in reinem Sauerstoff hätte eine Flammentemperatur von 3500 C Beimischung von CO 2 Produkte: CO 2 und H 2 O, Trennung per Kondensation kleine Verunreinigungen aus dem Brennstoff selber sehr hoher Reinheitsgrad des CO 2 (bis zu 99%) Sauerstoffproduktion mittels Destillation (Siedepunkt von Sauerstoff: 90K, von Stickstoff 77K) Großer Entwicklung- und Optimierungssbedarf: Membranen statt Destillation zur Sauerstofferzeugung Verbrennung mit O 2 bisher noch nicht außreichend untersucht, Entwicklung neuer Turbinen deswegen eher langfristige Technologie

27 Bespiel für Wirkungsgradverlust Quelle: Lars Strömberg, Vattenfall AG

28 Emissionen Quelle: Verfahren zur CO2-Abscheidung und -Speicherung, Umweltbundesamt

29 Transport Thermische Kraftwerke Abscheideverfahren Wirkungsgrad Transport Speicherung CO 2 muss vor dem Transport verflüssigt werden Superkritischer Bereich bei 80bar Transport per Pipeline günstiger als mit Schiff, Bahn, LKW,...

30 Thermische Kraftwerke Abscheideverfahren Wirkungsgrad Transport Speicherung Phasendiagramm von CO 2

31 Speicherung Quelle: IPCC: Carbon Dioxide Capture And Storage (2005)

32 Speicherung Thermische Kraftwerke Abscheideverfahren Wirkungsgrad Transport Speicherung Verstärkte Erzeugung von Biomasse Enhanced Oil Recovery (EOR) Enhanced Coalbed Methane Recovery Mineralisierung: Umwandlung von Mg- oder Ca-Silikaten in Karbonate, z.b. (Mg, Ca) x Si y O (2y+x) + xco 2 x(mg, Ca)CO 3 + ysio 2 Injektion in ehemalige Kohle- oder Salzstöcke Speicherung in Aquiferen Speicherung im Ozean: CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 Trockeneis-Deponie (ab 1000m) Problem: Verringerung des ph-wertes Korallensterben: CO 2 + CaCO 3 + H 2 O 2HCO 3 + Ca2+ Erzeugung von Biomasse (z.b. Plankton)

33 Thermische Kraftwerke Abscheideverfahren Wirkungsgrad Transport Speicherung Bestehendes Pipeline-Netz in den USA Quelle: Lars Strömberg, Vattenfall AG

34 Thermische Kraftwerke Speicherung im Ozean Abscheideverfahren Wirkungsgrad Transport Speicherung Quelle: IPCC Regina: OceanStorage (2002)

35 Leckraten Thermische Kraftwerke Abscheideverfahren Wirkungsgrad Transport Speicherung Großes Problem: Speicher müssen absolut dicht sein Erdbebensicherheit Bei plötzlichem Austritt: Gesundheitsschäden möglich deswegen politische Lösung schwierig

36 Thermische Kraftwerke Abscheideverfahren Wirkungsgrad Transport Speicherung Erste Anlage in Deutschland mit CCS: Schwarze Pumpe

37 Zusammenfassung Thermische Kraftwerke Abscheideverfahren Wirkungsgrad Transport Speicherung Wirkungsgradverlust in der Größenordnung von 10% Spezifische Anlagekosten zur Nachrüstung bis zu 100%!! Abscheidegrad nur etwa 80-95% Wirkungsgrad in 20 Jahren mit CO2-Abscheidung wahrscheinlich trotzdem höher als heutiger Durchschnittswirkungsgrad (Kohle: 33%, Gas: 50 %) Speicherung unsicher CCS sehr teuer und energieaufwändig Können wir jedoch wegen des Klimawandels drauf verzichten? Ausbau regenerativer Energien ist auf jeden Fall wichtiger

38 Thermische Kraftwerke Abscheideverfahren Wirkungsgrad Transport Speicherung Fragen??

39 Thermische Kraftwerke Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: Verfahren zur CO2-Abscheidung und -Speicherung (2006) Strukturell-ökonomisch-ökologischer Vergleich regenerativer Energietechnologien mit CCS (2006) Technische Abscheidung und Speicherung von CO2- nur eine Übergangslösung (2006) Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC): Carbon Dioxide Capture And Storage (2005) Climate Change: Synthesis Report (2007) Lars Strömberg: Carbon dioxide free energy production from fossile fuels (2005) Dr. Gerhard Luther: Klimaschutz und Energieversorgung in Deutschland (2005)

40 Thermische Kraftwerke Deutsche Physikalische Gesellschaft: Klimaschutz und Energieversorgung in Deutschland (2005) Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie GmbH: Geologische CO 2 -Speicherung als kllimapolitische Handlungsoption (2007) J.Karl: Dezentrale Energiesysteme (Oldenbourg, 2004)

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