CCS - Oxyfuel-Technologie mit Fokus auf Dampferzeuger

CCS - Oxyfuel-Technologie mit Fokus auf Dampferzeuger Frank Kluger Hannover Messe, 20.04 24.04.2009

Übersicht CCS Motivation, Konzept & CO 2 -Abscheidetechnologien Oxyfuel Untersuchungsschwerpunkte Oxyfuel Dampferzeuger Stand & Nächste Schritte - Kohlenstaubfeuerung - Zirkulierende Wirbelschichtfeuerung - Chemical Looping Zusammenfassung

Energiebedarf und CCS ( Carbon Capture & Storage ) Fossile Brennstoffe und CO2 Primärenergiebedarf (weltweit) im Referenzszenario Energiebedingte CO 2 Emissionen im 450 Stabilisierungsszenario Quelle: IEA World Energy Outlook 2007

Energiebedarf und CCS ( Carbon Capture & Storage ) Fossile Brennstoffe und CO2 Primärenergiebedarf (weltweit) im Referenzszenario Energiebedingte CO 2 Emissionen im 450 Stabilisierungsszenario CCS in Stromerzeugung Quelle: IEA World Energy Outlook 2007

CO 2 Abscheidung, Transport und Speicherung (CCS) Gesamtkonzept Quelle: Vattenfall

CO 2 -Abscheidetechnologien Kraftwerke mit CO 2 Abscheidung Post-Combustion (Neuanlagen+Nachrüstung) Oxyfuel (Neuanlagen+Nachrüstung) Pre-Combustion (Neuanlagen) Quelle: Vattenfall LÖSUNGEN ENTWICKELT VON ALSTOM Quelle: Vattenfall Quelle: Vattenfall CCS Lösungen erforderlich für bestehende und neue Kraftwerke

Oxyfuel Prinzip - Feuerung Luft Stand der Technik: Oxyfuel: Kohle 21 Vol.-% O 2 79 Vol.-% N 2 % N 2 68.25 72.33 O 2 5.02 4.66 CO 2 20.35 13.73 Ar+Inerts RG H 2 O 5.07 8.35 SO 2 Ma. 1.14 0.16 Vol. 0.85 0.07 Luft LZA N 2 Kohle > 21 Vol.-% O 2 < 79 Vol.-% RG RG % Ma. Vol. N 2 6.23 7.81 O 2 3.33 3.65 CO 2 73.10 58.26 Ar+Inerts 2.61 2.29 H 2 O 14.25 27.74 SO 2 0.48 0.26 Rauchgas (RG) Rezirkulation

Oxyfuel Prinzip - Kraftwerk

Oxyfuel Kraftwerk - Untersuchungsschwerpunkte Abscheidung Auswahl Rauchgasreinigungskomponenten Komponentenintegration Komponentenoptimierung Dampferzeugeroptionen - Oxy Staubfeuerung -OxyZWSF - Chemical Looping Luftzerlegungsoptionen -LZA - Membranen - Chemical Looping Luftleckage CO 2 Spezifikation Korrosion Entschwefelungsoptionen DeNOx-(SCR)-Optionen Quecksilberabscheidungsoptionen Skalierung Rauchgasrezirkulationsoptionen Transport Speicherung

Oxyfuel Kohlenstaubgefeuerter Dampferzeuger Untersuchungsschwerpunkte Verschmutzung & Verschlackung Wärmeübertragung - Strahlung - Konvektion Materialauswahl - Hochtemperaturbereich - Niedertemperaturbereich Luftleckage DeNOx (SCR) Multi-Brenner Anordnung (Tangentialfeuerung) -Sauerstoff und Rauchgasmischung Brennstoffzusammensetzung Schnittstellen zur LZA & CO 2 -Anlage Sauerstoffüberschuss Säuretaupunkt Emissionen / Ausbrand Aschequalität Rauchgasrezirkulationsmenge

Oxyfuel Kohlenstaubgefeuerter Dampferzeuger Stand & Nächste Entwicklungsschritte Technikum Pilotanlagen Demonstration Kommerzielle Größe 2004 2008 2014-15 < 2020 Bis zu 500 kwth Oxy PC Braun- & Steinkohle Tests Uni Stuttgart, Uni Cottbus, Uni Hamburg-Harburg, Uni Dresden ENCAP (EU Projekt), ADECOS I & II (BMWi Projekt), OxyBurner (EU Projekt), OxyCorr (EU Projekt), etc. 30 MWth Oxy Braun- & Steinkohle Schwarze Pumpe, Deutschland (Vattenfall, Alstom) 30 MWth Oxy Erdgas & Oel Lacq, Frankreich (Total, Alstom) 15 MWth Oxy Braun- & Steinkohle Windsor, CT, USA (DoE, Alstom) 300-600 MWth Oxy Braunkohle (z.b. Vattenfall Jänschwalde, Machbarkeitsstudie mit Alstombeteiligung) 300-600 MWth Oxy Steinkohle 400-1100 MWel Oxy Braunkohle 600-1100 MWel Oxy Steinkohle

30 MWth Oxyfuel Pilotanlage (Vattenfall) - Realisierung Planung... Meilensteine Auftrag erteilt Genehmigung erteilt 1.Stahlbau Stütze Druckprobe (Kessel) 1. Kohlefeuer 1. Oxyfuelbetrieb (Kessel) 1. Tonne CO 2 abgeschieden vorläufige Übernahme Eckdaten 04/ 06 11/ 06 07/ 07.Realisierung 11/ 07 07/ 08 08/ 08 09/ 08 12/ 08 Therm. Leistung: 30 MW th Dampfmenge: 40 t/h ÜH-Druck: 25 bar ÜH-Temperatur: 350 C Brennstoff: Braun-/Steinkohle Brennstoffmenge (BK): 5.2 t/h O 2 Bedarf: 10 t/h CO 2 Produkt(flüssig): 9 t/h CO 2 Abscheiderate: >90 % Inbetriebnahme: 2008 Quelle: Vattenfall

30 MWth Oxyfuel Pilotanlage (Vattenfall) - Betriebsstunden (Stand: Mitte April 2009) Oxyfuel Übersicht Betriebsstunden Pilotanlage Gesamt Luftfahrweise Oxyfuelfahrweise ca. 2500 h ca. 1500 h ca. 1000 h Abgeschiedenes CO 2 (flüssig) ca. 1000 t

15 MWth Oxyfuel Pilotanlage (Alstom) Stand Modifizierung von zwei 15 MWth Versuchanlagen zur Untersuchung der Oxyfuel-Technologie im Rahmen eines DoE (Department of Energy) F&E Auftrages 15 MWth Brennerprüfstand 15 MWth Dampferzeuger mit Tangentialfeuerung inklusive Rauchgasreinigung und -rezirkulation Standort: Alstom Forschungslabor (PPL) in Windsor, CT, USA Nächste Schritte Fertigstellung der Modifizierung Inbetriebnahme der Pilotanlagen ab August 2009 Versuchsdurchführung mit Braunund Steinkohle (Verbrennungsgrundlagen, Wärmeübertragung, Werkstoffuntersuchungen, Gewinnung von Daten für CFD, Brennstoffcharakter)

Machbarkeitstudie für 250 MWe Oxyfuel Demonstrationskraftwerk (Vattenfall - Jänschwalde) Machbarkeitsuntersuchung von Vattenfall für die Demonstration von CCS-Technologien am Kraftwerksstandort Jänschwalde Post-Combustion Capture Oxyfuel Quelle: Vattenfall Alstom untersuchte im Rahmen der Vattenfall Oxyfuel-Studie den Trockenbraunkohle-Dampferzeuger und Rauchgasreinigungskomponenten

Oxyfuel ZWSF Dampferzeuger Verfahrensprinzip & Untersuchungsschwerpunkte CO 2-reiches Produkt Zyklon Konvektionsheizflächen Falschluft Kondensat Rauchgaskühler Maximale Sauerstoffkonzentration im Oxidant (Rauchgasrezikulationsmenge) Brennkammer Speisewasser - vorwärmung Medien für Fluidisierung Fließbettkühler Sauerstoffvorwärmer Filter Entschwefelung in der Brennkammer Kohle Kalkstein Rezirkulationsgebläse Bettagglomeration Sauerstoff Luftzerlegungsanlage Fluidisierungsgebläse Luft Aschekühler Stickstoff Verbrennungstemperatur wird durch externe Aschesowie Rauchgasrezirkulation kontrolliert

Oxyfuel ZWSF Dampferzeuger (O 2 -Gehalte > 21 Vol.-%) Stand & Nächste Schritte Stand Erste Tests in 3 MWth Oxy-ZWSF Versuchsanlage (Alstom Windsor, USA) mit höheren Sauerstoffgehalten (bis 70 Vol.%) im Oxidant durchgeführt. Nächste Schritte Weitere Tests in 3 MWth Oxy-ZWSF Versuchsanlage (Alstom Windsor, USA) mit höheren Sauerstoffgehalten im Oxidant Betrieb von zwei Oxy-ZWSF Versuchsanlagen (300kWth und 500kWth) im Rahmen eines geplanten und vom BMWi geförderten Forschungsprojektes (2009-12) Konzeption einer Pilotanlage 30 MWth nach positivem Rückfluss aus den vorstehenden Versuchsanlagen (2010)

Chemical Looping - Dampferzeuger Verfahrensprinzip & Untersuchungsschwerpunkte abgereicherte Luft Brennstoff (z.b. Kohle) 950-1030 C Potentielle Sauerstoffträger: Umgebungsluft (O2) Luftreaktor CaS/Metalle Dampferzeugerauslegung abhängig vom Sauerstoffträger (z.b. Brennstoffreaktor) Verbrennungsreaktor Kombination Luftzerlegungsanlage und Dampferzeuger Kalkstein CO 2 + H 2 O 850-950 C Asche Grundlagenuntersuchungen: Brennstoffumsatz Luftausbeute Stabilität Sauerstoffträger Trennung Sauerstoffträger und Verbrennungsrückstände (Unverbranntes, Asche) Kontrolle der Feststoffumläufe Kontrolle des Gesamtprozesses

Chemical Looping - Dampferzeuger Stand & Nächste Schritte Stand Kaltmodelluntersuchungen abgeschlossen Grundlagenuntersuchungen im Labor (10 100 kwth) abgeschlossen Nächste Schritte Auslegung, Aufbau und Betrieb einer Chemical Looping - Versuchsanlage 1 MWth (Basis: Metalloxid) an der TU Darmstadt im Rahmen eines von der EU geförderten Forschungsprojektes (2008-11) Auslegung, Aufbau und Betrieb einer Chemical Looping - Versuchsanlage 3 MWth (Basis: CaS) bei Alstom Windsor (USA) im Rahmen eines von der DoE geförderten Forschungsprojektes (2008-11) Konzeption einer Pilotanlage 10-50 MWe nach positivem Rückfluss aus den vorstehenden Versuchsanlagen (2011)

Zusammenfassung Oxyfuel vielversprechende Option für CCS sowohl für Neuanlagen als auch zur Ümrüstung von Bestandsanlagen Bisher keine Showstopper für die verschiedenen Oxyfuel- Dampferzeugertypen identifiziert Ergebnisse und Erfahrungen aus den Pilotanlagen bilden die Basis für die Entwicklung der Demokraftwerke Wirbelschichtdampferzeuger bietet durch höhere Sauerstoffgehalte Potential zur Verkleinerung der Dampferzeugerbaugröße Potential zur Verbesserung des Wirkungsgrades bei Oxyfuel vorhanden - Chemical Looping ist eine vielversprechende Option, benötigt allerdings noch längere Entwicklungszeit - Membrantechnologie zur energetisch günstigeren Sauerstofferzeugung

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!! www.alstom.com