Hocheffiziente Kraftwerke mit CO 2 -Abscheidung Wege in die Zukunft einer gesicherten globalen Stromerzeugung

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1 Hocheffiziente Kraftwerke mit CO 2 -Abscheidung Wege in die Zukunft einer gesicherten globalen Stromerzeugung Dr. Patrick Weckes p_weckes@hitachi-power.com 22. April 2010

2 Sparte Energie- und Industrieanlagen Energieerzeugung und Komponenten Industrieanlagen und Infrastruktur Konventionelle Kraftwerke Kernkraftwerke Wasserkraftwerke Transformatoren und Schaltanlagen Umweltschutztechnik Chemieanlagen und Komponenten Stahlwerkskomponenten Motoren und Generatoren Wandler und Schalter Leitwarten und Komponenten Hitachi Power Europe GmbH 2

3 Effizienztechnologien 700 C- Kraftwerkstechnologie Trockenbraunkohle-Kraftwerke CCS Oxyfuel Nachgeschaltete CO 2 -Wäsche (Post Combustion Capture) Zusammenfassung Hitachi Power Europe GmbH 3

4 Hintergrund: Entwicklung des Strombedarfs Erwarteter Zuwachs der Stromerzeugung in 10 9 (kwh) in der EU + 25 % Erwarteter Zuwachs der Stromerzeugung in 10 9 (kwh) weltweit + 75 % Wasser, Wind, Biomasse Kernenergie Kohle Gas Öl Quelle: Eurostat, IEA, VGB Quelle: IEA Hitachi Power Europe GmbH 4

5 CO 2 Reduktion CO 2 Emission heutige Technologie höherer Wirkungsgrad mit CCS Wirkungsgrad ist sofortiger Nutzen CCS erreicht nahe Null - Emission Hitachi Power Europe GmbH 5

6 Effizienztechnologien 700 C- Kraftwerkstechnologie Trockenbraunkohle-Kraftwerke CCS Oxyfuel Nachgeschaltete CO 2 -Wäsche (Post Combustion Capture) Zusammenfassung Hitachi Power Europe GmbH 6

7 CO 2 -Emissionen fossil gefeuerter Kraftwerke CO 2 -Emissionen können derzeit am wirkungsvollsten durch Effizienzsteigerung vermindert werden 1600 CO 2 -Emissionen [g/kwh] Durchschnitt China Russland 2003 Durchschnitt Weltweit -35 % Aktueller Durchschnitt EU15-Länder Referenzkraftwerk NRW (State of the art) Thermie 700, 2RH Braunkohle (rheinisch) Gas 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 Quelle: Steinkohle (Durchschnitt) Marheineke T., Krewitt W., Neubarth J., Friedrich R., Voß A. IER-Bd. 74, IER, University of Stuttgart, Germany, 2000 Netto-Wirkungsgrad η [-] Hitachi Power Europe GmbH 7

8 Potential zur Wirkungsgradsteigerung Aktuelle, hocheffiziente Dampferzeuger Überhitzer Austrittstemperatur [ C] Bexbach 1 Japan seit 1995 Tachibana Wan #2 Hitachi-Naka #1 Haramachi #2 Matsuura #2 Nanao-Ohta #1 Genese #3 Keephills #3 Shinchi #1 Noshiro #1 Hekinan #2 Studstrup China seit 2002 Südafrika 2000 MW MW Cliffside #6 Council Bluffs #4 Elm Road Medupi Lippendorf Kusile Boxberg Schkopau 6600 MW RKW NRW MoorburgNeurath F/G Boxberg R Altbach 2 Staudinger 5 Rostock USA, Kanada seit 2005 Walsum Datteln Niederaußem K Deutschland, Braunkohle Deutschland, Steinkohle 700 C Demo-Anlage angekündigt für 2016/17? (E.ON) Wirkungsgradsteigerung Überhitzer Austrittsdruck [bar] Hitachi Power Europe GmbH 8

9 Technologie Steinkohle gebaut η = 43 % 262 bar / 545 C / 562 C 121 V121 V o rm CrMo C 0 X2 X20 o44 M r 13C im Bau η = % 285 bar / 600 C / 620 C P92 enit t s Au B i ovt M r 7C 2017 η = 50 % 358 bar / 700 C / 720 C ississ a a B B e Ni stoffe Nitoff s k k r r We We B VTi ) o M 7Cr (A617 Hitachi Power Europe GmbH 9

10 Effizienztechnologien 700 C- Kraftwerkstechnologie Trockenbraunkohle-Kraftwerke CCS Oxyfuel Nachgeschaltete CO 2 -Wäsche (Post Combustion Capture) Zusammenfassung Hitachi Power Europe GmbH 10

11 Potential zur Wirkungsgraderhöhung durch Braunkohlevortrocknung Rheinische Braunkohle (53,3 Gew.% Wassergehalt) Australische Braunkohle (62 Gew.% Wassergehalt) Wasserverdampfung 12,4 % Umwandlungsverluste 49,5 % Wasserverdampfung 16,6 % Umwandlungsverluste 47,5 % Braunkohle Chemische Energie: 100,0 % Wirkungsgrad ~43 % (Hu) Strom 38,1 % Braunkohle Chemische Energie: 100,0 % Strom 35,9 % Hitachi Power Europe GmbH 11

12 Vorteile des Trockenbraunkohle-Kraftwerkes Ersparnis bei der Kesselkonstruktion Geringerer Rauchgasmassenstrom Geringerer Kesselquerschnitt (- 20 %) Keine heiße Rauchgasrezirkulation Keine Schlagradmühlen Reduzierte Dimensionen der Komponenten wie Gebläse und Rauchgasentschwefelung Sicherer Betrieb (konstante, homogene Brennstoffeigenschaften, insbesondere Wassergehalt und unterer Heizwert) Geringerer Brennstoffverbrauch/ höherer Wirkungsgrad Reduzierte CO 2 -Emissionen < 850 g/kwh η=43% η~50% Kessel- und Feuerungstechnologie verfügbar, Trocknung muß noch demonstriert werden Hitachi Power Europe GmbH 12

13 Kraftwerksbau morgen Wirkungsgradsteigerung ist der 1. Schritt zur CO 2 -Minderung 700 C, Steinkohle: Trockenbraunkohle: > 50 % Wirkungsgrad > 47 % Wirkungsgrad 700 C, Trockenbraunkohle: > 50 % Wirkungsgrad Hitachi Power Europe GmbH 13

14 Effizienztechnologien 700 C- Kraftwerkstechnologie Trockenbraunkohle-Kraftwerke CCS Oxyfuel Nachgeschaltete CO 2 -Wäsche (Post Combustion Capture) Zusammenfassung Hitachi Power Europe GmbH 14

15 Der Oxyfuel-Prozess N 2, O 2 Kohle Kessel CO 2, H 2 O N 2 Hitachi Power Europe GmbH 15

16 Der Oxyfuel-Prozess Luftzerlegungsanlage (LZA) Rauchgasrezirkulation N 2, O 2 Kohle Kessel CO 2, H 2 O N 2 Rauchgas- Kühler CO 2 CO 2 Verdichtung H 2 O Hitachi Power Europe GmbH 16

17 Der Oxyfuel-Prozess Luftzerlegungsanlage (LZA) Rauchgasrezirkulation O 2 Kohle Kessel CO 2, H 2 O Rauchgas- Kühler CO 2 CO 2 Verdichtung H 2 O Beispiel: Trockenbraunkohle O 2 [Vol.-% w] H 2 O [Vol.-% w] CO 2 [Vol.-% w] N 2 [Vol.-% w] V [Nm³/s] Luft-Rauchgas 2,9 9,7 14,7 71,5 221,5 Oxyfuel-Rg hinter Kessel 2,4 40,3 54 2,7 229,95 Oxyfuel- Rg vor CPU 3,7 4,28 87,4 4,6 53,1 Hitachi Power Europe GmbH 17

18 Oxyfuel-Verbrennung Dampfkreislauf Herausforderungen Verringerung des Energiebedarfs, insbesondere LZA Feuerungsauslegung für Oxyfuel- und Luftbetrieb Anlagenauslegung für neue und Retrofit-Anlagen Dampferzeuger DeNOx Luftzerlegungsanlage LZA ASU O 2 N 2 Luft CO 2 (Reinigung) Kompression Coal Kohle E-Filter ESP HRS DeSOx FGD RG FG Kühler cooling Asche Schwefel H 2 O H 2 O CO 2 Rauchgasrückführung Luft Hitachi Power Europe GmbH 18

19 Beispiele für Retrofits und Neuanlagen REA Rauchgasrückführung 820 MWel Turmkessel Retrofitstudien für aktuelle Neuanlagen sind beendet CO 2 -Verdichtung ca. 2,000m² E-Filter Kompressor Block 1-4 Luftzerlegungsanlage ca m² 4 Straßen Optimierte Auslegung reiner Oxyfuel-Anlagen läuft 500m 500 MWel Zweizugkessel LZA (Luftzerlegung) Wärmetauscher Rauchgastrockner Kessel DeNOx E-Filter Rauchgasentschwefelung Rauchgasrückführung Kompressor 150m Hitachi Power Europe GmbH 19

20 Vattenfall 30 MW th Oxyfuelanlage Schwarze Pumpe HPE s DS - T Oxyfuelbrenner Brenner Demonstration des HPE s DS -T Oxyfuelbrenners ECO 5 HE OXY Inbetriebnahme im April 2010 gestartet Ausbrand- Oxydator Ü 1 Ü 2 ECO 4 ECO 3 ECO 2 ECO 1 Messungen in der Flamme: Rauchgaskomponenten und Temperaturen Wärmeübertragung durch Strahlung Emissionen Materialverhalten CFD-Modellierung für DS -T-Brenner und Brennkammer Verständnis des Prozesses in Großanlagen mit Gesamtprozessablauf (LZA, CPU, RG- Rezirkulation) Hitachi Power Europe GmbH 20

21 Vattenfall 30 MW th Schwarze Pumpe Kessel DeSOx E-Filter Luftzerlegungsanlage Rauchgaskondensator Büros und Lager CO 2 -Reinigung und Verdichtung source: Vattenfall Hitachi Power Europe GmbH 21

22 Effizienztechnologien 700 C- Kraftwerkstechnologie Trockenbraunkohle-Kraftwerke CCS Oxyfuel Nachgeschaltete CO 2 -Wäsche (Post Combustion Capture) Zusammenfassung Hitachi Power Europe GmbH 22

23 CO 2 -Wäsche Wasser CO 2 -armes Gas MEA und Wasser MEA Desorber Produkt CO 2 (99 % Reinheit) Absorber Verdampfer Dampf SCR NaOH Aminwäsche Kohle Kessel Luftvowärmer E-Filter REA Asche Flugasche Gips Hitachi Power Europe GmbH 23

24 CO 2 -Wäsche Gereinigtes Rauchgas CO 2 CO 2 armes Waschmittel, kalt Absorber C Desorber C Rauchgas CO 2 -reiches Waschmittel CO 2 -armes Waschmittel, heiß Thermische Energie für die Desorption Hitachi Power Europe GmbH 24

25 CO 2 -Wäsche Herausforderungen Herausforderung Nr. 1 - Das Waschmittel Entwicklung (Stabilität, geringer Wärmebedarf, geringe Kosten) Langfristige Verfügbarkeit Anlagenausführung sollte eine Vielzahl von Waschmitteln zulassen Herausforderung Nr. 2 - Die Prozessintegration Nachrüstung einer CO 2 -Wäsche, eine einfache Erweiterung an einem Kraftwerk? Bleibt die Anlage größtenteils unberührt von dem neuen Equipment? Minimale Wirkungsgradeinbuße ist nur mit umfangreicher Prozessintegration erreichbar Hitachi Power Europe GmbH 25

26 Kraftwerksprozess ohne CCS 46, η Dampferzeuger Kühlturm Turbine Generator Kondensator Dampfleitungen Flugasche Kohlemühlen Ent- gebläse Frischl. Primärl. Saugzug gebläse aschung Speisewassertank ND- Vorwärmer Speisepumpe HD Vorwärmer Kohle De NOx E-Filter REA Gips Kühlwasser Hitachi Power Europe GmbH 26

27 Kraftwerksprozess mit CO 2 -Wäsche CO 2 -Wäsche, Waschmittel MEA Dampfentnahme an der Überströmleitung zur ND- Turbine sowie an der kalten/heißen Zwischenüberhitzung 40-15,9 50 η Zum Desorber Turbine Generator Kondensator Dampfleitungen Flugasche Kohlemühlen Ent- gebläse Frischl. Primärl. Saugzug gebläse aschung Speisewassertank ND- Vorwärmer Speisepumpe Zum Desorber Zum Desorber HD Vorwärmer Kohle Dampferzeuger De NOx E-Filter REA Gips 60 Rauchgas mit geringem CO 2 Absorber Desorber Vorwäscher Verdichter CO 2 Transport &Speicherung Kühlturm Kühlwasser Hitachi Power Europe GmbH 27

28 Optimiertes Waschmittel CO 2 -Wäsche, verbessertes Waschmittel, z.b. H3 Dampfentnahme an der Überströmleitung zur ND-Turbine Turbinenmodifizierung ,14 η Dampferzeuger Kühlturm Zum Desorber Turbine Generator Kondensator Dampfleitungen Flugasche Kohlemühlen Ent- gebläse Frischl. Primärl. Saugzug gebläse aschung Speisewassertank ND- Vorwärmer Speisepumpe HD Vorwärmer Kohle De NOx E-Filter REA Gips Rauchgas mit geringem CO 2 Absorber Desorber Vorwäscher Verdichter CO 2 Transport &Speicherung Kühlwasser Hitachi Power Europe GmbH 28

29 Vollständige Prozessintegration CO2-Wäsche mit optimiertem Waschmittel Turbinenmodifizierung Dampfentnahme an der Überströmleitung zur ND-Turbine Wärmeverschub zur Frischluft Wärmeverschub aus Luvo-Bypass in den HD-Vorwärmer Abwärme zum ND-Vorwärmer Rauchgaswärme zum ND-Vorwärmer 40 39,1-7,8 50 η Dampferzeuger Kühlturm Zum Desorber Turbine Generator Kondensator Dampfleitungen Flugasche Kohlemühlen Ent- gebläse Frischl. Primärl. Saugzug gebläse aschung Speisewassertank ND- Vorwärmer Speisepumpe HD Vorwärmer Kohle De NOx E-Filter REA Gips Kühlwasser Rauchgas mit geringem CO 2 Absorber Desorber Vorwäscher Verdichter CO 2 Transport &Speicherung Kühlwasser Kühlwasser Hitachi Power Europe GmbH 29

30 Prozessintegration Prozessintegration spart Energie und steigert die Anlagenkomplexität Zahlreiche Schnittstellen, viele Komponenten betroffen Entfernungen und Flächen spielen eine wichtige Rolle bei der Wirtschaftlichkeit Hitachi Power Europe GmbH 30

31 HPE s mobile Pilotanlage Absorber Desorber 5000 Nm 3 /h Rauchgas Vorwäscher CO 2 Abscheiderate > 90 % Abgeschiedene CO 2 Menge 1 tco 2 /h CO 2 Reinheit > 95 % Reboiler Zweistrassige Ausführung Tanks Installation in Container-Stahlrahmen Pumpen und Wärmetauscher Tests von verschiedenen Waschmitteln Hitachi Power Europe GmbH 31

32 HPE Versuchsanlage Vormontage Hitachi Power Europe GmbH 32

33 HPE Versuchsanlage Zwischenlagerung auf der Betreiberseite Hitachi Power Europe GmbH 33

34 CO 2 -Wäsche für eine 800 MW Anlage Desorber h = 40,6 m d = 8,4 m Saugzuggebläse Vorwäscher h = 41,3 m d = 12,8 m Absorber h = 41,5 m d = 11,4 m Hitachi Power Europe GmbH 34

35 Zusammenfassung Wirkungsgradsteigerung ist der schnelle Weg zur CO 2 -Reduzierung und die notwendige Vorraussetzung für CCS Für Demonstrationsprojekte der CCS-Technologien werden bei Hitachi alle relevanten Prozesse entwickelt Hitachi s mobile Pilotanlage zur CO 2 -Wäsche ist gefertigt, Versuche werden 2010 gestartet Hitachi s Oxyfuelbrenner wird in April 2010 in Betrieb genommen Hitachi liefert bereits heute alle erforderlichen Komponenten für Gesamtanlagen, zukünftig auch einschließlich CO 2 -Abscheidung Hitachi wird global eine entscheidende Rolle bei den geplanten CCS-Demonstrationsanlagen spielen Hitachi Power Europe GmbH 35

36 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Hitachi Power Europe GmbH 36