K+S KALI GmbH 19. Sitzung Runder Tisch am

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1 K+S KALI GmbH 19. Sitzung Runder Tisch am Möglichkeiten der Verdampfung unter Nutzung der Abwärme eines Kraftwerkes Dr. Martin Eichholtz K+S Gruppe

2 Anlass: Vorschläge zur Abwärmenutzung Beispiele: Ebenfalls im Jahr 2009 hat der Burgdorfer Geologe und Geochemiker Dr. Ralf E. Krupp vorgeschlagen, die Abwärme eines neu zu bauenden GuD-Kraftwerks zur Verfestigung der Abwässer zu nutzen... Das Eindampfen der Abwässer mit der Abwärme eines GuD-Kraftwerks erfordert keine Energiekosten und ist CO2-neutral. Investitionskosten für das Kraftwerk fallen nicht an, sie sind über den Stromverkauf finanziert. Quelle: W. Hölzel, Keine Abwasserpipeline ins Wattenmeer!, Waterkant Nr. 1, 26. Jahrgang, März 2011 Die Gemeinde Gerstungen und die Stadt Witzenhausen schlagen vor, die Haldenabwässer aus Neuhof-Ellers durch fraktionierendes Eindampfen zu verwerten und die verbleibenden festen Rückstände durch Versatz nach untertage zu beseitigen. Für das Eindampfen soll die Abwärme eines GuD-Kraftwerks genutzt werden. Das hier vorgeschlagene Konzept ist gekennzeichnet durch die Kopplung der Stromerzeugung und der Eindampfung der Salzabwässer mit der aus dem Kraftwerksbetrieb resultierenden Abwärme Quelle: W. Hölzel, Präsentation im Rahmen des Erörterungstermins im bergrechtlichen Planfeststellungsverfahren zur Zulassung eines Rahmenbetriebsplanes der K+S KALI GmbH zum Bau und Betrieb einer Rohrleitung von Neuhof nach Philippsthal am sowie am in Neuhof-Rommerz

3 Strombereitstellung Ist eine vollständige Umwandlung der chemischen Energie fossiler Energieträger in Kraftwerken zur Strombereitstellung möglich? Abwärme Gas, Kohle, Öl 60% - 40% 100% Elektrischer Strom Konventionelles Kraftwerk 40% - 60% Bildquelle:

4 Energieumwandlung in einem Kohlekraftwerk Bildquelle: Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.v.,

5 Umwandlungsverluste bei der Stromerzeugung Die irreversiblen Prozesse bei der Verbrennung und beim Wärmeübergang stellen die Hauptquellen der Umwandlungsverluste bei der Nutzung von fossilen Primärenergieträgern dar. Eine vollständige Umwandlung der chemischen Energie der Brennstoffe in elektrische Energie in thermischen Kraftwerken ist daher nicht möglich. Die Obergrenze des ideal erreichbaren Wirkungsgrads wird durch den Carnot- Wirkungsgrad vorgegeben. Quelle: Siemer, M. Dissertation Lokale Entropieproduktionsraten in der Polymerelektrolyt-Membran_Brennstoffzelle

6 Thermodynamische Grundlagen Mit Hilfe zweier unterschiedlich temperierter Wärmereservoires kann mit Hilfe einer Wärmekraftmaschine Arbeit bzw. Strom bereitgestellt werden. Idealer Wirkungsgrad nach Carnot: η th = P Q& 1 = Q& 1 Q& Q& 1 2 T = 1 T 2 1 Die höchsten Wirkungsgrade ergeben sich bei den größten Temperaturunterschieden sowie bei möglichst geringen Temperaturdifferenzen von Abwärme (Q 2 ) und Umgebungstemperatur (T 2 ) Quelle:

7 Wirkungsgrade von Kraftwerken Vergleich der Wirkungsgrade verschiedener Kraftwerke mit dem idealen Carnot-Wirkungsgrad Bildquelle:

8 Prinzip eines GuD-Kraftwerks 1. Verbrennung in einer Gasturbine 2. Dampferzeugung verschiedener Druckstufen in Abhitzekesseln 3. Nutzung des Dampfes in Dampfturbinen Höchster Kraftwerkwirkungsgrad bei der Umwandlung von chemischer in elektrische Energie Bildquelle:

9 Kraft-Wärme-Kopplung Der Vorteil der KWK-Technologie, also der kombinierten Bereitstellung von Strom- und Prozesswärme, liegt in dem geringeren Primärenergieeinsatz im Vergleich zum Primärenergieeinsatz der Einzelprozesse eines Heizkraftwerkes und eines Stromkraftwerkes Bildquelle: IER, Kraft-Wärme-Kopplung, Mai 2009,

10 Phasenumwandlung von Wasser Eis Wasser Dampf Über 70 % der Gesamtenergie bei der Erwärmung von Eis von -30 C auf Wasserdampf mit einer Temperatur von 130 C steckt in der Verdampfungsenthalpie des Wassers. Eindampfprozesse von Wasser haben daher einen sehr hohen Energiebedarf. Temperatur / K Gesamtenthalpie = kj zur Erwärmung von 1 kg Wasser von -30 C auf 130 C Verdampfungsenthalpie = 40,89 kj/mol * 55,525 Mol = 2.270,42 kj bei einer Siedetemperatur von 100 C Schmelzenthalpie = 6,007 kj/mol * 55,525 Mol = 333,54 kj Diese Energie muss übertragen werden Wärmemenge Q / kj Quellen:

11 Energieübertragung durch Wärmeübergänge Wärmeübergänge finden immer vom wärmeren zum kälteren Medium statt. Wärmeübertragung erfordert ein ausreichen großes treibendes Temperaturgefälle, da Widerstände überwunden werden müssen. Beispiel: Wärmeübergang zwischen dem wärmeren Fluid mit der Temperatur T 1 und dem Fluid mit der Temperatur T 2 an einer Wand mit der Fläche A, dem Übergangskoeffizienten k. Q& = k A ΔT = k A ( ) T 1 T 2 Für die Eindampfung vom Fluid 2 muss T 1 ausreichend hoch sein, damit T 2 der Siedetemperatur des Fluids 2 entsprechen kann Bildquellen:

12 Eindampfanlagen Wasserdampfdruckkurve im Phasendiagramm Eindampfanlagen haben einen sehr hohen Energiebedarf und werden standardmäßig mit Prozessdampf von mehr als 130 C betrieben. Der Arbeitsbereich einer Eindampfanlage ist durch die Kühlwassertemperatur der letzten Stufe und der Heißdampftemperatur in der ersten Stufe festgelegt. Bildquellen: Baehr & Kabelac, Thermodynamik, 2009; Vauck & Müller, Grundoperationen chemischer Verfahrenstechnik, 1978

13 Maßnahmenblatt RT Eindampfung Der Runde Tisch hat die Frage der Eindampfung am Beispiel der ursprünglich geplanten Eindampfanlage in Unterbreizach in Kombination mit dem Ausbau des dortigen GuD- Kraftwerks eingehend geprüft. Quelle: Vortrag von Prof. Stahl am 12. November 2008 auf der 7. Sitzung des Runden Tisches

14 Zusammenfassung Eine vollständige Umwandlung der chemischen Energie der fossilen Energieträger zu elektrischem Strom ist nicht möglich. Die in Kraftwerken zwangsläufig entstehende Abwärme kann für die Eindampfung von Wasser/Salzabwasser nicht genutzt werden, da sie nicht die erforderliche Temperatur besitzt. Am günstigsten gelingt die Bereitstellung der dafür erforderlichen Eindampfenergie mit Hilfe der Kraft-Wärme-Kopplung durch ein Wärme geführtes GuD-Kraftwerk. Die dabei notwendige Auskopplung von Prozessdampf geht immer zu Lasten der Stromerzeugung und verringert den Wirkungsgrad des Kraftwerks. Die Eindampfung von Salzabwasser ist kein Stand der Technik.