Verfahren zur Abtrennung vom Kohlenstoffdioxid aus Kraftwerksrauchgasen

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1 RWTH Aachen AVT.CVT Aachen Chemische Verfahrenstechnik Prof. Dr.-Ing. Matthias Wessling Verfahren zur Abtrennung vom Kohlenstoffdioxid aus Kraftwerksrauchgasen Seminararbeit von Stephan Kempkes Aachen, WS 2012/2013

2 Eidesstattliche Erklärung Eidesstattliche Erklärung Hiermit versichere ich, dass die vorliegende Arbeit von mir selbständig angefertigt wurde und dass ich keine Hilfsmittel benutzt habe, die dem Aufgabensteller nicht bekannt sind. Ich erkläre mich damit einverstanden, dass die vorliegende Arbeit in der Lehrstuhlbibliothek und Datenbank aufbewahrt wird und für den internen Gebrauch kopiert werden darf. Ort, Datum Unterschrift II

3 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Problemstellung Randbedingungen der Ströme Abgase des Kohlekraftwerks Bedingungen der -Pipeline Verfahren zur Abtrennung vom Kohlenstoffdioxid aus Kraftwerksrauchgasen Übersicht verschiedener Verfahren Membranverfahren Einstufige Membranverfahren Mehrstufige Membranverfahren Hybride Membranverfahren Hybrider Membranprozess mit Tieftemperaturverfahren Vergleich mit Amin-Absortionsprozess Zusammenfassung 12 III

4 1 Einleitung Dieses Dokument stellt eine Zusammenfassung der 2010 verfassten Dissertation Membrane Gas Separation Process for Post Combustion Capture from Coal Fired Power Plants von Peter Michael Follmann (Chemische Verfahrenstechnik, RWTH Aachen) dar. Die zur Erstellung dieser Ausarbeitung verwendete Literatur beschränkt sich lediglich auf diese Dissertation. Die darüber hinaus dort referenzierte Literatur wird in dieser Ausarbeitung nicht explizit angegeben und kann in der Dissertation nachgelesen werden. 1.1 Problemstellung Der Beginn der industriellen Revolution und die damit verbundene Verbrennung fossiler Brennstoffe zur Energiegewinnung, verursachten einen seitdem stetigen Anstieg der in der Atmosphäre befindlichen Treibhausgase. Es wird vermutet, dass diese Treibhausgase, die zu 80% aus bestehen, besonders zur globalen Erderwärmung beitragen. Während die Atmosphäre im frühen neunzehnten Jahrhundert noch circa 280 ppm enthielt, stieg dieser Wert auf 360 ppm im Jahr Aus diesem Grund soll die Reduktion des Ausstoßes einer weiteren globalen Erderwärmung entgegenwirken. Da die industrielle Revolution in den Entwicklungs- und Schwellenländern längst nicht abgeschlossen ist und die Weltbevölkerung weiterhin wächst, wird ein weiterer Anstieg des weltweiten Energiebedarfs erwartet. Die Reduzierung der -Emissionen durch Maßnahmen, wie dem Umstieg auf erneuerbare Energien oder allgemeinen Energieeinsparungen, verspricht nur begrenztes Einsparpotenzial. Deshalb soll das unvermeidbare abgetrennt und an isolierten Orten (z.b. in Gesteinsformationen) gespeichert werden. Dieses Verfahren nennt sich Carbon Dioxide Capture and Storage (CCS). Da 34% der weltweiten -Emissionen von Kohlekraftwerken verursacht werden, verbirgt sich hier ein enormes Einsparpotenzial. Es ist also erstrebenswert das der emittierten Rauchgase abzutrennen und zu Einlagerungszwecken transportfähig zu machen (s. Abb. 1.1). Diese Arbeit beschäftigt sich mit verschiedenen Möglichkeiten zur Abscheidung des von Kraftwerksrauchgasen. Im ersten Teil der Arbeit werden die Randbedingungen, die zur vergleichbaren Untersuchung erforderlich sind, bestimmt. Der Hauptteil besteht aus der Untersuchung des sogenannten Membranverfahrens und einer vergleichenden Bewertung zu alternativen Verfahren. 1

5 1 Einleitung Abbildung 1.1: Schematische Darstellung des -Speicherprozesses N 2 O 2 H 2 O SO 2 NO x [Mol %] [Mol %] [Mol %] [Mol %] [mg=m 3 ] [mg=m 3 ] Simulation 71:2 13:6 3: /Hond94/ /Zahr07/ 71:6 13:3 3:8 11:3 /Sijb08/ 71:8 13:6 3:4 11:2 n:a: n:a: /Bims04/ Tabelle 1.1: Zusammensetzung der Kraftwerksrauchgase (Upstream) 1.2 Randbedingungen der Ströme Zur Vergleichbarkeit der verschiedenen Methoden ist es erforderlich die Rahmenbedingungen des Prozesses einheitlich zu bestimmen. In diesem Abschnitt werden die für die Simulation erforderlichen Randbedingungen der Ströme erläutert. Die Kraftwerksrauchgase, die als Strom in das zu untersuchende Modell eintreten, werden im Folgenden als Upstream und analog der Strom, der das Modell verlässt und dessen Randbedingungen von der der weiteren Behandlung des -Stroms abhängen, als Downstream bezeichnet. Da sich in der Praxis vor allem der Transport mittels - Pipeline durchgesetzt hat, werden die Bedingungen des Downstream in dieser Arbeit von der Pipeline und dem Speicherort (z.b. Gesteinsformationen) bestimmt Abgase des Kohlekraftwerks Zur Bestimmung der Upstream-Randbedingungen wurde ein Kraftwerks-Modell in Aspen Plus verwendet. Dieses Kraftwerk hat eine thermische Leistung von 1210 MW und einen Wirkungsgrad von 45%. Die erzielten Resultate stimmen gut mit denen in der Literatur zu findenden Daten und den in Deutschland erlaubten Höchstwerten (/Bims04/) überein (s. Tab. 1.1). Hieraus resultiert die Zusammensetzung des Upstream Bedingungen der -Pipeline Die Literatur gibt an, dass der kommerzielle Transport des in einer Pipeline mit unterkritischer Temperatur und überkritischen Druck erfolgt (130 bar, < 30C). Zusammenfassend und bezug- 2

6 1 Einleitung Szenario 1 Szenario 2 Dr uck[bar ] T emperatur [C] < 30 < 30 Gesamt(N 2 ; O 2 ; Ar )[Mol %] < 4 < 4 O 2 [Mol %] < 4 < 0:01 SO 2 [ppm] < 1300 < 100 NO[ppm] < 2800 < 100 H 2 O[ppm] < 20 < 20 [Mol %] > 95:5 > 95:5 Tabelle 1.2: Szenarien der Zusammensetzungen des Stroms zur Einspeisung in die -Pipeline (Downstream) nehmend auf die Literatur ergeben sich die technischen Randbedingungen zum Transport in einer Pipeline nach Szenario 1. Außerdem wird ein zweites, strikteres Szenario ausgewählt, da die Begrenzung von Spurengasen wie SO 2 und NO gesetzlich noch nicht bestimmt worden ist. Daraus ergeben sich die zu erfüllenden Bedingungen an den Downstream nach den beiden Szenarien aus Tab Die Anforderungen an die untersuchten Verfahren ergeben sich aus den Randbedingungen des Upund des Downstream. Die vom Kraftwerk emittierten Rauchgase (Upstream) müssen durch einen geeigneten Prozess so aufbereitet werden, dass diese die an den Downstream gestellten Bedingungen einhalten. 3

7 2 Verfahren zur Abtrennung vom Kohlenstoffdioxid aus Kraftwerksrauchgasen 2.1 Übersicht verschiedener Verfahren Zur Aufbereitung des Kraftwerksrauchgases und zur Abscheidung des existieren in der Praxis diverse Verfahren. Dieser Abschnitt beschreibt kurz die charakteristischen Eigenschaften der Verfahren, die sich in der Gasreinigung bewährt haben. Chemische Absorption Physikalische Absorption Adsorption an Festkörpern Tieftemperaturverfahren Membranverfahren Die chemischen und physikalischen Absorptionsverfahren sind in der Gasreinigung die aktuell gängigen Methoden. Das Amin-Absorptionsverfahren wird im Abschnitt genauer behandelt. Zur Abscheidung durch Adsorption an Festkörpern können Zeolith-Molekularsiebe, Aktivkohle, Aluminiumoxid, Silicagel etc. verwendet werden. Dieses Verfahren wird z.b. zur Gasreinigung in Atemschutzfiltern verwendet. Beim Tieftemperaturverfahren (auch Kryogenverfahren genannt) kann das durch Abkühlung auf ca. 50C bei Drücken von ca. 50 bar aus tieferkondensierbaren Gasmischungen auskondensiert werden. Die im Membranverfahren verwendeten Membranen funktionieren wie ein Filter um eines oder mehrere Gase voneinander zu trennen. Eine genauere Beschreibung folgt im Abschnitt Membranverfahren. Diese Arbeit behandelt hauptsächlich das Membranverfahren und geht im Anschluss kurz auf das Kryogen- und das Amin-Absorptionsverfahren ein. 2.2 Membranverfahren Dieser Abschnitt diskutiert die durch Membranverfahren erzielten Ergebnisse zur -Abtrennung von Kraftwerksrauchgasen. Zunächst folgt eine kurze Einführung des Verfahrens und der charakte- 4

8 2 Verfahren zur Abtrennung vom Kohlenstoffdioxid aus Kraftwerksrauchgasen - Permeanz [m 3 N hbar ] =m2 =N 2 - Selektivität =O 2 - Selektivität =SO 2 - Selektivität PPO PEO SPEEK Tabelle 2.1: Eigenschaften der Membranmaterialien =NO- Selektivität ristischen Kenngrößen. Die Membran funktioniert wie ein Filter, der von bestimmten Gasen bevorzugt durchströmt wird. Die verschiedenen Gase des eintretenden, Feedstrom genannten, Stroms passieren die Membran in unterschiedlichen Mengen und erzeugen auf der anderen Seite der Membran den sogenannten Permeatstrom. Auf der Feedseite bleibt ein Strom zurück, der Retentatstrom genannt wird. Die Triebkraft zum Übergang einer Gaskomponente über die Membran hängt von der Partialdruckdifferenz des entsprechenden Gases im Feed- und Permeatstrom ab. Diese Differenz erzeugt ein Kompressor auf der Feedseite und/oder eine Vakuumpumpe auf der Permeatseite (s. Abb. 2.1). Abbildung 2.1: Aufbau eines einstufigen Membranverfahrens Die Trennungseigenschaften der Membran hängen von der Permeabilität, der Membrandicke und der Selektivität ab. Die Permeabilität P i quantifiziert die Durchlässigkeit der Membran für ein Gas i. Bezogen auf die Membrandicke ergibt sich dadurch die Permeanz Q i = P i =d i. Die Selektivität i;j gibt an mit welchem Faktor zwei verschiedene Gase i und j voneinander getrennt werden, es gilt i;j = P i =P j. Für das vorliegende Problem der -Abscheidung benötigt man ein Material, dass einerseits eine hohe -Permeanz aufweist um somit viel vom Feedstrom abzutrennen (Abscheidung). Andererseits sollte die Membran hohe Selektivitäten des im Bezug auf andere Bestandteile des Feedstroms aufweisen, um eine möglichst hohe -Reinheit im Permeat zu erreichen. Insbesondere die =N 2 - bzw. =O 2 -Selektivitäten sollen deshalb möglichst hoch sein. Da Permeanzen und Selektivitäten vom Membranmaterial abhängen, werden in dieser Arbeit drei verschiedene Materialien untersucht. Diese drei Materialien sind Polyphenoloxidase (PPO), Polyphenyleneoxide (PEO) und sulfoniertes Polyetheretherketon (SPEEK). Während PPO eine hohe -Permeanz aber niedrige /N 2 - bzw. =O 2 -Selektivitäten aufweist, zeigt SPEEK ein genau gegensätzliches Verhalten. Die Permeanz und Selektivität von PEO liegt zwischen diesen beiden Materialien (s. Tab. 2.1). Alle Materialien haben eine hohe H 2 O-Permeanz, so dass diese Komponente die Membran vollständig passiert. Zur Simulation dieses Prozesses wird ein FORTRAN-Modell in Aspen Plus verwendet, welches durch 5

9 2 Verfahren zur Abtrennung vom Kohlenstoffdioxid aus Kraftwerksrauchgasen -Abscheidung mit Kompressor mit Vakuumpumpe PPO PEO SPEEK PPO PEO SPEEK Tabelle 2.2: -Abscheidung vom Feedstrom in Abhängigkeit vom Druckverhältnis und verschiedenen Membranmaterialien -Reinheit mit Kompressor mit Vakuumpumpe PPO PEO SPEEK PPO PEO SPEEK Tabelle 2.3: -Reinheit vom Permeatstrom in Abhängigkeit vom Druckverhältnis und verschiedenen Membranmaterialien experimentelle Daten validiert wurde. Um die -Abscheidung des Membranprozesses zu untersuchen, wird als Parameter das Druckverhältnis = p f eed =p per m verwendet. Der nächste Abschnitt behandelt die Ergebnisse des eingeführten Membranmodells in einstufiger Ausführung Einstufige Membranverfahren Die Tabellen 2.2 und 2.3 zeigen die aus dem Feedstrom abgeschiedenen -Anteile und die - Reinheit des Permeatstroms in Abhängigkeit vom Druckverhältnis. Sie enthalten die Daten für den Fall der Kompression auf der Feedseite und den Fall der Vakuumpumpe auf der Permeatseite. Außerdem sind die drei verschiedenen Membranmaterialien PPO, PEO und SPEEK dargestellt. Die Auswertung der Ergebnisse führt zu folgenden Schlussfolgerungen: Es ist ein Zusammenhang zwischen -Abscheidung und -Reinheit zu erkennen. Hochselektive Membranen (SPEEK) erreichen eine höhere Reinheit auf der Permeatseite während die Abscheidung auf der Feedseite schlechter ist. Bei weniger selektiven, aber dafür hochpermeablen Materialien (PPO) gilt das Gegenteil. Für die beiden Materialien gelten beispielsweise für ein, von einer Vakuumpumpe auf der Permeatseite erzeugten, Druckverhältnis von = 5, -Abscheidungen von 0.47 (PPO) bzw. 0.3 (SPEEK) und -Reinheit von 0.46 (PPO) bzw (SPEEK). 6

10 2 Verfahren zur Abtrennung vom Kohlenstoffdioxid aus Kraftwerksrauchgasen Um eine hohe Reinheit bei gleichzeitig hoher Abscheidung zu erreichen, sind hohe Druckverhältnisse erforderlich. Die geforderte -Reinheit von 95.5% wird nicht erreicht. Sie liegt bei maximal ca. 79%. Weitere Berechnungen bzgl. Energieverbrauch und spezifischen -Fluss, die in der Dissertation nachgelesen werden können, ergeben außerdem: Bei Verwendung einer Vakuumpumpe verbleibt der Druck im Feedstrom bei 1 bar und verursacht damit einen relativ großen Volumenstrom über die Membran. Daraus resultiert der Bedarf einer größeren Membranfläche. Der spezifische Energiebedarf sinkt bei Kompression zunächst mit steigendem Druckverhältnis und strebt dann gegen einen nahezu konstanten Wert. Bei Verwendung einer Vakuumpumpe steigt der Energiebedarf mit steigendem Druckverhältnis. Insgesamt benötigt eine Vakuumpumpe jedoch weniger Energie als eine Kompression. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die geforderte -Reinheit von 95.5% mit einem einstufigen Membranprozess nicht erreicht werden kann. Die Ergebnisse lassen jedoch die Vermutung zu, dass eine Kombination verschiedener Membranmodule und Membranmaterialien bessere Ergebnisse liefern. Dies wird im nächsten Kapitel untersucht Mehrstufige Membranverfahren Da die geforderte -Reinheit durch einen einstufigen Membranprozess nicht erreicht werden kann, werden nun mehrstufige Verfahren untersucht. Das mehrstufige Verfahren hat den Vorteil, dass die für die verschiedenen Materialien charakteristischen Eigenschaften geschickt kombiniert werden können. Z.B. kann ein Material mit hoher Permeanz (PPO) dafür sorgen, dass dem Abgasstrom möglichst viel entnommen wird und ein zweites Material mit hoher Selektivität (SPEEK) die nötige -Reinheit im Downstream gewährleisten. Die Modellierung der je einzelnen Stufen wird analog zum einstufigen Verfahren vorgenommen. Zudem gibt es die Möglichkeit abgeschiedene Ströme an anderer Stelle wieder einzuspeisen. Die dargestellten Ergebnisse beziehen sich auf ein Verfahren mit Rückführung des Retentatstroms der zweiten Stufe (s. Abb. 2.2). Zur Charakterisierung und Bewertung des verwendeten Verfahrens werden folgende Indikatoren verwendet. Die Indizes 1/2 stehen für die 1./2. Membranstufe, Std steht für den Standardprozess ohne CCS: Abscheidung Spez:Energiebedarf = _m P er meat2 _m CO2 F eed1 = Ener gie Gesamt _m CO2 P er meat2 (Abschei dung) (Spezif ischerenergiebedarf ) A Membr angesamt = A 1 + A 2 (Gesamtf l achedermembranen) Kosten CO2 V er meidung = Kosten Str omccs Kosten Str omstd Emission Std Emission CCS ( V ermeidungskosten) Zur Berechnung der Vermeidungskosten wurden bestimmte technische und ökonomische Annahmen getroffen. Es gilt für den Kompressor ein Wirkungsgrad von 0.9, für die Vakuumpumpe 0.75 und der mechanische Wirkungsgrad beträgt

11 2 Verfahren zur Abtrennung vom Kohlenstoffdioxid aus Kraftwerksrauchgasen Abbildung 2.2: Aufbau des mehrstufigen Membranverfahrens mit Retentate-Rückführung Membran PPO-PEO PEO-SPEEK Druck des Feedstroms 1./2.Stufe - Energie Abscheidung[kJ=kg] Fläche [Mio:m 2 ] Kosten [EUR=t] O2 [Mol %] SO 2 [ppm] 2bar/4bar 44% bar/4bar 54% bar/4bar 58% bar/4bar 81% bar/4bar 87% bar/4bar 90% Tabelle 2.4: Ergebnisse des zweistufigen Membranverfahrens Der Prozess wird für die einzelnen Stufen analog zum einstufigen Verfahren mittels eines FORTRAN Modells und Aspen Plus modelliert und liefert für verschiedene Materialkombinationen die in Tab. 2.4 dargestellten Ergebnisse. Jede Kombination erreicht die geforderte -Reinheit von min. 95.5%. Für die Membranmaterialkosten wurden 50 EUR=m 2 angenommen. Die Ergebnisse führen zu folgenden Schlussfolgerungen: Höhere Drücke im Feed wirken sich positiv auf die -Abscheidung und die erforderliche Membranfläche aus. Allerdings erhöht sich dadurch der Energiebedarf und die Abscheidungskosten. Die Kombination aus PPO-PEO erreicht eine Abscheidung von max. 60%, während PEO- SPEEK 90% bei niedrigerem Energiebedarf erreicht. Hochselektive Membranen (SPEEK) erreichen die hohen Abscheidungswerte nur mit großer Membranfläche. 8

12 2 Verfahren zur Abtrennung vom Kohlenstoffdioxid aus Kraftwerksrauchgasen Die strikten Maximalwerte des Szenario 2 von O 2 ; SO 2 und NO im Downstream, können auch durch mehrstufige Membranverfahren nicht eingehalten werden. Zwar ist ein zweistufiges Membranverfahren in der Lage die geforderte -Reinheit zu erreichen, allerdings ist es nicht möglich die Grenzwerte der Spurengase von Szenario 2 einzuhalten. Aus diesem Grund behandelt das nächste Kapitel ein hybrides Membranverfahren, bei dem die zweite Stufe durch einen anderen Prozess ersetzt wird. 2.3 Hybride Membranverfahren Das vorherige Kapitel zur Untersuchung von Membranverfahren führt zu dem Ergebnis, dass diese Verfahren nur unter bestimmten Umständen (Szenario 1) geeignet sind. Werden jedoch striktere Vorgaben (Szenario 2) im Bezug auf O 2 ; NO und SO 2 -Konzentrationen gestellt, so ist eine weitere Behandlung des Downstreams erforderlich. Zur Ergänzung des Membranverfahrens kommen Absorptions-, Adsorptions- sowie kryogene Separationsverfahren in Frage. Untersuchungen zeigten, dass das chemische Absorptionsverfahren mittels MEA ein schlechteres Ergebnis liefert als ein alleiniges MEA-Verfahren zur -Abscheidung. Ebenso benötigen physikalische Absorptionsverfahren mehr Energie als ein MEA-Verfahren. Physikalische Adsorptionsverfahren benötigen entweder ebenfalls mehr Energie als ein alleiniges MEA-Verfahren oder benötigen einen technisch zu komplexen Aufbau. Als einziges Verfahren, das eine weitere Untersuchung rechtfertigt, verbleibt das kryogene Separationsverfahren. Es scheidet das in flüssiger Form ab und kann das flüssige somit effektiv mittels einer Pumpe auf den erforderlichen Druck in der Pipeline bringen, sodass eine energieaufwändige Kompression entfällt. Dieses Verfahren wird im nächsten Abschnitt untersucht Hybrider Membranprozess mit Tieftemperaturverfahren Wie in Kap.2.2 bereits erwähnt eignen sich Membranverfahren besonders zur Abscheidung des vom Rauchgas, während konventionelle Verfahren, wie das kryogene Separationsverfahren besonders zur -Anreicherung des abgetrennten Stromes geeignet sind. Beim kryogenen Separationsverfahren, auch Tieftemperaturverfahren genannt, wird das durch Abkühlung auf ca. 50C bei Drücken von ca. 50 bar aus der Gasmischung auskondensiert. Es resultiert eine -reiche Flüssigkeit und ein -armes Gas (s. Abb. 2.3). Die Einhaltung der Grenzwerte für O 2 ; NO und SO 2 stellt ein sogenannter Abscheider sicher, auf dessen Funktion hier nicht weiter eingegangen wird. Das in Aspen Plus simulierte FORTRAN-Modell des Prozesses liefert die in Tab aufgeführten Ergebnisse. Da das Verfahren die geforderte -Reinheit erreicht, gelten die Berechnungen für eine -Reinheit von >95.5%. Aus den erzielten Ergebnissen lassen sich folgende Schlussfolgerungen ziehen: Die geforderte -Reinheit von 95.5% wird problemlos erreicht. Der Einfluss des Druckes auf die -Reinheit sinkt bei höheren Kompressionen. 9

13 2 Verfahren zur Abtrennung vom Kohlenstoffdioxid aus Kraftwerksrauchgasen Abbildung 2.3: Prozessbild des hybriden Membranverfahrens mit Tieftemperaturverfahren Druck des Abgeschiedener -Feedanteil Feedstroms (1240) 0.72 (1065) 0.48 (1070) (1325) 0.82 (1160) 0.64 (1115) (1400) 0.88 (1220) 0.74 (1165) (1475) 0.90 (1290) 0.80 (1225) (1555) 0.92 (1350) 0.83 (1270) (1615) 0.94 (1405) 0.86 (1310) Tabelle 2.5: -Abscheidung und der zugehörige spez. Energiebedarf in Abhängigkeit vom Druck des Feedstroms und dem vom Feed abgeschiedenen -Anteil bezogen auf die Masse des vom Feedstrom abgeschiedenen in kj=kg Die spezifischen Energiekosten betragen hierfür zwischen 1000 und 1600 kj=kg. Dieses Verfahren ist in der Lage die geforderten Bedingungen (Szenario 1 und 2) an den Downstream einzuhalten. Es stellt sich die Frage nach der Effizienz dieses Prozesses, dessen spez. Energiebedarf zwischen 1000 und 1600 kj=kg liegt Vergleich mit Amin-Absortionsprozess In der Industrie hat sich insbesondere die Verwendung des Amin-Absorptionsprozesses zur Gasreinigung durchgesetzt und kann auf das vorliegende Kraftwerksproblem übertragen werden. Bei diesem Verfahren wird das Rauchgas durch eine chemische Lösung (z.b. Monoethanolamin (MEA)) geleitet. Das wird von dieser Lösung gebunden und so aus dem Rauchgas entfernt. Das in der -reichen Aminlösung gebundene wird im Regenerator durch Erhitzen aus der Lösung entfernt und die regenerierte -arme Aminlösung wieder in den Absorber eingespeist. Aus dem Regenerator entweicht das -reiche und aus dem Absorber das -arme Gas (s. Abb. 2.4). 10

14 2 Verfahren zur Abtrennung vom Kohlenstoffdioxid aus Kraftwerksrauchgasen Abbildung 2.4: Schematische Darstellung des Amin-Absorpitonsprozesses Dieses Verfahren ist ebenso in der Lage die an den Downstream gestellten Forderungen einzuhalten. Ohne eine Auswertung der Ergebnisse vorzunehmen, sei an dieser Stelle auf die detaillierten Ausführungen in der Dissertation verwiesen. Als grundlegendes Ergebnis sei der spez. Energiebedarf erwähnt, der im Bereich von ca kj=kg liegt und dabei eine -Abscheidung von bis zu 90% erreicht. Der spez. Energebiedarf ist nahezu konstant und hängt nur marginal vom Druck des Feedstroms oder der -Abscheidung ab. Ein Vergleich zwischen dem untersuchten hybriden Membranverfahren und dem Amin-Absorptionsverfahren führt zu dem Schluss, dass das hybride Membranverfahren bei einer geforderten -Reinheit von bis zu 75% effektiver arbeitet. Bei einer höheren geforderten -Reinheit ist das Amin-Absorptionsverfahren, trotz des technisch aufwändigeren Prozessaufbaus, zu bevorzugen. 11

15 3 Zusammenfassung Die Dissertation Membrane Gas Separation Process for Post Combustion CO 2 Capture from Coal Fired Power Plants von Peter Michael Follmann untersucht den Einsatz von Membranverfahren zur -Abscheidung von Kraftwerksrauchgasen. Zunächst legte der Autor die Randbedingungen des Up- und des Downstream fest, die einerseits vom Kraftwerk und andererseits von den Transportbedingungen in einer -Pipeline abhängen. Für den Downstream wurden zwei Szenarien festgelegt, wobei das zweite Szenario striktere Bedingungen an die Spurengase (SO 2 ; NO; O 2 ) stellt. Auf Basis der einzuhaltenden Bedingungen des Downstream wurden passende Membranmaterialien (PPO, PEO, SPEEK) ausgewählt. Die Untersuchungen beschränkten sich zunächst auf den Einsatz eines einstufigen Membranprozesses. Die Auswertung ergab, dass sich die -Abscheidung mit steigendem Druck des Feedstroms erhöht. Der Prozess erreicht eine höhere -Reinheit, aber eine niedrigere -Abscheidung bei hochselektiven Membranen. Die Verwendung einer Vakuumpumpe verursacht einen großen Membranflächenbedarf, aber gleichzeitig einen niedrigeren spezifischen Energiebedarf. Die maximal zu erreichende -Reinheit liegt bei ca. 79% und damit deutlich unter der geforderten Reinheit von 95.5%. Damit ist der einstufige Prozess für das vorliegende Problem ungeeignet. Um die Vorteile der verschiedenen Membranmaterialien individuell zu nutzen, bietet sich die Verwendung eines zweistufigen Membranprozesses an. Die Untersuchung dieses Prozesses ergab, dass die -Reinheit von 95.5% erreicht wird. Zusätzlich zeigten sich Vorteile bzgl. der -Abscheidung, die bei bis zu 90% liegen kann. Bezogen auf die -Vermeidungskosten ist eine Reinheit von 80% - 90% erstrebenswert. Diese Werte werden jedoch nur von hochselektiven Membranen mit hoher Membranfläche erreicht. Das zweistufige Verfahren ist zudem nicht in der Lage die im Szenario 2 an die Spurengase geforderten Grenzwerte einzuhalten. Dieser Abschnitt zeigt, dass eine Verwendung von Membranverfahren zur -Abtrennung aus Kraftwerksrauchgasen unter bestimmten Voraussetzung (siehe Szenario 1) zwar möglich sind, bei strikteren Bedingungen jedoch versagen. Die Membranverfahren zeigen gute Ergebnisse im Bezug auf -Abscheidung und -Reinheit. Um gleichzeitig weitere Grenzwerte, wie die der Spurengase SO 2 ; NO und O 2, einzuhalten, bedarf es einer weiteren Gasbehandlung. Der einstufige Membranprozess wird dazu mit einem kryogenen Separationsverfahren ergänzt. Die Membranstufe erreicht in diesem Prozess eine Abscheidung von bis zu 50% des. Das Separationsverfahren gewährleistet die Einhaltung aller Grenzwerte. Insgesamt können mit diesem Verfahren beide Szenarien eingehalten werden und es ergeben sich spezifische Energiekosten von kj=kg. Schließlich wird das hybride Membranverfahren mit dem Amin-Absorptionsprozess verglichen. Dieses hat sich in der Gasreinigung bewährt und liefert ebenfalls für das vorliegende Problem gute 12

16 3 Zusammenfassung Ergebnisse. Es hält alle geforderten Randbedingungen ein und erreicht eine -Abscheidung von bis zu 90% bei spezifischen Energiekosten von ca kj=kg. Bezogen auf die Energiekosten eignet sich das Amin-Absorptionsverfahren ab einer geforderderten -Reinheit von 75%. Darunter arbeitet das hybride Membranverfahren effektiver. Zusammenfassend bleibt festzuhalten, dass für das vorliegende Problem das einstufige Membranverfahren ungeeignet ist. Weiterhin eignet sich das zweistufige Membranverfahren nur unter bestimmten Bedingungen (Szenario 1). Die beiden letzten Verfahren sind geeignet, wobei die Effizienz von der geforderten -Abscheidung abhängt. 13