Institut für Energietechnik, Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung. Energietechnik

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1 Institut für Energietechnik, Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Energietechnik Kraftwerke mit CO 2 -Abscheidung nach: [Hiller, A.; Hellfritsch, St.: Kraftwerke der Zukunft für die Sicherung unserer energetischen Basis - Technologien für fossilbefeuerte Kraftwerke mit CO2-Abscheidung]

2 Begriffsbestimmungen: Ein CO 2 -freies Kohlekraftwerk gibt es nicht! Deshalb sprechen wir an unserer Professur schon immer von einem Kraftwerk mit CO 2 -Abscheidung (die Erzeuger nach einem Gerichtsurteil jetzt auch!) CCS-Technologie: Carbon Capture Storage Capture-Ready: Bau von Anlagen, welche nachgerüstet werden können MEA Mono Ethanol Amin IGCC Integrated Gasification Combined Cycle Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 2 von27

3 Stromerzeugung: aktuelle Situation weiter steigender Strombedarf (EU-15: MW bis 2020) dominante Position fossiler Energieträger, Gesamtanteil Kohle ca. 50% (Dtl.) Erneuerbare Energien: nur beschränktes Wachstum, zukünftiges Potenzial nicht ausreichend Ausstieg aus Kernenergie (Dtl.): größere Versorgungslücke ab akuter Ersatzbedarf durch überalterten Kraftwerkspark. Verstärkte Nutzung fossiler Brennstoffe bereits entschieden: (aktuelle Neubauprojekte) bzw. weiter absehbar Ausbau des Kohleanteils aufgrund unsicherer Preisentwicklung bei Erdgas Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 3 von27

4 Konfliktpotenzial: - Ersatzbedarf - steigender Energiebedarf global (Strom und Wärme) -CO 2 -Problematik - Versorgungssicherheit Lösungsansätze: - Energieeinsparung - Einsatz regenerativer Energien (in naher Zukunft kein ausreichender Anteil!) - Wirkungsgraderhöhung mit neuen Techniken Neubau und Substituierung veralteter KW Es kann nur soviel Strom produziert werden wie verbraucht wird! Reaktion der Konzerne mit Neubauplänen auf Verbrauchsverhalten! Brückenlösung: Kraftwerke mit CO 2 -Abtrennung Speicherung von CO 2 Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 4 von27

5 CO 2 -Freisetzung Blau: Wärme (Brennstoff) Rot: Strom (unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades) 1,2 1 kg CO2/kWh kg CO2/kWh el 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Braunkohle Steinkohle Heizöl schwer Heizöl leicht Flüssiggas Erdgas Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 5 von27

6 Emissionsbegrenzung Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 6 von27

7 Wirkungsgradsteigerung in der Kraftwerkstechnik Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 7 von27

8 CO2-Vermeidungspotenzial durch Wirkungsgradsteigerung Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 8 von27

9 Erneuerbare Energien sind wichtig, können aber in der heutigen Form andere Primärenergieträger nicht vollständig ersetzen. Erhöhung der Wirkungsgrade ermöglicht ein Abfangen des steigenden Strombedarfs. Benötigt werden nachhaltige Techniken zur Stromerzeugung: - ohne Ausbeutung endlicher Ressourcen, - ohne Erzeugung von Altlasten, - ohne Ausstoß potenziell schädlicher Emissionen, - mit hoher Versorgungssicherheit. Kein heutiges Energieerzeugungssystem erfüllt alle Kriterien. Politische Entscheidungen beeinflussen die Entwicklung, Ausstiegsbeschluss: Keine Kernenergienutzung mehr ab 2030 Hohe Reduktionsziele für Treibhausgase, z.b. -40% bis 2020, Forcierung erneuerbarer Energien (Ziel: Anteil von 50% bis 2050) Nur übergangsweise: Nutzung von Techniken der CO 2 -Abscheidung Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 9 von27

10 COORETEC-Forschungskonzept Energietechnik Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 10 von27

11 Quelle: Alstom Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 11 von27

12 Wohin mit dem CO 2? Die Existenz sicherer Speichermöglichkeiten ist die Voraussetzung für eine großtechnische Nutzung der CO 2 -Abscheidung! Möglichkeiten der Speicherung: Speicherung in salinen Aquiferen (poröse Gesteinsschichten, fixieren CO 2 physikalisch und chemisch) Enhanced Oil Recovery (EOR) (Öl-Fördermengenerhöhung mit CO 2 als Verdrängermedium), Enhanced Coal Bed Methane Recovery (ECBM)(Produktion von Methan aus tiefen, nicht abbaubaren Kohleflözen) Enhanced Gas Recovery (EGR) (ähnlich EOR, weniger verbreitet) Speicherung in Ozeanen (äußerst umstritten, u.a. als CO 2 -Seen auf dem Meeresgrund) Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 12 von27

13 ECBM EOR Was ist realisierbar? Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 13 von27

14 Projekt in Ketzin als Basis für weitere Aktivitäten in Deutschland Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 14 von27

15 Techniken zur CO 2 -Abscheidung Post-combustion capture Luft CO 2 Abscheidung (MEA) Strom & Wärme N 2, O 2, H 2 O CO 2 Pre-combustion capture IGCC-Prozess Vergasung shift + CO 2 Sep. H 2 Luft CO 2 Strom & Wärme CO 2 - Verdichtung, Transport und Speicherung Luft O 2 N 2 Luftzerlegung N 2, O 2, H 2 O Oxyfuel-Prozess Strom & Wärme CO 2 Kohle O 2 Luft Luftzerlegung H 2 O Quelle: Vattenfall / TUD N 2 Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 15 von27

16 Post-Combustion Capture REA MEA KT Abtrennung des CO 2 aus dem Rauchgas Eignung für Retrofit (Nachrüstung bestehender Anlagen) Am häufigsten verwendetes Absorptionsmittel: MEA (Monoethanol- Amin) Degradation des Absorptionsmittels durch weitere RG- Bestandteile (z.b. SO 2 ) Quelle: Vattenfall Hauptnachteil: hoher Energiebedarf (Wärme zur Regeneration des chemischen Waschmittels) Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 16 von27

17 Funktionsprinzip einer MEA-Wäsche MEA Storage Condenser Absorber Heat Exchanger Desorber (Stripper) Reflux Rich MEA MEA-Wäsche (mit H 2 0) Reboiler Quelle: A. Rojey Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 17 von27

18 CO 2 TBK Vergaser O 2 CO-Shift + CO 2 -Wäsche AHDE IGCC-Prozess mit CO 2 -Abscheidung LZA N 2 BK GT G DT G Integrated Gasification Combined Cycle Stromerzeugung aus H 2 -reichem, CO 2 -bereinigtem Vergasungsprodukt (Syngas) Shift-Reaktion: CO + H 2 O CO 2 + H 2 (exotherm, -41 kj/mol CO) CO 2 -Abscheidung aus Syngas optional Erzeugung chemischer Produkte anstelle Stromproduktion möglich (z.b. H 2, Methanol) Nachteile: Hohe Investitionskosten, komplexe Anlagentechnik Im Kraftwerksumfeld weitgehend unbekannt Quelle: Vattenfall Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 18 von27

19 Oxyfuel-Prozess Quelle: Vattenfall Anlagentechnik im Wesentlichen wie bei konventionellen Kohlekraftwerken Dampferzeuger mit Sauerstoffverbrennung und RG-Rezirkulation Geringere Rauchgasmengen/Volumenströme: Kosteneinsparungen bei Dampferzeuger u.a. Komponenten Prozessbedingt hohe CO -Abscheidegrade und -reinheiten 2 Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 19 von27

20 2,0 Charakteristische Merkmale von Oxyfuel 1,8 1,6 1,4 Mitteldeutsche Braunkohle Luftüberschusszahl 1,15 Rauchgase Bis zu 75% Rauchgasrezirkulation kg / kwh Feuerungsleistung 1,2 1,0 0,8 sonstige (O2, Ar) N2 H2O CO2 Rauchgaszug mit Heizflächen Feuerraum 0,6 Sauerstoff Kohle 0,4 0,2 Quelle: S. Hellfritsch 0,0 Konv. Feuerung, RBK Oxyfuel, RBK Oxyfuel, TBK Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 20 von27

21 Hellfritsch 2006 bestmögliche Integration neu hinzukommender Anlagenteile Nutzung ohnehin benötigter Verdichter als Wärmepumpen hoher el. Eigenbedarf durch Luftzerlegung und CO 2 -Verdichter Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 21 von27

22 Vattenfalls Oxyfuel-Pilotanlage (30 MW th ) Errichtung am Kraftwerksstandort Schwarze Pumpe IBN. geplant für Mitte 2008 Kraftwerk Schwarze Pumpe Dampfschiene zur Brikettfabrik Pilotanlage Papierfabrik Brikettfabrik Verladung Trockenbraunkohle Quelle: Vattenfall Luftzerlegungsanlage (Linde) Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 22 von27

23 Technische Daten der Oxyfuel-Pilotanlage Auslegung Medien Zeitraum Kosten Leistung (thermisch) Dampfmenge Dampfparameter Flächenbedarf Kohle Sauerstoff Kühlwasser Errichtung Testzeit Betriebsstunden/a Investitionskosten 30 MW 40 t/h 25 bar / 350 C m² 5,8 t/h 10 t/h 665 m³/h ca. 22 Monate 3-4 Jahre ca. 40 Mio. Quelle: Vattenfall Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 23 von27

24 Quelle: Vattenfall Energietechnik Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 24 von27

25 Entwicklungsschwerpunkte Oxyfuel Grundlagenforschung zur Verbrennung von Kohle (z.b. COORETEC-Projekt ADECOS) Optimierung des Gesamtprozesses (Integration und wärmetechnische Verschaltung) Neue Verfahren der O 2 -Erzeugung, z.b. mittels Membran (OXYCOAL-AC) Neue Dampferzeugerkonzepte z.b. gestufte Verbrennung Nachweis der technischen Realisierbarkeit - Pilotanlage Schwarze Pumpe 30 MW th - Retrofit Callide A (AUS, 30 MW th ) Demonstrationsanlagen - Vattenfall: 300 MW el ab 2015 Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 25 von27

26 Kosten der CO 2 -Abscheidung Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 26 von27

27 Forschungsarbeiten an der TU Dresden zum Oxyfuel-Prozess für Braunkohle Entwicklung und Optimierung des Anlagenkonzepts für Oxyfuel-Kohlekraftwerke mit CO 2 -Abscheidung Untersuchung der Einzelkomponenten und des Gesamtsystems durch Simulation und experimentell Technologiebewertung (mittelfristiger Realisierungszeitpunkt) Dr.-Ing. Marco Klemm Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Folie 27 von27