Institut für Energieforschung g Systemforschung und Technologische Entwicklung (IEF-STE) Forschungszentrum Jülich

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1 meinschaft Mitglied der HelmholtzGem Weltweite Innovation bei der Entwicklung von CCSTechnologien und Möglichkeiten der Nutzung und des Recyclings von CO 2 Dr. W. Kuckshinrichs, Dr. P. Markewitz g Systemforschung und Technologische Entwicklung (IEFSTE) Forschungszentrum Jülich Dr. M. Peters, Prof. W. Leitner Institut für Technische u. Makromolekulare Chemie (ITMC), CAT Catalytic Center RWTH Aachen University 11. Symposium Energieinnovation Februar 2010, Graz

2 Inhalt CCSTechnik Vor und Nachteile von Techniken Effizienzpotentiale Nutzung von CO 2 Heutige Nutzungsformen Bewertungskriterien für eine Nutzung Potenziale ausgewählter Nutzungsformen u. Technologien Fazit Systemforschung und technologische Entwicklung (IEFSTE) Folie 2

3 Derzeit favorisierte CCSVerfahrensrouten Post combustion Post Combustion CO 2 Abtrennung Brennstoff Luft Konventionelles Dampfkraftwerk Rauchgasreinigung CO 2 Oxyfuel Oxyfuel Luft Rauchgasreinigung Brennstoff O 2 N 2 /O 2 Trennung Verbrennung/ Kessel CO 2 /HO 2 Kondensation CO 2 Pre combustion Pre Combustion Brennstoff Gasreinigung CO Vergasung 2 Abtrennung mit H 2 Turbine O 2 Verbr. / GuD COShift Luft N N2 /O 2 CO 2 Trennung Vorteile Nachteile Post combustion Verfügbare Abscheidetechnik Effizienzverluste Nachrüstung möglich KW Prozess wie bisher Hohe Reinheiten Kosten Oxyfuel Kompaktes Boilerdesign Effizienzverluste Hohe Abscheidegrade Kosten Pre combustion Hohes Effizienzpotenzial Verfügbare Abscheidetechnik Polygeneration Wasserstoffauskopplung Effizienzverluste Kosten Derzeit: Wenig kohlegefeuerte IGCC Systemforschung und technologische Entwicklung (IEFSTE) Folie 3

4 Stand Probleme Lösungen Status quo Probleme Lösungen Post Combustion Chem. Absorption erprobt in anderen Bereichen, aber keine Erfahrung mit Kohlekraftwerken Viele Versuchsanlagen Hohe Kosten Degradation von Waschflüssigkeiten (z.b. SO 2 ) Up scaling Neue Waschflüssigkeiten (Effizienz, Kosten etc.) Optimale Systemintegration Oxyfuel LZATechnik ist erprobt Hohe Kosten Neues Dampf Laborversuche Verbrennung in CO 2 /O 2 erzeugerdesign Eine größere reicher Atmosphäre, (Wärme und strömungstechnisch) (Schwarze Pumpe, D) Falschlufteintrag Optimale Systemintegration Versuchsanlage weltweit Stickoxidbildung Up scaling Pre Combustion Physik. Absorption erprobt in anderen Bereichen Derzeit keine Versuchsanlagen Hohe Kosten Basistechnologie i (ohne CCS) nicht ausreichend erprobt (derzeit: weltweit 5 kohlegefeuerte IGCC Kraftwerke) Demoanlage Optimale Systemintegragtion Systemforschung und technologische Entwicklung (IEFSTE) Folie 4

5 Wirkungsgradeinbußen inkl. Kompression u. Aufbereitung Quelle: IEA GHG R&D Programme June 2008, eigene Recherchen Heute: 11 14%Punkte Mittelfristig: 8 10%Punkte Langfristig: g < 8%Punkte Stand: Keine Techniklinie zu favorisieren Belchatow Phase B Hatfield Porto Tolle Maasvlakte Compostella Phase B Weltweit: Große Anzahl von kleinen Post Combustion Anlagen Weltweit: Kein großtechnisches Kraftwerk mit CCS Hohe Kosten Belchatow Phase A Compostella Phase A Mit EU Förderung Innovative Lösungsansätze: Membraneinsatz, Carbonate Looping, Chemical Looping Systemforschung und technologische Entwicklung (IEFSTE) Folie 5

6 CO 2 Abscheidung in Kraftwerken Anlagenentwicklung, up scaling Leistung Kommerziell Demonstration Blockgröße n 100 MW Versuch n 10 MW Labor << 10 MW << 1 MW heute Zeit Niederaußem (Post, Amine) Staudinger (Post, Aminosäuresalze) Schwarze Pumpe (Oxy) Datteln (Post, Chilled ammonia) Heyden (Post, Amine) Wilhelmshaven (Post, Amine) Hürth, 450 MW el (Pre) Jänschwalde, 250 MW el (Post/Oxy) Wilhelmshaven, 500 MW el (Post)? Systemforschung und technologische Entwicklung (IEFSTE) Folie 6

7 Heutige CO 2 Nutzung Heutige anthropogene CO 2 Emissionen: ca t pro Jahr Heutige Nutzung von CO 2 Industriegas ca t pro Jahr Physikalisch u. Physikalischchemisch Rohstoff ca t pro Jahr Chemische Effekte Stoffliche Nutzung von CO 2 wird das Klimaproblem nicht lösen können Systemforschung und technologische Entwicklung (IEFSTE) Folie 7

8 Beispiele heutiger Anwendung Physikalisch Kältemittel Kühlmittel Enhanced Oil Recovery Schneestrahlreinigung Laser Physikalischchemisch Feuerlöscher Lebensmittelkonservierung Schutzgas Polymerproduktion Polymerverarbeitung Lösungsmittel Rohstoff Methanol (2 Mio. t) Salizylsäure (0,025 Mio. t) Harnstoff (80 Mio. t) Cykl. Carbonate Systemforschung und technologische Entwicklung (IEFSTE) Folie 8

9 Bewertungskriterien für die CO 2 Nutzung Fixierungsmenge (Energie und CO 2 Bilanz) (Sakakura et al. 2009) Fixierungsdauer Wertschöpfung Systemforschung und technologische Entwicklung (IEFSTE) Folie 9

10 CO 2 Bilanz der Methanolsynthese Methode direkt Spezifische CO 2Emissionen [t CO 2 pro t Methanol] H 2 Produktion Strom vorkette Strom direkt vorkette Summe Gebundenes [ t CO 2 pro t Methanol] Erdgas [GJ pro t Methanol] Klassische Methanolsynthese 0,24 0,24 30,85 Methanol aus CO 2 H 2 aus Erdgas 1,89 0,02 1,91 1,38 31,73 Methanol aus CO 2 H 2 aus Elektrolyse mit Strom aus deutschem Strommix 5,67 5,67 1,38 Methanol aus CO 2 H 2 aus Elektrolyse mit Strom aus Wasserkraft 138 1,38 CH 4 + H 2 0 CO + 3 H 2 Methanol CO 2 + 3H 2 CH 3 OH + H 2 O Systemforschung und technologische Entwicklung (IEFSTE) Folie 10

11 Qualitative Abschätzung von Nutzungspotenzialen Systemforschung und technologische Entwicklung (IEFSTE) Folie 11

12 Qualitative Abschätzung von Potenzialen ausgewählter Technologien Systemforschung und technologische Entwicklung (IEFSTE) Folie 12

13 CCS Technik: Erhebliche Effizienzpotenziale, neue Technologien Demonstrationsanlagen sind notwendig CO 2 Nutzung: Keine konkurrierende Alternative zur Speicherung Viele Nutzungsformen sind denkbar, aber hierzu ist eine Prüfung der Umwelt, Ressourcen sowie der Industrierelevanz notwendig Substitutionspotenzial weitestgehend unbekannt Abschlussbericht demnächst verfügbar unter Systemforschung und technologische Entwicklung (IEFSTE) Folie 13