Sachstand in AG 4 Zukünftige Technologien

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1 Wege zum emissionfreien Kraftwerk Workshop CO 2 -Abscheidung/Verwertung/Deponie in Frankfurt am 3. und 4. Juli 2002 Sachstand in Zukünftige Technologien Rudolf Pruschek Mitglieder der A4: Dr.-Ing. Wolfgang Adlhoch, Prof. Dr.Baselt, Dipl.-Ing. Joerg Boewe, Prof. Dr. Jürgen Caro, Dr.-Ing. erold öttlicher, Dipl.-Ing. ünther Haupt, Prof. Dr.-Ing. Dietmar Hein, Dr. Axel Kranzmann, Prof. Dr.-Ing. Hans-Joachim Krautz, Prof. Dr.-Ing. Reinhard Leithner, Prof. Dr.-Ing. Bernd Meyer, Dipl.-Ing. Jochen Oesterlink, Prof. Dr. Wolfgang Polifke, Prof. (i. R.) Dr.-Ing. Rudolf Pruschek (Sprecher), Dipl.-Ing. Armin Schimkat, Prof. Dr.-Ing. Roland Span, Dr.-Ing. Ralf Uttich 1

2 Spezifische CO 2 - Emissionen Emission aus einem Steinkohle-Kraftwerk, 38 % Wirkungsgrad 868 g/kwh Emission aus einem Steinkohle-Kraftwerk, 50 % Wirkungsgrad 660 g/kwh Emission aus einem Erdgas- ud-kraftwerk, 58 % Wirkungsgrad 345 g/kwh Um die Emission eines Steinkohle-Kraftwerks auf diesen Wert zu mindern, müßte der Wirkungsgrad auf 96 % gesteigert werden! Ein Steinkohle-Kraftwerk mit 100 % Wirkungsgrad emittiert noch ca. 330 g CO 2 je kwh! Steinkohlekraftwerk mit CO 2 -Abscheidung < 100 g CO 2 je kwh 2

3 CO 2 -Reduktion durch hohe Wirkungsgrade Kurz- bis mittelfristig (2015): Weiterentwicklung erprobter Technolgien, Komponentverbesserung, Werkstoffe, etc. - Kohlekraftwerke mit η = 50 bis 55 % - Erdgas-Kombi -Kraftwerke η = 60 bis 65 % : Erreichen unkonventionelle Verfahren potenziell noch höhere Wirkungsgrade? Aus heutiger Sicht nur durch Kombination mit SOFC deutliche Steigerungen denkbar: - Kohle (Vergasung erforderlich) 60 % - Erdgas 70 % 3

4 Beispiele für unkonventionelle Prozesse für potentiell hohe Wirkungsgrade MHD (Kombi-Prozess, MHD-Dampfturbine oder MHD-uD, derzeit sind keine Entwicklungsaktivitäten bekannt) Kalina-Prozess ( 5) WDK (Wasser-Dampf - Kombi-Prozess) Mehrfachdampf-Prozess ( 6) auch für Kohle Hydrothermal Dampferzeuger ( 7) HAT, TOP HAT (Humid Air Turbine, für Kohle mit integrierter Vergasung) u. a. 4

5 KALINA Cycle Wärmeübertragung von Wasser und Ammoniak/Wasser emisch im Abhitzekessel Dampfkühler T Ammoniak/Wasser emisch DCSS Wasser Q Ammoniak/Wasser emisch DCSS = Distillation Condensation Subsystem Quelle Siemens 5

6 Mehrfach-Dampfprozesse z.b. TRC - Triple Rankine Cycle Nach: Brockel,

7 Hydrothermal Heat generator Fuels: coals oils natural gas waste biomass Example: Natural as +18 kj +112 kj +127 kj Σ +257 kj fuel: 25 C, 1bar 400 C, 250 bar air: 25 C, 1bar 400 C, 250 bar H 2 O : 50 C, 250bar 400 C, 250 bar 400 C 250 bar heat recovery -336 kj for pre-heating 50 C 250 bar fuel/water=30/70, λ = 1, fuel = 1 mol CH 4, H upper = -890 kj 8 N CO H kj -7 kj up to 700 C heat for secondary circuit solid salts from fuel impurities exhaust gas for expansion work: 250 bar 1 bar 8 N CO H 2 0 Exhaust liquid condensate: [0.03 CO 2 / 4.27 H 2 0] "wet stack" for organic fuel impurities [0.01 CO 2 / 2 H 2 0] Quelle Alstom 7

8 ε =Exergiefaktor Wirkungsgrad η Wirkungsgrade thermischer Kraftwerke, Wirkungsgradpotenziale 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 UCS 0, Temperatur C ε = Exergiefaktor = Exergie /Energie ε 1,05 für Steinkohle auf den Heizwert bezogen ε 1,03 für Erdgas (CH 4 ) ε 1,05 für Braunkohle Carnot-Wirkungsgrad η C = 1 - T u /T.? Heute baubare Steinkohlekraftwerke Wirkungsgradsteigerung durch Erhöhung der oberen Prozesstemperatur Wirkungsgradsteigerung durch Verminderung von Irreversibilitäten Durch Verbrennung und Wärmeübergang vernichtete Arbeitsfähigkeit ud? Erdgas.. 8

9 Simple SOFC Power Cycle Types Recuperator Recuperator Recuperator Exhaust Exhaust Exhaust Fuel SOFC Module Fuel SOFC Module Fuel SOFC Module Blower M MT MT Air Air Air Atmospheric Pressure Atmospheric-Pressure Hybrid Pressurized Hybrid η 50% η 55% η 60% Quelle Siemens 9

10 Integrated asification Fuel Cell Combined Cycle (IFC-CC) asification and as Treatment as Cleaning Dedusting Air Separation Unit Fuel Cell as Turbine- enerator Water / Steam Cycle Sulfur Ash Raw as/ Clean as Heatex = ~ Anode Heat Recovery Steam enerator Steam Coal asifier Air Separation Unit Cathode Air Nitrogen Oxygen Slag Nitrogen Flue as Quelle Siemens 10

11 Emissionsfreie Kraftwerke (CO 2 -Rückhaltung) Stand: bekannte Verfahren, aufwendig, Wirkungsgradeinbuße. : Neue Verfahren für emissionsfreie Kraftwerke? CO 2 -Aufkonzentration der Abgase (nur CO 2 und H 2 O im Abgas) O 2 -Membranen O 2 -ewinnung durch Oxidation/Reduktion Brennstoffzellen Neue Versorgungskonzepte betrachten dezentrale Versorgung virtuelles Kraftwerk, Wasserstoffwirtschaft (Verbesserung der Vergasungsverfahren, neue Arbeitsmittel) 11

12 Integrated asification Combined Cycle (ICC) with CO 2 Removal IP Steam Coal Coal Preparation 1 S y n g a s C o o l e r Dry Dedusting Venturi Wash Hydrogenation Claus Plant Sulfur CO2 Fraction Saturator 2 LP Steam Fly Ash to Waste Water Treatment H 2 S Rectisol Regeneration CO2 Rectisol Regeneration Water H2S Rectisol CO Shift CO2 Rectisol asifier O2 Slag Steam Turbine O2 ASU Impure Nitrogen as Turbine 1 Pure Nitrogen Saturator Air Boiler Feed Water LP Steam Heat Recovery Steam enerator (HRS) Mit verfügbaren Werkstoffen, erprobten Verfahren und Kraftwerkskomponenten baubares ICC mit CO 2 -Rückhaltung, η 42 bis 45 % Flue as 2 Condenser Quelle Siemens Uni. Essen 12

13 Verfahren für CO 2 -Aufkonzentration im Abgas HiOx AZEP ( 14) raz Cycle NEDO MATIANT DKW, DE-Feuerung mit Sauerstoff u. a. Ishida-Prozess: Sauerstoff durch Oxidation/Reduktion von Metallen, z. B. NiO/Ni (ohne LZA oder Membranen, 15) CO 2 -Abtrennung mittels Brennstoffzellen (Anodenabgas nicht mit Stickstoff vermischt) CO 2 -Abtrennung bei Verwendung SOFC: hydrierende Vergasung, Karbonieren, Kalzinieren (Kalkbrennen CaCO 3 /CaO) mittels Abwärme von der SOFC: ZECA ( 16) u. a. Sauerstoffgewinnung heute: Luftzerlegung nach Linde Fortschritt erwartet: durch O 2 -Membranen 13

14 CO 2 liquid Water Advanced Zero Emission Plant (AZEP) Prozessbild CO 2 Compressor M Sweep Condenser Sweep Boiler Air Boiler Steam Turbine O 2 depleted Air Sweep Turbine Fuel Q Q Air Air Compressor O 2 O 2 O 2 Membrane Reactor Air Turbine Quelle Astom 14

15 T-Prozeß mit Sauerstoffversorgung über Ni/NiO Nachteile Ni/ NiO- Kreislauf nicht verfügbar Vorteile kein Zusatz-Energiebedarf für O 2 CO 2 -Turbine nicht entwickelt hohes Wirkungsgradpotential Quelle Ishida

16 ZECA Process Mineral Sequestration Enhanced Oil Recovery Coal Bed Methane Saline aquifers H 2 O (Used as control) as Cleanup CO 2 to sequestration H 2 O Water Cleanup H 2 O Air O 2 + Coal (Slurry?) asification CH 4, H 2 O Carbonation CaCO 3 Calcination CO 2 Fuel Cell N 2 H 2 CaO CO 2 Ash H 2 Polishing Step H 2 N 2 Quelle RA 16

17 Das virtuelle Kraftwerk Quelle Siemens 17

18 Elektrochemische Energieumwandlung: Brennstoffzellen für die stationäre dezentrale Anwendung ( 18) Hohe Wirkungsgrade auch im unteren Leistungsbereich Einsatz zur dezentralen Energieversorgung, besonders vorteilhaft für KWK PAFC kommerziell verfügbar aber teuer SOFC mit Mikroturbine 60 % Wirkungsgrad, Leistung 300 kw, ( 19) Brennstoffzellen für die stationäre zentrale Anwendung SOFC für den Einsatz in Kraftwerken mit Leistungen >150 MW (Vorschaltstufe, Topping) vor 2015 nicht zu erwarten 18

19 BSZ- Bauart Stand der Brennstoffzellen Status Wirkungsgrad elektrisch, Solobetrieb Wirkungsgrad elektrisch, Kombi-Betrieb AFC nur für H 2 für Sonderanwendungen PAFC verfügbar kommerziell 65 % (bis 70 % mit reinem O 2 ) verfügbar 40 % kein Entwicklungspotenzial, CO-empfindl. Abwärmenutzung möglich, höhere Brennstoffausnutzungsgrade PEMFC MCFC technisch weit fortgeschritten Kostenreduktion, mob. u. stat. Anwendungen. für dezentrale Anwendung Ab 2005 kommerzielle Angeb. Stand: 30 % Ziel: 40 % (Ziel mit Wasserstoff: 55 %) Stand: 48 % Ziel: 55 % Abwärmenutzung möglich, höhere Brennstoffausnutzungsgrade Abwärmenutzung möglich, höhere Brennstoffausnutzungsgrade SOFC auf Anwendungen mit Abwärmenutzung ausgerichtet, auch für Kleinanlagen Stand: 47 % Ziel: Niedertemperatur Hochtemperatur nur Wasserstoff Erdgas 60 % für 300 kw, 65 % für 10 MW 19

20 BHKW mit SOFC*-Hybridanlagen von Siemens Westinghouse Strom Wandler AC DC AC Wandler DC AC enerator asturbine Entschwefelung Naturgas Wärmenutzung Kaltwasser Warmwasser Luft Abluft Betriebstemperatur: C el. Wirkungsgrad: bis 60 % (nach Herstellerangaben) Elektrolyt: Festoxid-Keramik *) SOFC: Solid Oxide Fuel Cell (Festoxid-Brennstoffzelle) Quelle RWE 20

21 Wasserstoffwirtschaft (allgemein: zentrale Vergasung als Bestandteil des Versorgungssystems) Ad-hoc-Ausschuss 1988 BMFT Solare Wasserstoffwirtschaft ; Neubewertung unter dem esichtspunkt der Optionen: zentrale Wasserstofferzeugung, dezentrale Nutzung und Verstromung ohne CO 2 oder Emissionen aus vielen Quellen Am Ort der zentralen und dezentralen Stromerzeugung keine CO 2 -Emissionen! CO 2 -Entsorgung in Chemie-Anlagen, sofern H 2 aus fossilen Energieträgern erzeugt! Stand - Wasserstoffherstellung inklusive Pipelinetransport großtechnisch eingeführt - Prinzipiell entstehen Verluste bei der Herstellung. Daher ist Wasserstoff nicht billiger als die eingesetzte Primärenergie, selbst dann nicht, wenn keine Fixkosten angerechnet werden. - Heute am billigsten aus Erdgas - Elektrolysewasserstoff am teuersten, insbesond. mit Strom aus PV-Anlagen, Strom aus Wasserkraft (Kanada) unter den regen. Energien am günstigsten 21

22 Zusammenfassung & Bewertung Internationaler Aktivitäten Wege zum Emissionsfreien Kraftwerk Länder mit größter Förderung fossiler Energienutzung sind USA (ansteigend) und Japan (rückläufig) Vision 21 stellt Programm mit stärkster Fokussierung auf emissionsfreie fossile Kraftwerkstechnik dar Förderschwerpunkte und Umfang zukünftiger EU-Programme im Bereich fossiler Energie noch nicht festgelegt, roßbritannien & Norwegen am aktivsten Weltweit unterschiedliche technische Schwerpunkte: Wirkungsgradsteigerung (alle) / neue Hybridkonzepte (USA) Vergasung (USA, Japan) / Verflüssigung von Kohle (Japan) H 2 /O 2 /CO 2 -Abtrennung / Verbrennung in O 2 -reicher Atmosphäre (USA, Norwegen) Quelle Alstom 22

23 Schritte zum emissionsfreien fossilen Kraftwerk Wirkungsgrad Entwicklung und Erprobung neuer Komponenten Turbinen für neue Arbeitsmedien Membrantechnologie, andere O 2 -ewinnung Wäscher rundlagen zur CO 2 - Rückhaltung Laborexperimente Prozesse, Verfahren Bewertung Studie Verbundsystem, H 2, SN, KV F+E zur Effizienzsteigerung Werkstoffe Komponenten Systeme Prozessuntersuchungen marktreife Neuanlage Demonstration ausgewählter Verfahren Schaffung eines positiven politischen Umfeldes marktreife Nachrüstungsanlage? 2010 No-Regret Entwickl. -Schlüsselkomponenten 2020 Emissionen