CCS der Beitrag zur klimafreundlichen Energieerzeugung

Transkript

1 IZ Klima Informationszentrum für CO 2 -Technologien e.v. CCS der Beitrag zur klimafreundlichen Energieerzeugung Michael Donnermeyer Egeb - Forum Energie 6. Mai 2011

2 Mitglieder des IZ Klima e.v. Das IZ Klima Informationszentrum für CO 2 -Technologien e.v. ist eine gemeinsame Kommunikationsplattform der Unternehmen: Folie 2

3 IZ Klima e.v. im Überblick IZ Klima Informationszentrum für CO 2 -Technologien e.v. Gemeinnütziger eingetragener Verein Gegründet am in Berlin Vorstandsvorsitzender Klaus von Trotha Gegenwärtiger Vorstand Johannes Lambertz (RWE Power) Bernhard Fischer (E.ON Generation) Markus Rieck (Alstom) Werner Klein (DB Energie) Geschäftsführung Michael Donnermeyer Folie 3

4 Beirat des IZ Klima e.v. Die Arbeit des Informationszentrums wird durch einen fachlich übergreifenden Beirat begleitet, in dem zurzeit Mitglieder folgender Institutionen vertreten sind: Folie 4

5 FAS, 5. April 09 Folie 31

6 Was ist eigentlich CO 2? o CO 2 ist ein natürliches, farb-, geruch- und geschmackloses Gas CO 2 ist kein Gift, Abfall, Müll oder Killer CO 2 entsteht durch die Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Substanzen wie Holz, Kohle, Gas, Biomasse o.ä. bei der alkoholischen Gärung sowie durch die menschliche und tierische Atmung (ca.0,04 Prozent der normalen Atemluft) CO 2 findet in vielen Bereichen unseres täglichen Lebens Anwendung Lebensmittelindustrie (Mineralwasser, Bierzapfanlagen, Treibhäuser etc.) Kältemittel (Trockeneis oder Klimaanlagen) Lösungsmittel (Chemische Reinigung) Pflanzenschutzmittel und Dünger Brandbekämpfung (Feuerlöscher) Folie 6

7 CO 2 ist ein natürlicher Bestandteil unserer Atmosphäre Der natürliche CO 2 -Kreislauf CO 2 wird in die Atmosphäre freigesetzt Waldbrände Verbrennung fossiler Energieträger Eingriffe in den Boden Schmelzen von Permafrostböden Boden Wald und Vegetation CO 2 wird absorbiert und in Senken gespeichert Ozean CO 2 ist eine wichtige Grundlage für alles Leben auf der Erde Fotosynthese: Pflanzen wandeln CO 2 in Sauerstoff um Natürlicher Treibhauseffekt: Ohne CO 2 läge die globale Durchschnittstemperatur der Erde bei -18 C Pflanzen, Erdboden und Ozeane sind natürliche CO 2 - Speicher Folie 7

8 Herausforderung Klimawandel Mrd. Tonnen Kohlenstoff Heute n. Chr. IPCC-Bericht: Der Klimawandel wird durch den Menschen verstärkt Mit wachsenden CO 2 -Emissionen steigt auch die globale Temperatur Folgen: Wetterextreme, Naturkatastrophen und drohende Schäden in Milliardenhöhe Empfehlung IPCC: Begrenzung des Klimawandels auf ein beherrschbares Maß Stabilisierung des CO 2- Anteils in unserer Atmosphäre zwischen ppm. Begrenzung des weltweiten Temperaturanstiegs auf ungefähr 2 Celsius Folie 8

9 Eine Ursache ist der weltweit wachsende Energiebedarf IEA-Prognose des globalen Primärenergiebedarfs bis 2030 Auswirkungen auf die weltweite Stromerzeugung (Angaben in Terawattstunde TWh = 1 Mrd. kwh) Andere Erneuerbare Milliarden Tonnen Öläquivalente Wasserkraft Kernenergie Biomasse Gas Kohle Öl + 40% in 2030 Stand heute (100%) + 75% in Quelle: Darstellung nach IEA World Energy Outlook 2008 Quelle: VGB Zahlen und Fakten, 2009/2010 Folie 9

10 Stromerzeugung & Energiemix in Deutschland (2009) Folie 10

11 Globales Ziel: Begrenzung der globalen Erwärmung auf 2 C Heute Verbleibendes Emissionsbudget, um den Anstieg der globalen Mitteltemperatur auf ~ 2 C zu begrenzen: 1000 Milliarden Tonnen für den Zeitraum 2000 bis Ein Drittel dieses Budget haben wir alleine in den vergangenen 9 Jahren emittiert. Bei business as usual werden wir bereits 2030 das verbleibende Budget überschreiten! Quelle: Malte Meinshausen 2009 Folie 11

12 Ehrgeizige Zielvorgaben: Notwendige Emissionsreduktion bis Milliarden Tonnen (Gt) CO 2 - Äquivalente Entwicklungsländer Welt Industrieländer % ± 0 % - 85 % Quelle: Handelsblatt Nr. 107 vom , nach: Meinshausen, PIK & UNDP Folie 12

13 Je später die Trendwende, desto größer die Herausforderung! Beispiele für lineare Emissionsreduktion beginnend in unterschiedlichen Anfangsjahren. Alle Kurven führen zu den gleichen Gesamtemissionen an Treibhausgasen bis Entspricht der Reduktionsmenge des Kyoto-Protokolls ( ) - diesmal allerdings pro Jahr! Notwendigkeit Negativer Emissionen (Zusätzliches Potenzial mit CCS!!) Quelle: Malte Meinshausen 2009 Folie 13

14 Ambitionierte Ziele erfordern ein adäquates Klimaschutzportfolio Energiebedingte CO 2 Emissionen Weltweit Anteil an globaler CO 2 -Vermeidung = >40 Mrd. Tonnen Absolut *) Prozent Effizenz Anteil Endverbraucher Milliarden Tonnen CO = 29 Mrd. Tonnen 2030 = Mrd. Tonnen - Anteil Kraftwerksbereich Erneuerbare Energien Biokraftstoffe Kernenergie CCS *) in Millionen Tonnen CO Referenz Szenario 450 Szenario Quelle: OECD/IEA WEO Excerpt, 2009 Folie 14

15 Berechnungen IEA: Vermeidungspotenziale in OECD + und EU Energiebedingte CO 2 Emissionen Energiebedingte CO 2 Emissionen Milliarden Tonnen (Gt) CO Europäische Union Milliarden Tonnen (Gt) CO OECD-Länder plus weitere EU-Staaten Vermeidungspotenzial in Millionen Tonnen CO 2 Vermeidungspotenzial in Millionen Tonnen CO Quelle: Special early excerpt of the World Energy Outlook (WEO) 2009 Folie 15

16 Schlüsseltechnologien zur CO 2 -Reduktion im IEA Szenario bis 2050 Quelle: IEA, Energy Technology Perspectives, 2010 Folie 16

17 CCS im Klimaschutzportfolio des IPCC Emissions (MtCO 2 per year) Emissions (MtCO 2 per year) 90,000 MiniCAM 80,000 70,000 60,000 50,000 40,000 30,000 20,000 10,000 Erlaubte Emissionsmenge für 550 ppm ( 2 -Ziel ) ,000 MESSAGE 80,000 70,000 60,000 50,000 40,000 30,000 20,000 10,000 Erlaubte Emissionsmenge für 550 ppm ( 2 -Ziel ) Quelle: IPCC Special Report on Carbon dioxide Capture and Storage, 2006 MiniCAM und MESSAGE liegt jeweils ein anderer Energiemix zu Grunde, der die BAU-Kurve und die Reduktionsmenge entsprechend beeinflusst Business as Usual (BAU) Erlaubte Emissionsmenge für 550 ppm Energie-Einsparung und -Effizienz Erneuerbare Energien Kernenergie Brennstoffwechsel von Kohle zu Gas (Fuel Switch) CCS In beiden Szenarien deckt CCS etwa ein Viertel des gesamten Vermeidungspotenzials ab Folie 17

18 IPCC: CCS ist wichtiges Instrument im Klimaschutzportfolio CCS wird äußerst wichtig sein und es ist unbedingt notwendig, dass die Industrieländer sehr stark in die Schaffung technologischer Lösungen für CO 2 - Abscheidung und -Speicherung investieren. In verschiedenen Szenarien hat das IPCC das ökonomische Potenzial verschiedener CO 2 - Vermeidungsmaßnahmen bis Ende dieses Jahrhunderts untersucht Das Vermeidungspotenzial von CCS beträgt danach zwischen 220 und 2200 Milliarden Tonnen CO 2 bis 2100 Das entspricht 5-55 Prozent der weltweit notwendigen Emissionsreduktion, um ein Klima-Stabilisierungsziel zwischen 450 und 550 ppm CO 2 zu erreichen Die Entwicklung von CCS ist damit ein wesentlicher Teil der globalen Lösungsstrategie! Dr. Rajendra Pachauri Quelle: IPCC Special Report on Carbon dioxide Capture and Storage, 2006 Folie 18

19 WWF: -95% bis 2050 sind in Deutschland nur mit CCS erreichbar! Übersicht der Reduktion von THG-Emissionen um 95 % in Deutschland Quelle: Modell Deutschland Klimaschutz bis Vom Ziel her denken, 2009 Folie 19

20 Ambitionierte Klimaziele der Politik in Deutschland % in % in 2050 Quelle: UBU, Presseinformation Nr. 13/2010 Folie 20

21 CCS: Weit mehr als eine Kohletechnologie global Im Rahmen von energieintensiven Industrieprozessen wie bei der Stahl-, Zement-, Kalk- oder Aluminiumproduktion fallen große Mengen CO 2 an Für die Reduzierung dieser prozessbedingten CO 2 -Emissionen ist CCS alternativlos Quelle: Heidug, Wolfgang (IEA) (2010): CCS: Outlook and Challenges.

22 CCS in der Industrie: Potential von CCS reicht weit über Kohle hinaus Prozessbedingte Emissionen aus Stahlwerken, Zementfabriken, Aluminumhütten usw. machen in Deutschland rund 80 Millionen Tonnen CO 2 aus Das entspricht der Menge, die 2006 in Deutschland durch die Erzeugung von Strom, Wärme und Kraftstoff aus erneuerbaren Energien eingespart wurde 1). Für die Reduktion dieser 80 Millionen Tonnen CO2 ist CCS nahezu die einzige Option Weltweit bestehen rund große stationäre Punktquellen 2) im Bereich der Industrie (>0,1 Millionen Tonnen CO2 p.a.), die mit CCS ausgerüstet werden könnten Die Gesamtmenge des durch den Menschen verursachten CO 2 -Ausstoßes beträgt weltweit 28 Milliarden Tonnen. CCS käme für 56 Prozent 3) davon in Frage Quelle: WiWo.de 1) Angabe nach Bundesverband Windenergie 2007; 2) & 3) Angaben nach StatoilHydro Folie 22

23 CCS + Biomasse: Zukunftsoption für negative Emissionen Negative Emissionen CO 2 -Abscheidung CCS CO 2 -Speicherung Neuste Erkenntnisse zeigen, dass für die Erreichung des 2 C- Ziels eine Stabilisierung der CO2-Konzentration bei 400 ppm notwendig ist Heute liegen wir bei 380 ppm bei gigantischen Zuwachsraten in China und Indien Die Lösung: NEGATIVE EMISSIONEN durch Kombination von Biomasse + CCS Quelle: Biogene Brennstoffe im Energiesystem BMU 2007; Eigene Darstellung Folie 23

24 Abscheidung Transport Speicherung Das Prinzip der Carbon Capture & Storage (CCS)-Technologie Bei der Verbrennung fossiler Energieträger wie Kohle zur Stromerzeugung im Kraftwerk entsteht CO 2 Schritt 1 - Abscheidung Das anfallende CO 2 wird mittels verschiedener technologischer Verfahren im Kraftwerksprozess abgeschieden oder später herausgewaschen Schritt 2 - Transport Das abgeschiedene CO 2 wird gereinigt, verdichtet und zu möglichen CO 2 - Speicherstätten transportiert Schritt 3 - Speicherung CO 2 wird in flüssiger Form in poröse Gesteinsformationen gepumpt, die es wie ein Schwamm sicher und dauerhaft speichern Schritt 1 Schritt 2 Schritt 3 Quelle: Eigene Darstellung / RWE Dea Folie 24

25 Abscheidung Transport Speicherung CO 2 -Abscheidung: Was passiert im Kraftwerk? Für die Abscheidung des im Kraftwerksprozess entstehenden CO 2 werden drei unterschiedliche Verfahren entwickelt : Post Combustion Pre Combustion Oxyfuel Folie 25

26 Abscheidung Transport Speicherung Abscheidung nach der Verbrennung (Post Combustion) Nach Verbrennungsprozess im Kraftwerk: Chemische Wäsche des entstandenen Rauchgases 1 Abschließend wird das CO 2 abgetrennt, unter Druck verflüssigt und so transportfähig gemacht 5 Die Waschlösung wird anschließend in einer sog. Desorberkolonne unter Energiezufuhr regeneriert. Die gesäuberte Lösung fließt zurück in den Absorber 4 Wäsche erfolgt in der sog. Absorberkolonne mit einer Waschlösung, die das CO 2 bindet 2 3 Je nach verwendeter Waschlösung können bis zu 90 Prozent des CO 2 aus dem Rauchgas herausgewaschen werden Quelle: Vattenfall Folie 26

27 Abscheidung Transport Speicherung Abscheidung vor der Verbrennung (Pre Combustion) Vergasung erfolgt unter Druck (bis 100 bar) in Milieu aus Wasserdampf und Sauerstoff (bei Grad Celsius) Aus diesem Gemisch lässt sich CO 2 relativ leicht mittels physikalischer Wäsche (Absorber ist bspw. Methanol) abtrennen Das entstehende wasserstoffreiche Gas wird abschließend zum Antrieb einer Gasturbine verbrannt Kohle wird vor Verbrennung in einem Vergaser in Synthesegas aus Kohlenstoffmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) umgewandelt Quelle: Vattenfall 1 Nach Kühlung des Synthesegases:Umwandlung unter Zusatz von Wasserdampf in ein Gemisch aus CO 2 und Wasserstoff 3 Folie 27

28 Abscheidung Transport Speicherung Verbrennung mit annähernd reinem Sauerstoff (Oxyfuel-Verfahren) Der Luft wird Stickstoff entzogen: Es bleibt annähernd reiner Sauerstoff 1 Der Wasserdampf kondensiert - übrig bleibt CO 2, das anschließend in komprimierter Form transportiert und gespeichert werden kann 4 Verbrennungsprozess in einer Atmosphäre von annähernd reinem Sauerstoff ermöglicht geringeres Abgasvolumen und weniger CO 2 2 Das zirkulierende Rauchgas enthält nur noch CO 2 und Wasserdampf 3 Quelle: Vattenfall Folie 28

29 Abscheidung Transport Speicherung Übersicht: Wirkungsgrade und Abscheideraten Der erhöhte Energieaufwand für die Abscheidung des CO 2 führt gegenüber herkömmlichen Kraftwerken zu einer Verminderung des Wirkungsgrades bei CCS- Kraftwerken Die steigende Effizienz neuer Kraftwerkgenerationen (Wirkungsgrade über 50%) und weitere Prozessoptimierungen können Wirkungsgradverluste durch CCS zunehmend ausgleichen 8 12 Prozentpunkte beträgt derzeit der Wirkungsgradverlust durch die Anwendung der verschiedenen CO 2 -Abscheidungsverfahren Prozent * beträgt der Anteil des abgeschiedenen CO 2 im Kraftwerk * Die Angaben beziehen sich auf die Prozesse innerhalb des Kraftwerks bei gleicher elektrischer Leistung Folie 29

30 Abscheidung Transport Speicherung Der Weg des CO 2 - Vom Kraftwerk zur Speicherstätte Die Kraftwerke liegen nicht immer in direkter Nähe der Speicherstätten Schritt 2 - Transport Das abgeschiedene CO 2 wird zu möglichen CO 2 - Speicherstätten transportiert. Das im Kraftwerksprozess abgeschiedene CO 2 wird unter Druck verflüssigt und ähnlich wie heute Erdgas bevorzugt per Pipeline zu den Speicherstandorten transportiert. Schiff und LKW wären ebenfalls möglich Quelle: Bildmaterial E.ON Engineering Folie 30

31 Abscheidung Transport Speicherung CO2-Speicherung: Wieviel Skepsis ist angebracht? Quelle: Bürgerinitiative CO2 Endlager Stoppen e.v. Folie 31

32 Abscheidung Transport Speicherung Wohin mit dem CO 2 Die Speicherung im Untergrund Das CO 2 muss sicher und dauerhaft im Untergrund gespeichert werden Ausgeförderte Öl- und Gasfelder können als natürliche Speicherstätten dienen Weitere Optionen: Tief liegende salzwasserführende Gesteinsschichten so genannte Saline Aquifere Ausgeförderte Öl- und Gasfelder Saline Aquifere Quelle: Eigene Darstellung Folie 32

33 Abscheidung Transport Speicherung Wie funktioniert die Speicherung im Untergrund? Sandstein Schwamm Das abgeschiedene CO 2 wird in poröse Gesteinsformationen gepumpt, die es wie ein Schwamm sicher und dauerhaft speichern können Quelle: BGR Folie 33

34 Abscheidung Transport Speicherung Wie sieht es in der Speicherstätte aus? Gasundurchlässige Deckgesteinsschicht Undurchlässiges Deckgestein Durchlässige Porenräume Poröse und durchlässige Sandsteinschichten Porenräume Salzwasser Sandkorn Eingespeistes CO 2 Quelle: British Geological Survey / GEOS Folie 34

35 Abscheidung Transport Speicherung Beispielhafte Darstellung der Speicherung in salinen Aquiferen Antiklinale Synklinalen Antiklinale Quelle: BGR Folie 35

36 Abscheidung Transport Speicherung Phasen der Speicherung von CO 2 im Gestein Gasundurchlässige Deckgestein Salzwasserhaltige Porenräume 1: Physikalische Bindung 2: Lösung 3: Mineralisierung Zunehmende Sicherheit durch Bindung des CO 2 im Gestein Quelle: Bellona Folie 36

37 Abscheidung Transport Speicherung Wie verhält sich das CO 2 über lange Zeiträume im Gestein? Zunehmende Sicherheit Zunehmende Sicherheit Mineralische Bindung Lösung Kapillare Bindung im Gestein Speichermechanismen sorgen für langfristige Sicherheit bei der geologischen Speicherung von CO 2 Freie Bindung im Gestein Injektionsphase (20-40 Jahre) Quelle: CO2CRC / eigene Darstellung Nach der Injektion (>100 Jahre) Nach der Injektion (> 1000 Jahre) Folie 37

38 Transport Speicherung CO 2 Speicherung in der Tiefe: CO 2 ist dort quasi flüssig Zunehmende Tiefe (km) CO 2 = Flüssig CO 2 = Gasförmig Erdoberfläche Grenze zwischen gasförmigen und flüssigem Zustand Zunehmende Dichte (kg/m³)) Quelle: CO2CRC / eigene Darstellung Folie 38

39 Abscheidung Transport Speicherung Verteilung von Quellen und potentiellen Speichern in Deutschland Praktikable Kapazität Effektive Kapazität Theoretische Kapazität CO 2 -Emissionen aller Kraftwerke in Deutschland > 300 Millionen Tonnen p.a. Quelle: WiWo.de Folie 39

40 Abscheidung Transport Speicherung Geschätzte CO 2 -Speicherkapazitäten (Wuppertal Institut + BGR, 2010) 9,05-15,55 6,3 12,8 2,75 BGR 2010 Quelle: Wuppertal Institut Dr. Daniel Vallentin / Ergänzung durch BGR-Zahlen nach Gerling et al. In: ET, 60.Jg. (2010) Heft 4 Folie 40

41 Abscheidung Transport Speicherung Analoges Beispiel: Erdgasspeicher in Berlin Erdgasspeicher unter Spandau/ Charlottenburg (in Betrieb seit 1992) Ausdehnung rund 6 km² Kapazität rund 700 Millionen km³ Erdgas (= gesamter Jahresverbrauch Berlin) Speicherung in poröser Gesteinsschicht in etwa 800m Tiefe (abgedichtet durch mehrere Schichten Ton, Salz und Kalk) Das Erdgas wird über 16 Bohrleitungen in den Speicher gepresst und verdrängt dabei das Grundwasser Auf diese Weise lagert das Erdgas sicher wie in einem natürlichen Gasfeld Quelle: Gasag/Tsp-pm Folie 41

42 Zeitplan: Entwicklung und Etablierung der CCS-Technologie Zeitrahmen ~ 2007 ~ 2008 ~ 2010 ~ 2015 ~ 2020 Phase Phase 1 Phase 2 Phase 3 Phase 4 FuE Kraftwerke CO 2 - Speicher Entwicklung Standortentscheidungen Testanlagen (~ 0,5 MW) Kontinuierliche Forschungs- und Entwicklungsarbeit Planung & Genehmigung Screening, Erkundung, Genehmigung Genehmigungen & Entscheidung über Realisierung Pilotanlagen (~30 MW) Antrag auf Genehmigung Genehmigung/Bauentscheidung Errichtung Inbetriebnahme Netzschaltung Demonstrationskraftwerke (~ 300 MW) Bau & Inbetriebnahme Bau & Inbetriebnahme Betriebsbeginn Export Einsatz von CCS-Kraftwerken im großtechnischen Maßstab (~1000 MW) Folie 42

43 Globale Entwicklung und Erforschung von CCS-Projekten Folie 43

44 Kontakt IZ Klima - Informationszentrum für CO 2 -Technologien e. V. Markgrafenstraße Berlin Telefon Telefax info@iz-klima.de Folie 44

45 Kosten der Treibhausgasvermeidung in Deutschland 2020 * Quelle: BDI/ McKinsey & Company -AG Energie:"Kosten und Potenziale der Vermeidung von Treibhausgasemissionen in Deutschland, 2009 Folie 45

46 McKinsey: Entwicklung der Vermeidungskosten für CCS bis 2030 Max. Min. Quelle: McKinsey & :Company Carbon Capture & Storage: Assessing the Economics, 2008 Folie 46

47 ETS bietet Anreiz für den Einsatz marktfähiger CCS-Kraftwerke einen Anstieg der Entwicklung der Preise für CO 2 -Zertifikate (Stand: Jan 2008, in /t) A.T. Kearney erwartet Zertifikatspreise auf durchschnittlich 38 /t CO 2 für NAP3 Anreiz für Einsatz von CCS Die EU-Kommission geht davon aus, dass 2020 großtechnische CCS- Kraftwerke ab einem Zertifikatspreis von 35 /t CO 2 gegenüber herkömmlichen Kraftwerken wettbewerbsfähig sind Quelle: EEX, A.T. Kearney Analyse 2008 Folie 47