Möglichkeiten und Herausforderungen bei der CO2- armen Nutzung fester Brennstoffe

Transkript

1 Möglichkeiten und Herausforderungen bei der CO2- armen Nutzung fester Brennstoffe Hartmut Spliethoff, Lehrstuhl für Energiesysteme TUM DVV Fachausschuss Grundlagen und Anwendung 9. November 2006, Stuttgart

2 Inhalt - Vorstellung des Lehrstuhls Energiesysteme - Entwicklungen - Verbrennung mit Sauerstoff (Kohle) - Vergasung (Kohle, Biomasse) - Biomassenutzung (Verbrennung)

3 Technische Universität München Technische Universität München Studenten Fakultät Maschinenwesen: 4000 Studenten Lehrstuhl für Energiesysteme Wissenschaftler: 3 Doktoranden: 15 Techniker/ Verwaltung: 7 Forschung und Lehre Moderne Kraftwerkstechnik Umwandlung fester Brennstoffe

4 Facilities Organic Rankine Cycle Waste heat steam generator (once through) with vertical pipes Pressurized Fluidized Bed (FRED) 50 kw-circulating Fluidized Bed Reactor 20 kw Electrically heated Flow Reactor (1600 C) 300 kw Gas Combustion Facility Heat Pipe reformer (PFBG) laboratory facilities

5 1. Entwicklungen Primärenergieträger - Zeitalter Ende der fossilen Energieträger?

6 1. Entwicklungen Primärenergieträger in der Welt

7 Primary energy (Gtoe) Entwicklungen Primärenergieträger in der Stromerzeugung Renewables 10 % 19 % 20 % 43 % 2000 Nuclear Oil Gas Coal 12 % 13 % 29 % 40 % 2020 Quelle: World Energy Outlook 2002 Neubaubedarf bis 2020 D: 40 GW EU: 200 GW Welt: 2000 GW Schwellenländer: Zusatzbedarf Europa: Ersatzbedarf Konkurrenz: Kohle Gas

8 1. Entwicklungen Konzepte zur CO 2 -Abscheidung

9 2. Verbrennung mit Sauerstoff Oxyfuel Prozess N 2 CO 2 /H 2 O- Recycle Luft Kohle O 2 Feuerung/ Kessel Entstaubung CO 2, H 2 O Luftzerlegung Kondensator CO 2 (SO x, NO x ) Dampfturbine G H 2 O Wirkungsgradeinbuße: 8-10 % Punkte (kryogene Luftzerlegung) 2-6 % Punkte (Membrantrenntechnik) Investionskosten: %

10 2 Verbrennung mit Sauerstoff Kraftwerk mit Sauerstoffverbrennung

11 2 Verbrennung mit Sauerstoff Forschungsbedarf und laufende ES-Aktivitäten 1. Fragestellungen 1. Feuerraum: Kühlung, Verbrennung, Wärmeübertragung, Aschereaktionen, Luftüberschuss 2. Auswirkungen auf Rauchgasreinigung 3. Wasserdampfkondensation/ Trocknung 4. Anforderung an die Gasqualität 2. ES-Aktivitäten 1. Projekt Friendly Coal 2. Marie-Curie-Fellowship 3. Wasserdampfkondensation/ Trocknung

12 2 Verbrennung mit Sauerstoff Kraftwerk mit Sauerstoffverbrennung 6000 adiabate Verbrennungstemperatur [ C] ,5 1 Machbarer Temperaturbereich für adiabate Verbrennungstemperatur 50% Rezirkulation 80% Rezirkulation Stöchiometrie (entspricht Luftzahl) 10% Rezirkulation

13 2 Verbrennung mit Sauerstoff Controlled oxygen staging λ = 1,15 λ = 4 λ = 4 λ = 4 λ = 4 λ = 4 λ = 0,3 λ = 1,05 λ = 0,9 λ = 0,7 λ = 0,5 λ = 0,3 T F, λ=0,3 T F, λ=1 1 λ 1500 C Temperatur

14 2 Verbrennung mit Sauerstoff Wärmeübertragung Brennkammerendtemperatur 0% Rezirkulation 30% Rezirkulation 50% Rezirkulation Luftfeuerung / 67% Rezi 78% Rezirkulation Theoretische Rauchgastemperatur [ C] 0 0% Rauchgasrezirkulation 78% 67% / Luft 50% 30% 0% 20% 40% 60% 80% übertragene Wärme Brennkammer Konvektive Heizflächen 100% Abgasverlust

15 2 Verbrennung mit Sauerstoff Kraftwerk mit Sauerstoffverbrennung Gleiche Volumenströme wie bei Luftfeuerung Tragstrom zur Kohleförderung 78% Rezirkulation Invers gestuftes Konzept Rezirkulation für Temperaturkontrolle Tragstrom zur Kohleförderung 50% Rezirkulation Brennkammer Sauerstoff und Brennstoff Abgas Sauerstoff und Brennstoff Brennkammer Abgas

16 2 Verbrennung mit Sauerstoff EU Project Friendly Coal Rauchgas EU project with Siemens, ENEL, TU Graz, TU Denmark Meßöffnung Focus: Oxy-coal combustion 8 F Ø0,7 m T Comparison of different cooling concepts F F Zuluft Luftmenge je Abschnitt m³/h % Brenner T T Abluft h = 4,0 m Brennerleistung: kw Luftzahl: 1,0...2,0 ENEL: flue gas recirculation at 3 MW facility TUM: Controlled staging concept with 50% flue gas recirculation

17 2 Verbrennung mit Sauerstoff Kondensations des Wasserdampfes Oxyfuel-Prozess Aufkonzentration von Kohlendioxid und Wasserdampf Kondensation von Wasserdampf erlaubt einfache Abtrennung des CO 2 Brennstoff H 2 O/CO 2 -Gemisch O 2 G CO 2 N 2 Luft H 2 O Trennung von CO 2 und Wasserdampf

18 2 Verbrennung mit Sauerstoff Einfluss von Inertgasen auf die Kondensation M & = G M D p=p D,G =p G,0 m& D Probleme: & T G = T 0 q& T W M & = M& + M& G p Wärmeübergang sinkt drastisch Optimale Betriebsparameter des Kondensators (p, T, v, x H2O )? Design? Spontane Kondensation in der Grenzschicht? Löslichkeit von CO 2 in Kondensat D p D,G T G m& D CO 2 p D,0 T 0 q& T W Wärmeübergang Gas-Rohrwand [W/m²K] Wasserdampf/Luft p = 1,96 bar Messungen im Vertikalrohr d = 34 mm bei Abwärtsströmung 25 m/s 0 0,25 0,5 0,75 1 Dampfanteil 5 m/s Quelle: Messungen, Renker, 1955

19 2 Verbrennung mit Sauerstoff Laserspektroskopische Messungen Gesucht: α Gas Rohrwand = f ( p, T, v) bei Kondensation von Wasserdampf in Anwesenheit von CO 2, 0,2-1 bar, bis 95 % CO 2 und erzwungene Konvektion Direktkondensation an einem fallenden Kühlwasserstrahl Strahl Rauchgas CCD-Kamera Ort Dampf CO 2 Laserstrahl H 2 O Dampf H 2 O fl Kühlwasserstrahl (d=10 mm) Laserstrahl Wellenlänge CO 2

20 3. Vergasung Zweistufige allotherme Vergaserkonzepte: Güssing - TUM C. Pfeifer et al, Ind. Eng. Chem. Res. 2004, 43,

21 3. Vergasung Synthesegasnutzung Kind/ Criteria Biofuel production Overall thermal efficiency a Market Technical Chances today Efforts for market effort b penentration FT-Diesel MeOH SNG H 2

22 Vergleich WS + Flugstrom zur Synthesegasund Wasserstofferzeugung Biomass autothermal allothermal FB 800 C 10% CH 4 Particle Removal 600 C Reforming: Catalytic, autothermal POX C CO- Shift H 2 S + CO 2 removal (O 2 ) Steam CO+H 2 O CO 2 +H 2 Rectisol Synthesis Gas Hydrogen Biomass EF 1600 C Quench Particle CO Shift H CO 2 removal O 2 Steam

23 3. Vergasung Synthesegas aus Biomasse EU Integrated Project Chrisgas: Nutzung der Värnamo-Anlage zur Synthesegaserzeugung aus Biomasse Värnamo BIGCC (Biomass Int. Gasfication Combined Cycle) Zirkulierende DWS mit Heißgasreinigung (350 C) η = 32% (heute 40% ) Betrieb bis 2000 Untersuchung von: - Dosierung - Sauerstoff/Dampfvergasung in der Wirbelschicht - Wechselwirkungen zwischen Vergasung, Gasreinigung, katalytische Dampfreformierung und Shiftreaktor

24 IGCC ist die attraktivste Lösung für das CO2-freie Kraftwerk

25 Kohle 3. Vergasung IGCC mit CO2-Abscheidung Luft Rauchgas (H 2 O, N 2 ) Vergasung CO, H 2 O Shiftkonvert. Gasreinigung CO 2 -Abtrennung CO 2, H 2 H 2 -Gasturbine Dampfturbine Abhitzekessel Luft O 2 Luftzerlegung N 2 CO 2 G Q. G Wirkungsgradeinbuße: 8 % Punkte Spezifische Investkosten: % gegenüber IGCC ohne CO 2 -Abtrennung FuE-Bedarf: H 2 -GuD-Prozess; Demo Gesamtprozess (Quelle: BMWi-Workshop CO 2 -Abtrennung/Nutzung/Deponie, 03./04. Juli 2002)

26 3. Vergasung Forschungsbedarf bei der Vergasung Biomasse Einfache Konzepte zur Polygeneration: Methanisierung Kohle (Flugstromvergasung) Grundlagen und Modellierung Reaktionen bei höchsten Temperaturen und Drücken Ascheraktionen unter reduzierenden Bedingungen Gesamtkonzept Neue Konzepte

27 Biomasse

28 4. Biomassenutzung Erneuerbare Energien Deutschland 2004 Windenergie Wasserkraft Biomasse Photovoltaik 500 Strom (gesamt GWh) (Anteil an der Stromversorgung ca. 9,3 %) Biomasse Solarthermie Geothermie Wärme (gesamt GWh) (Anteil an der Brennstoffversorgung ca. 4,2 Biodiesel Bioethanol Kraftstoffe (gesamt GWh) (Anteil an der Kraftstoffversorgung ca. 1,6 %) Endenergie [GWh]

29 4. Biomasse Wärmeerzeugung: Automatische Feuerung mit Rostfeuerung kw Pellets, Hackschnitzel luftgekühlter, bewegtem Stufenrost direkter Brennstoffeintrag

30 4. Biomasse Verbrennung und Feinstaubemissionen - Untersuchung der Feinstaubemissionen mittels Experimenten und CFD- Modellierung - Erweiterung der Feinstaubmesstechnik Vorhaben am ZAE: - Optimierung des Verbrennungsund Emissionsverhaltens - CFD-Analyse zur Unterstützung des Designs Häufigkeitsdichteverteilung Anzahl 1,0E+09 1,0E+08 1,0E+07 1,0E+06 1,0E+05 1,0E+04 1,0E+03 1,0E+02 Diesel Kfz - Heizöl-brenner - ö 35 kw Stückholz ü 17 kw Pellet, 50 kw Hackgut, 1,0E+01 0,001 0,01 0, Partikelgröße µm

31 Thermische Biomassekonversionsverfahren zur Stromerzeugung (80MW Holz) Biomasse WS DE DT Biomasse Vergaser Gasreinigung GuD Wirbelschicht-Dampferzeuger (80 MW th Cuijk/ NL) GuD-Prozess mit Biomassevergasung (Värnamo/ SE) Kohle Biomasse SF DE Direkte Mitverbrennung (Amer 8/ NL) DT Biomasse Kohle Vergaser SF DE Indirekte Mitverbrennung (Amer 9/ NL) DT

32 Evaluating and Comparing Current Biomass to Electrical Conversion Techniques in NL Conversion Technology Units FBC IGCC D. comb. Ind. comb Efficiency % Total Capital Required mil Electricity Prod. Cost* /MWh * Compare with electricity sale price of 40 /MWh

33 Problempunkte - Staub- und Feinstaubemissionen bei Kleinanlagen - Kostengünstige Anlagen mit KWK - Verbrennung: Verschlackung, Verschmutzung, Korrosion, Feinstaub - Kraftstofferzeugung - Dezentrale Nutzung: Einfaches Verfahren - Komplexe Verfahren erfordern große Anlagen

34 Zusammenfassung - Lehrstuhl für Energiesysteme ist aktiv auf dem Gebiet der Verbrennung (Brennstoffumwandlung)