Beitrag zur Verringerung der globalen Erwärmung

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1 Abscheidung und Speicherung von Kohlendioxid Beitrag zur Verringerung der globalen Erwärmung SABINE SULZER SULZER PUMPS MARKUS DUSS SULZER CHEMTECH Bei der Verbrennung fossiler Energieträger wird Kohlendioxid (CO ) in die Atmosphäre ausgestossen. Die resultierende Erhöhung des CO -Gehalts in der Atmosphäre ist eine der Ursachen für den globalen Klimawandel und die Versauerung der Meere. Die Abscheidung und Speicherung von Kohlendioxid (Carbon Capture and Storage, CCS) ist ein Ansatz zur Reduzierung der globalen Erwärmung. Dabei wird CO an seinem Entstehungsort abgeschieden und in Lagerstätten gespeichert (Bild ). Sulzer Pumps und Sulzer Chemtech sind führende Hersteller von Pumpen und Ausrüstungen für den Stoffaustausch, die in sämtlichen Phasen des CCS- Prozesses eingesetzt werden können, um die CO -Emissionen effizient zu reduzieren und die negativen Folgen dieser Gase für die Umwelt einzuschränken. 4 SULZER TECHNICAL REVIEW 3/008 44

2 Der weltweite CO -Ausstoss auf Grund der Verbrennung fossiler Energieträger belief sich 005 auf rund 7 Gt CO /Jahr. Die öffentliche Strom- und Wärmeproduktion ist der mit Abstand grösste Verursacher von CO -Emissionen in dieser Kategorie (Bild ). Nahezu 0% des Ausstosses wurden durch grosse, stationäre Emissionsquellen (>0. Mt CO /Jahr) verursacht, wobei 30% davon auf Kraftwerke zurückzuführen sind, die mit fossilen Brennstoffen wie Erdgas oder Kohle betrieben werden. Weltweit gibt es mehr als 000 Kraftwerke, von denen jedes mehr als Mt CO /Jahr ausstösst. Deshalb sind sie das bedeutendste potenzielle Ziel der CO -Abscheidung. Abscheidung von Kohlendioxid CO ist bei Umgebungsbedingungen ein flüchtiges Gas. Um es von Inertgasen (hauptsächlich Stickstoff) abzuscheiden, sind beträchtliche Investitionen und ein hoher zusätzlicher Energieaufwand erforderlich. Herkömmliche fossile Kraftwerke verbrennen Erdgas oder Kohle bei nahezu atmosphärischem Druck. Dies bedeutet, dass CO unter schwierigen Bedingungen abgeschieden werden muss, bevor die gereinigten Inertgase in die Atmosphäre entlassen werden können. Das Ziel besteht darin, einen unter hohem Druck stehenden, konzentrierten, einfach transportierbaren CO -Strom zu erzeugen. Hierzu bieten sich im Wesentlichen die folgenden drei Methoden an: Pre-Combustion Capture: CO wird vor der Verbrennung abgeschieden. Dieser Prozess ist komplex, bietet aber beträchtliches Potenzial. 5 Erdgas Geologische CO- Speicherung In der CO -Kette gibt es verschiedene Ansatzpunkte für die wichtigsten Verfahren zur CO -Abtrennung und -Speicherung. Post-Combustion Capture: CO wird nach der Verbrennung aus dem Rauchgas abgeschieden. Diese Methode reduziert die Netto- Stromerzeugung des Kraftwerks um über 0%. Dennoch konzentriert sich die CCS-Entwicklung zurzeit auf diese Technologie, weil sie bereits verfügbar ist und bestehende Kraftwerke entsprechend nachgerüstet werden können. 4 Gas für Privathaushalte CO-Abscheidung 7 3 Öl Mineralkarbonisierung Industrielle Verwendungen Geologische CO-Speicherung Oxyfuel-Verfahren: Dabei wird im Verbrennungsprozess reiner Sauerstoff statt Luft verwendet, so dass das resultierende Rauchgas hauptsächlich aus CO und Wasser besteht. Das CO lässt sich dann durch Kondensation abscheiden. Der Energieverlust beim Oxyfuel- Verfahren ist mit demjenigen der Post-Combustion-Technologie vergleichbar. Bestehende Kraft- Fast 0% der CO -Emissionen aus der Verbrennung fossiler Energieträger stammen aus stationären Quellen. Die meisten Szenarien gehen davon aus, dass fossile Brennstoffe mindestens bis Mitte des laufenden Jahrhunderts die wichtigste Energiequelle bleiben werden. Gas Biomasse CO CO -Emissionen nach Wirtschaftssektoren Kohle CO-Abscheidung Stromerzeugung Öffentliche Strom- und Wärmeproduktion Andere Energiebranchen 3 Verarbeitendes Gewerbe und Bau 4 Transport 5 Wohnen Andere kommerzielle und öffentliche Sektoren sowie Landwirtschaft 7 Übrige Source: International Energy Agency, 005 Zement/Stahl/ Raffinerien usw. Speicherung in der Tiefsee (Schiff oder Pipeline) Petrochemische Fabriken Künftige H-Verwendung Source: COCRC SULZER TECHNICAL REVIEW 3/008 5

3 3 Flüssigkeitsverteiler müssen das Absorptionsmittel gleichmässig über den gesamten Querschnitt grosser Kolonnen verteilen. Bei Sulzer Chemtech können sie in Prüfständen : mit Wasser getestet werden, bevor ihr Einbau in die Kolonnen erfolgt. 4 Sulzer Chemtech verfügt über langjährige Erfahrung mit dem Einsatz der numerischen Strömungsmechanik, mit der sich eine optimale Geometrie des Gaseinlasses definieren lässt. werke können für diesen Ansatz ebenfalls nachgerüstet werden. Dieses Verfahren ist viel versprechend, und erste Demonstrationsanlagen werden zurzeit gebaut. Geschwindigkeit (m/s) Sulzer-Lösungen bei der Kohlendioxidabscheidung Herkömmliche fossile Kraftwerke haben extrem hohe Rauchgasraten. So stösst beispielsweise ein Erdgas-Kombikraftwerk mit einer Leistung von 400 MW mehr als m 3 Rauchgas pro Stunde aus. Absorber, die derart hohe Gasvolumen bewältigen können, erfordern Durchmesser von etwa 8 m bzw. eine rechteckige Grundfläche von 0 5 m (die Kolonnenform hängt vom Lizenzgeber für den Prozess ab). Sulzer Chemtech verfügt über grosse Erfahrung in der Konzeption von Kolonnen ähnlicher Grössenordnung und in der Herstellung der benötigten Ausrüstungen. Darüber hinaus sind für die CO -Abscheidung mittels Absorption beträchtliche Mengen an Absorptionsmitteln (hauptsächlich Amine) erforderlich (z.b. 000 m 3 /Stunde für ein 400-MW- Kraftwerk). Das beladene Absorptionsmittel wird zur CO -Abscheidung in den Regenerator gepumpt, während das regenerierte Absorptionsmittel in den Absorber zurückgepumpt wird. Die Auslegung von Flüssigkeitsverteilern, die das Absorptionsmittel gleichmässig über den gesamten Querschnittsbereich der Kolonne verteilen, ist eine komplexe Aufgabe. Prüfstände für Flüssigkeitsverteiler sind bei Sulzer vorhanden; sie ermöglichen die Durchführung von Tests mit Wasser, bevor die Verteiler in die Kolonne eingebaut werden (Bild 3). Die Zirkulation des Absorptionsmittels im Post-Combustion-Capture-Prozess lässt sich mit verschiedenen einstufigen Standardpumpen aus dem Sulzer-Angebot bewerkstelligen. Sulzer Pumps verfügt zudem über langjährige Erfahrung in der Herstellung von Pumpen für die Aminwäsche, bei der CO in einer Gasverarbeitungsanlage unter Hochdruck abgetrennt wird. Die Abscheidung von CO im Pre- Combustion-Verfahren wird unter hohem Druck durchgeführt, und Sulzer Pumps bietet verschiedene leistungsfähige mehrstufige Pumpen für die Lösungsmittelzirkulation an. Die Gasverteilung am Kolonneneintritt ist ein weiterer entscheidender Faktor: Sulzer Chemtech setzt auf die numerische Strömungsmechanik, um die Geometrie des Gaseinlaufs zu optimieren (Bild 4) und damit eine gleichmässige Geschwindigkeitsverteilung des Gases nach Einspeisung in die Kolonne zu erzielen. Die Packungshöhe, die zur Absorption von 85 90% des CO erforderlich ist, hängt von der Wahl der Absorptionsflüssigkeit ab. Je schneller das CO reagiert, desto geringer ist die benötigte Packungshöhe. Allerdings bedeutet eine geringere Packungshöhe meist auch, dass mehr Energie für die Freisetzung des CO im Regenerator erforderlich ist. Deshalb wird weltweit intensiv an neuen Absorptionsmitteln mit geringerem Energiebedarf geforscht. Um den grossen Rauchgasstrom durch den Absorber zu leiten, ist ein Gebläse erforderlich. Die Minimierung des durch die Packungen und Kolonneneinbauten bedingten Druckabfalls ist ein Schlüsselparameter für Energieeinsparungen. Sulzer Mellapak ist die ideale Kolonnenpackung für diese Anwendung, weil diese Packung sowohl die Anforderungen von Vakuumanwendungen (geringer Druckabfall) als auch jene der Gasentschwefelung (hohe Kapazität und Effizienz) erfüllt. Darüber hinaus weist Mellapak eine mechanisch stabile Struktur auf, so dass der Herstellungsprozess mit einer minimalen Materialmenge erfolgen kann. Mellapak bietet im Vergleich zu Schüttfüllkörpern eine grössere geometrische Oberfläche zwischen Gas und Flüssigkeit pro Kilogramm rostfreiem Stahl ein wichtiger Faktor für die SULZER TECHNICAL REVIEW 3/008

4 dungen. Sie können für eine zweistufige Komprimierung mit unter der kritischen Druckschwelle liegenden Saugdrucken eingesetzt werden. 5 Mellapak - und MellapakPlus -Packungen sind für CCS-Anwendungen ideal, da sie einen geringen Druckabfall mit hoher Kapazität und Effizienz kombinieren und damit eine substanziell reduzierte Kolonnengrösse ermöglichen. Verbesserung des Stoffaustauschs (Bild 5). Gegenwärtig wird CO nur in einigen wenigen Anwendungen industriell abgeschieden, z.b. in der Erdgasverarbeitung und bei der Ammoniakherstellung. Bislang sind noch keine Kraftwerke mit einem vollständigen CO -Abscheider ausgestattet worden, aber einige Pilotanlagen sind bereits im Betrieb und viele weitere geplant. Des Weiteren soll 009 eine Demonstrationsanlage gebaut werden, mit der sich t CO jährlich abscheiden lassen. Die Konstruktion einer eigentlichen Betriebsanlage ist für 0 geplant. Transport heikler Substanzen Das abgeschiedene CO wird für den Transport üblicherweise in einen überkritischen Zustand komprimiert (Druck von >74 bar) und lässt sich so in Pipelines, auf der Schiene, der Strasse oder zur See in Tankschiffen transportieren. Pipelines eignen sich besonders für den Transport grosser Mengen über Distanzen von bis zu 000 km. Die Wahl der Pumpen und der mechanischen Dichtungen sowie der Betrieb der Pumpen sind dabei von entscheidender Bedeutung. Sulzer hat in den USA und Europa über 5 Jahre Erfahrung mit dem Pumpen von Lösungsmitteln zur Abscheidung von CO sowie von verflüssigtem CO und weiteren ähnlich gering schmierfähigen Flüssigkeiten (z.b. Ethylen) gesammelt. Sulzer Pumps verfügt über ein umfassendes Portfolio zur Komprimierung von CO, für den Transport, die Einspritzung und die Speicherung (Bild ). CO -Komprimierung CO tritt üblicherweise bei relativ niedrigem Druck aus dem Regenerator aus und muss auf mindestens 80 bar komprimiert werden, um seine kritische Druckschwelle zu überschreiten. Zwischen 80 und 50 bar verändert sich die Dichte von CO entsprechend den Temperaturänderungen. Eine höhere Dichte ermöglicht bei gleichem Massenfluss Pipelines mit kleinerem Durchmesser, kleinere Maschinen (Pumpen oder Kompressoren) und potenziell tiefere Kosten. Die Kosten für die Kühlung von CO auf unter 7 C, was für die Erreichung einer hohen Dichte erforderlich ist, können substanziell sein. In kalten Klimazonen, wo die Kühlung auf 0 bis 5 C auf wirtschaftliche Weise mit kaltem Meerwasser erfolgen kann, sind Pumpen für die letzte Kompressionsphase effizienter als Kompressoren (Bild 7). Die mehrstufigen Pumpen von Sulzer eignen sich für derartige Anwen- Transport und Einspritzung von CO Das einzuspritzende CO muss weitgehend rein und trocken sein, um den bestehenden europäischen Vorschriften zu genügen. Sulzer- Pumpen, die für die letzte Kompressionsstufe eingesetzt werden, lassen sich auch als Pipeline-Booster und für die CO -Einspritzung verwenden. Der Saugdruck beträgt zwischen ~80 und 00 bar, während der Enddruck bis zu 300 bar erreichen kann (abhängig vom Einlagerungsumfeld, d.h. von der Tiefe und der Formation). CO wird auch für die so genannte Enhanced Oil Recovery (EOR) eingesetzt. Sie findet zurzeit in den USA im Rahmen von EOR- Initiativen auf breiter Front Verwendung. Mehrstufige GSG-Verteilerpumpen gelangen in anspruchsvollen Anwendungen zum Einsatz, z.b. in Raffinerien, petrochemischen Fabriken und bei der Gasverarbeitung. Sie pumpen komprimiertes CO oder wie in diesem Beispiel kaltes Ethylen mit einer spezifischen Dichte von 0,4. SULZER TECHNICAL REVIEW 3/008 7

5 Druck Fest = Trockeneis Flüssigkeit Pumpen Überkritisches «Fluidum» schwerer >> leichter Fest = Trockeneis Enthalpie Kritischer Punkt (74 bar, 7 C) Zweiphasiger Dom Dampf Kompressoren Wenige Blasen Viele Blasen Komprimierung mit Kompressor Kühl Komprimierung mit Pumpe Mehrstufige Pumpe 7 Mehrstufige Pumpen ermöglichen die Handhabung von Gasgehalten von bis zu 95%. Sie können in CCS- Anwendungen eingesetzt werden, wenn sich während des -phasigen Doms im CO -Druck-Enthalpie- Diagramm eine Kühlung wirtschaftlich durchführen lässt. Einlagerung von Kohlendioxid Zurzeit werden 3 Arten geologischer Formationen eingehend auf ihre Eignung für die Lagerung von CO untersucht: Öl- und Gasreservoirs, tief liegende Salzschichten und nicht abbaubare Kohleflöze. In all diesen Fällen wird CO in verdichteter Form in eine Gesteinsschicht unter der Erdoberfläche eingespritzt (On- oder Offshore). Die Kombination der CO -Speicherung mit einer erhöhten Ölförderung oder möglicherweise auch einem verbesserten Methanabbau aus Kohleflözen könnte im Bereich der Öl- und Gasgewinnung zusätzliche Erträge generieren. Allerdings könnte nur ein relativ geringer Anteil des CO, das in Zukunft abgeschieden werden soll, für derartige Zwecke eingesetzt werden. Des Weiteren wurde auch die Idee einer CO -Einlagerung in den Ozeanen erwogen. Allerdings ist dieser Ansatz infolge der noch unbekannten Auswirkungen auf die Umwelt zurzeit umstritten. Neuere Möglichkeiten befinden sich noch in der Entwicklungsphase. CO lässt sich auch durch Mineralkarbonisierung einlagern oder einschliessen. Die geschätzten Kosten liegen jedoch deutlich über denjenigen für die geologische Einlagerung. CCS in der Praxis Zurzeit gibt es noch keine Anlage, welche die massstabsgerechte Ausweitung der CCS-Technologie auf ein ganzes Kraftwerk belegen könnte. Die Schwerpunkte bei der Entwicklung der Technologien für die CO -Abscheidung betreffen die Kostenreduktion und die Effizienzverbesserung. Bei der CO - Einlagerung besteht die Priorität darin, diesem Ansatz Glaubwürdigkeit zu verschaffen, indem eine sichere und verlässliche Methode für die langfristige Speicherung bereitgestellt wird. Sulzer ist einer der Hauptanbieter in verschiedenen wichtigen Bereichen der Abscheidung und Speicherung von CO und pflegt enge Kundenbeziehungen mit Unternehmen, die sich in der Entwicklung dieser Technologie engagieren. Ausblick Die CCS-Technologie befindet sich noch in ihrem Frühstadium. Unternehmen und Länder bereiten Demonstrationsprojekte für die CCS-Technologie vor und warten gleichzeitig staatliche Unterstützung und Finanzierung ab. Sulzer steht in engem Kontakt mit den Kunden und ist bereits in der Frühphase der Prozesskonzeption von CCS-Projekten involviert. Gegenwärtig entwerfen die meisten Kunden Pilotanlagen insbesondere für die CO -Abscheidung oder evaluieren weitere CO - Pipelines für EOR-Zwecke. Sie dürften in den nächsten Jahren zur Realisierung eigentlicher Betriebsanlagen übergehen und dabei Technologieanbieter berücksichtigen, die sie kennen und denen sie vertrauen. Sulzer ist bereit, die sich abzeichnenden Chancen in diesem Bereich zu nutzen. Kontakt Sulzer Chemtech Markus Duss Sulzer-Allee Winterthur Schweiz Telefon Fax markus.duss@sulzer.com Sulzer Pumps Ralf Gerdes Zürcherstrasse 840 Winterthur Schweiz Telefon Telefax ralf.gerdes@sulzer.com 8 SULZER TECHNICAL REVIEW 3/008