Entwicklung der Kraftwerkstechnik

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1 Entwicklung der Kraftwerkstechnik Netzwerk Lausitz Cottbus, H. Mandel, Leiter Technik Vattenfall Europe Generation AG & Co. KG

2 Inhaltsverzeichnis Einleitung Entwicklung der Kraftwerkstechnik und Stand der Technik Potenziale der Kraftwerkstechnik Zusammenfassung Entwicklung der Kraftwerkstechnik H. Mandel VE Generation 2

3 Energiereserven und -ressourcen Quelle: Zahlen & Fakten zur Stromerzeugung 2007, VGB PowerTech Entwicklung der Kraftwerkstechnik H. Mandel VE Generation 3

4 Stromerzeugung weltweit Quelle: Zahlen & Fakten zur Stromerzeugung 2007, VGB PowerTech Entwicklung der Kraftwerkstechnik H. Mandel VE Generation 4

5 Stromerzeugung in Deutschland Deutschland 2008 Stromerzeugung gesamt: 639,1 TWh Anteil der Erneuerbaren Energien: 15,1 % Quelle: AG Energiebilanzen e.v Entwicklung der Kraftwerkstechnik H. Mandel VE Generation 5

6 Vattenfall Europe Mining & Generation Ergebnis 2008 Rohkohlenförderung: 57,9 Mio. t davon Veredlungsprodukte: 1,52 Mio. t Stromerzeugung gesamt: 68,2 TWh Entwicklung der Kraftwerkstechnik H. Mandel VE Generation 6

7 Inhaltsverzeichnis Einleitung Entwicklung der Kraftwerkstechnik und Stand der Technik Potenziale der Kraftwerkstechnik Zusammenfassung Entwicklung der Kraftwerkstechnik H. Mandel VE Generation 7

8 Entwicklung der Kraftwerkstechnik Beispiel Turbine Leistung [MW], Temperatur [ C], Druck [bar] Wirkungsgrad Turbine Leistung Eintrittstemperatur Wirkungsgrad [%] 200 Eintrittsdruck Jahr Entwicklung der Kraftwerkstechnik H. Mandel VE Generation 8

9 Entwicklung des Wirkungsgrades (Braunkohlekraftwerke) 45 Wirkungsgrad [%] IBS nach Modernisierung IBS IBS 1997 / 98 IBS 2000 IBS 2003 Jänschwalde / Boxberg Niederaußem / Weisweiler / Neurath Schwarze Pumpe Lippendorf / Boxberg Niederaußem 500 MW russ. Bauart 600 MW westl. Bauart 800 MW 900 MW 1000 MW Brennstoff / Leistung / Kraftwerk / Jahr der Inbetriebsetzung Entwicklung der Kraftwerkstechnik H. Mandel VE Generation 9

10 Optimierung der Anlagentechnik Kessel - Übergang zu überkritischen Dampfparametern Speisewasserdruck > 220 bar direkter Übergang des Speisewassers vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand - NO x -arme Feuerung in Braunkohlekesseln Einhaltung und Unterschreitung der Grenzwerte mit Primärmaßnahmen - Erreichen hoher Leistungen durch Optimierung der Kessel-Bauweise Verringerung des Anlagenaufwandes und der Verluste (Mono-Kessel, einzügige Bauweise) Entwicklung der Kraftwerkstechnik H. Mandel VE Generation 10

11 Optimierung der Anlagentechnik Turbine - Übergang zur Gleitdruckfahrweise - Erhöhung der Teilturbinen-Wirkungsgrade Einsatz von 3D-Beschaufelung Verringerung der Strömungsverluste Optimierung der gehäuseinternen Strömungsführung Optimierung des kalten Endes Vergrößerung der Abdampffläche Entwicklung der Kraftwerkstechnik H. Mandel VE Generation 11

12 Optimierung der Anlagentechnik Prozess - Steigerung der Abwärmenutzung Rauchgaswärme-Verschub-System Abkühlung der RG, damit Vorwärmung eines Kondensatteilstromes Verringerung der Anzapfmenge aus Turbine - Regenerative Speisewasservorwärmung 9-stufige Vorwärmung Dampf aus Anzapfung der HD-Turbine Erhöhung der Speisewasserendtemperatur Verringerung der Verdampferleistung - Erhöhung der Dampfparameter 576 C / 251 bar / 600 C (BoA I) Begrenzung durch Zeitstandfestigkeit der verfügbaren Werkstoffe Entwicklung der Kraftwerkstechnik H. Mandel VE Generation 12

13 Emissionen (Bsp. Braunkohlekraftwerke VE-G) Entwicklung der Kraftwerkstechnik H. Mandel VE Generation 13

14 Braunkohlekraftwerk Boxberg Block R Dauerbetrieb Betriebsart Brennstoff Brutto-Leistung Netto-Wirkungsgrad Frischdampf HZÜ-Dampf Abdampfdruck Speisewasservorwärmung Speisewasser- Endtemperatur Wärmeabfuhr Kondensatvorwärmung HT: P92 Rauchgas-Wärme- Nutzung Werkstoffe MW % C / bar C / bar mbar Stufen C ab 2011 Grundlast Braunkohle ,6 600 / / / Kühlturm Entwicklung der Kraftwerkstechnik H. Mandel VE Generation 14

15 Aktuelle Bilder der Baustelle (März 2009) Entwicklung der Kraftwerkstechnik H. Mandel VE Generation 15

16 Steinkohlekraftwerk Moorburg Blöcke A+B Dauerbetrieb Betriebsart Brennstoff Brutto-Leistung Netto-Wirkungsgrad Wärmeabgabe je Block Frischdampf HZÜ-Dampf Abdampfdruck Speisewasservorwärmung Speisewasser- Endtemperatur Wärmeabfuhr Werkstoffe ND-Endstufe MW % MJ/s C / bar C / bar mbar Stufen C ab 2012 Grundlast Steinkohle 2 x ,5 bis / / Durchlaufkühlung HT: P92 13 m 2 Ti Entwicklung der Kraftwerkstechnik H. Mandel VE Generation 16

17 Aktuelle Bilder der Baustelle (März 2009) Entwicklung der Kraftwerkstechnik H. Mandel VE Generation 17

18 Technische Weiterentwicklungen Entwicklungen zur weiteren Steigerung des Kraftwerkswirkungsgrades - Weiterentwickelter Werkstoff mit 10 % -Chrom Gehalt (P92) für die weitere Erhöhung der überkritischen Dampfparameter für thermisch hoch beanspruchte Baugruppen - Hochwertige 18 bzw. 25%-ige Chromstähle für die Rohre der Überhitzerheizflächen D-Vorw. - Dampfturbinen mit einer Anzapfung im HD- Teil für die weitere Optimierung der Wärmeschaltung - Mühlen-Wärmeverschubsystem bei Steinkohle für die Nutzung der Rauchgaswärme t t t t 13,4 MW Mühlenheißlu ft 353 C Luvo 0 kg/s t Luft v. Mühlen 272 C Sekundärluft 353 C Verbre.Luft über Luvo 98% Prinzipschaltung Mühlenwärme-Verschubsystem Rauchgas 383 C 206 MW t Luft = 30 C t Sichter 90 C Entwicklung der Kraftwerkstechnik H. Mandel VE Generation 18

19 Titanendstufe - Erreichen niedriger Kühlwassertemperaturen mit Durchlaufkühlung Hoher Abdampfvolumenstrom - Kostenoptimierung 4 Abdampffluten - Titan ermöglicht lange Endstufenschaufeln ca mm Länge 13,2 m² Abdampf-Austrittsfläche 4-flutige Ausführung ND-Turbine - steifer Schaufelverbund für optimales Schwingungsverhalten erforderlich Deckband, Snubber - Verringerung der Leckage über die Schaufelspitze durch Deckband - Erosionsschutz: Entwässerung (Gehäuse, Leitschaufel), Laufschaufel-Vorderkanten- Aufdickung Deckband Vorderkanten- Aufdickung Snubber Entwicklung der Kraftwerkstechnik H. Mandel VE Generation 19

20 Inhaltsverzeichnis Einleitung Entwicklung der Kraftwerkstechnik und Stand der Technik Potenziale der Kraftwerkstechnik Zusammenfassung Entwicklung der Kraftwerkstechnik H. Mandel VE Generation 20

21 Erhöhung der Prozessparameter (1) - Steigerung von Frischdampf-Temperatur, FD-Druck u. ZÜ-Temperatur Annäherung an Carnot-Wirkungsgrad (theoretisches Maximum) Verringerung der CO 2 -Emissionen, Schonung der Ressourcen Spezifische CO 2 Emissionen [g/kwh] Durchschnitt weltweit Durchschnitt Deutschland Großes Potential für - 35 % CO CO 2 -Vermeidung 2 Stand der Technik Zukünftige Dampfkraftwerke E max / AD Wirkungsgrad [%] Entwicklung der Kraftwerkstechnik H. Mandel VE Generation 21

22 Erhöhung der Prozessparameter (2) - Kontinuierliche Steigerung der Prozessparameter seit Beginn der Kraftwerkstechnik - Kopplung an die Entwicklung der Werkstoffe Herausforderung: Komponenten-Herstellung, Bearbeitung, wirtschaftlicher Einsatz - Nächster Schritt: Realisierung von 700 C / 350 bar für Frischdampf Forschungseinrichtungen AD 700 COMTES700 Teststrecke Weisweiler Betreiber MARCKO700 Teststrecke Esbjerg NRW PP700 Hersteller Entwicklung der Kraftwerkstechnik H. Mandel VE Generation 22

23 COMTES700 - COMponent TESt facility for a 700 C Power Plant - Entwicklung von Werkstoffen für 700 C-Kraftwerke - Herausforderung: hohe Anforderungen an Werkstoffe (thermisch, mechanisch) vertretbarer Fertigungsaufwand der Komponenten (Kosten) - Beteiligung von EVU und KW-Anlagen-Herstellern, VGB-Schirmherrschaft - 3 Testanlagen: KW Scholven, KW Esbjerg, KW Weisweiler Komponenten Verdampfer Überhitzer Hochdrucksammler Hochdruckrohrleitungen HD-Umleitstation Sicherheitsventil Turbinenregelventil Untersuchungen Herstellung, Biegen u. Schweißen der Komponenten Rauchgaskorrosions- und Dampfoxidationsverhalten der Werkstoffe Test von Nickelwerkstoffen für Rohre u. Ventile Überwachung und Inspektion Betriebsverhalten der Komponenten Betriebsstunden Entwicklung der Kraftwerkstechnik H. Mandel VE Generation 23

24 COMTES700 Turbinen-Ventil HD-Sammler HD Bypass Entwicklung der Kraftwerkstechnik H. Mandel VE Generation 24

25 Integration der Kohletrocknung - Wassergehalt grubenfeuchter Rohbraunkohle: % - Bisher: Trocknung der Kohle auf hohem Energieniveau (Rauchgas,ca C) während des Mahlvorgangs - Ziel: Vortrocknung auf ca. 12% Wassergehalt auf niedrigem Energieniveau (ND-Dampf) - Konsequenz der Trocknung: Verringerung des Rauchgas- Volumenstroms Reduzierung der RG-Wärmeverluste geringere Baugröße der mit RG beaufschlagten Komponenten - Erwartete Steigerung des Kraftwerkswirkungsgrades: η netto 4-5 %-Pkt. durch Nutzung der Brüdenenergie Entwicklung der Kraftwerkstechnik H. Mandel VE Generation 25

26 Trocknungsverfahren für den Kraftwerkseinsatz - Integrierte Dampf- Wirbelschicht-Trocknung WTA Wirbelschicht-Trocknung mit interner Abwärmenutzung Atmosphärische Trocknung DDWT Druckaufgeladene-Dampf- Wirbelschicht-Trocknung Trocknung bei bis zu 6 bar Demo-Anlage: IBS-Phase - Herausforderungen: Versuchs-Anlage in Errichtung Technisch u. wirtschaftlich optimale Anlagenkonfiguration Wirbelschicht-Trocknungsprozess Lagerung und Transport der Trockenbraunkohle Entwicklung eines Dampferzeugers mit reiner Trockenbraunkohle-Feuerung DWT-Verfahren Entwicklung der Kraftwerkstechnik H. Mandel VE Generation 26

27 Vattenfalls DDWT-Versuchsanlage Technische Daten: Durchsatz RBK* 8-10 t/h Feuchte RBK* % Erzeugung TBK** 4-6 t/h Restfeuchte TBK** % Betriebsdruck Trockner 1-6 bar Betriebstemperatur C 36 m Zeitplan: Errichtung der Anlage seit Oktober Jahre Versuchsbetrieb seit Oktober 2008 * RBK - Rohbraunkohle ** TBK - Trockenbraunkohle 15 m 13 m Entwicklung der Kraftwerkstechnik H. Mandel VE Generation 27

28 DDWT-Versuchsanlage: Komponentenanordnung RBK-Bunker TBK-Silo Wirbelschicht- Trockner Brüden- Entstaubung E- und Leittechnikcontainer VA zur DDWT VA zur DDWT Entwicklung der Kraftwerkstechnik H. Mandel VE Generation 28

29 DDWT-Versuchsanlage: Anlagenkomponenten Gurtbandförderer Transport der vorgemahlenen Rohbraunkohle (Partikelgröße 0 6,3 mm) zur DDWT-Anlage Kohlemühle (doppelrotorige Hammermühle) Mahlung der Rohbraunkohle (Partikelgröße 0-2 mm) Kohleeintrag in den Trockner und Trennung der Systemdrücke ( p bis zu 5 bar) Eintragszellenradschleuse Fluidisierungsgebläse Kompression des Brüdendampfes zur Fluidisierung Entwicklung der Kraftwerkstechnik H. Mandel VE Generation 29

30 DDWT-Versuchsanlage: Ziele des Betriebes - Kontinuierlicher Drucktrocknungsbetrieb - Ermittlung der erzielbaren Werte für : Trocknerdurchsatz (Massenstrom produzierter TBK) Restwassergehalt TBK Nachverdampfungsverhalten der TBK Staubaustrag und -abscheidung Systemstabilität und Regelfähigkeit spezifischer Eigenbedarf (Heizdampf, EE, Hilfsstoffe) Leckdampfströme Wärmeübertragungskoeffizient in der WS Fluidisierungsgeschwindigkeit/ Druckabfall in WS, Wirbelschichttemperatur Partikelgrößenänderung während der Trocknung Entwicklung der Kraftwerkstechnik H. Mandel VE Generation 30

31 Zeitplan für die technische Entwicklung DDWT Technikumsanlage BTU Cottbus TBK=0,25 t/h, ca. 2,3 Mio DDWT Versuchsanlage Schwarze Pumpe TBK=5 t/h, ca. 6,5 Mio DDWT Demonstrationsanlage Jänschwalde 250 MW el Block ab 2015 Kommerzielle DDWT Anlage MW el Block ab Entwicklung der Kraftwerkstechnik H. Mandel VE Generation 31

32 Inhaltsverzeichnis Einleitung Entwicklung der Kraftwerkstechnik und Stand der Technik Potenziale der Kraftwerkstechnik Zusammenfassung Entwicklung der Kraftwerkstechnik H. Mandel VE Generation 32

33 Zusammenfassung - Abnehmende Ressourcen Steigende Preise für Primärenergien - Forderung nach geringeren Emissionen zunehmende Komplexität der Kraftwerksanlagen (CO 2 -Abscheidung, hohe Prozessparameter) - zunehmender Einsatz Erneuerbarer Energien Steigende Regelungsanforderungen - Anspruchsgerechte Stromerzeugung Weiterentwicklung der Kraftwerkstechnik Ziel: Sicherstellung einer zuverlässigen, umweltverträglichen u. preisgünstigen Stromversorgung unter wirtschaftlichen Bedingungen Entwicklung der Kraftwerkstechnik H. Mandel VE Generation 33

34 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!