CO2-freies Kraftwerk - Fachgebiet Energiesysteme...Hintergründe & Möglichkeiten Abb. 1: Die Stromversorgung der Welt Quelle: Vattenfall: The Carbon Dioxide-free Power Plant (CD)

CO2-freies KraftwerkProjekt Vattenfall

Vortrag zur Vorlesung Energiewirtschaft und Energiesysteme

Corrado Amicabile (EVT, 191507)

Struktur

Das CO2-freie Kraftwerk 1

CO2-freies KraftwerkStrukturVattenfallWarum CO2 einsparen?AuswahlkriterienCO2-freies KraftwerkDie IdeeDrei Techniken

Pre-CombustionPost-CombustionOxyfuel

Stand der Technikspez. Kosten

CO2-Transportspez. Kosten

CO2-Speicherungspez. Kosten

Schwarze PumpeZahlen & FaktenZweckZeitplan

Die KritikerDanke!Quellen & LinksKontakt

Vattenfall• Allgemein:

– fünftgrößter Energieversorger Europas

– größter Wärmeversorger Europas

– Aktivitäten in Schweden, Finnland, Deutschland und Polen

– Vattenfall operiert in allen Teilen der Elektrizitäts-Wertschöpfungskette: Erzeugung, Übertragung, Verteilung und Vertrieb (Strom und Wärme)

– rund 33.000 Beschäftigte.

– Muttergesellschaft Vattenfall AB ist zu hundert Prozent im Besitz des schwedischen Staates.

• Vattenfall in Deutschland:– ca. 17% des in Deutschland verbrauchten Stroms

– ca. 89% der Erzeugungskapazität entfallen auf Braunkohlekraftwerke

– Rest der Erzeugungskapazität Kern- und Wasserkraft

– ca. 3 Mio. direkte Stromkunden und 3,4 Mio. Netzkunden (hauptsächlich in Berlin und Hamburg)


CO2-freies KraftwerkStruktur

VattenfallWarum CO2 einsparen?AuswahlkriterienCO2-freies KraftwerkDie IdeeDrei Techniken







Hintergründe & Möglichkeiten

Abb. 1: Die Stromversorgung der WeltQuelle: Vattenfall: The Carbon Dioxide-free Power Plant (CD)










Hintergründe der CO2-Einsparung

• Fakten & Aussichten

– Der Energiebedarf steigt!

– mittelfristig nicht durch erneuerbare Energien zu ersetzen

– Abhängigkeit von fossilen Energieträgern in Europa und der Welt• 64% des weltweit erzeugten Stroms aus Kohle, Öl und Gas

– Prognosen der International Energy Agency (IEA):• in den kommenden 20-30 Jahren werden regenerative

Energiequellen weniger als 15% des Weltverbrauchs decken• in der EU (EU-25) und der Welt (v.a. sog. Schwellenländer)

wird die Nutzung fossiler Brennstoffe weiter zunehmen• 50-60% der benötigten Wärme werden auch im Jahr 2030 auf

fossilen Brennstoffen basieren (Vgl. 55% in 2002)• in den nächsten 25 Jahren wird keine erneuerbare

Energiequelle eine signifikante Rolle spielen

→ CO2-Emissionen aus fossilen Energieträgern müssen reduziert werden!











Abb. 2: IEA WEO 2004 – Referenzszenario: Nachfrage nach Strom- und Wärmeerzeugung in der Europäischen Union (EU-25).Quelle: Vattenfall: The Carbon Dioxide-free Power Plant (CD)










Strom- und Wärmeverbrauch in der EU bis 2030 (IEA)



Braunkohle Steinkohle Erdgas

Kein

e CO

2-A

btr.

Oxyf

uel

IGCC

Post

-Com

b.

Oxyf

uel

IGCC

„Tex

aco“

Post

-Com

b.

IGCC

„She

ll“

kein

e CO

2-A

btr.

Post

-Com

b.

Ab wann lohnt es sich CO2-Abtrennung zu betreiben?

Abb. 3: geschätzte StromgestehungskostenQuelle: Vattenfall









Kein

e CO

2-A

btr.

StromgestehungskostenCO2-Preis 10€/tCO2-Preis 20€/tCO2-Preis 30€/t











Preis €/t CO2

Ø-Future 2012: 23,53€

Ø 2005: 21,87€

5

10

15

20

25

30

35

04.10

.2005

13.10

.2005

20.10

.2005

27.10

.2005

03.11

.2005

10.11

.2005

17.11

.2005

24.11

.2005

01.12

.2005

08.12

.2005

16.12

.2005

23.12

.2005

02.01

.2006

09.01

.2006

16.01

.2006

23.01

.2006

30.01

.2006

06.02

.2006

13.02

.2006

20.02

.2006

27.02

.2006

06.03

.2006

13.03

.2006

20.03

.2006

27.03

.2006

03.04

.2006

10.04

.2006

19.04

.2006

26.04

.2006

04.05

.2006

11.05

.2006

18.05

.2006

26.05

.2006

02.06

.2006

12.06

.2006

19.06

.2006

26.06

.2006

03.07

.2006

10.07

.2006jeweilige Handelsperiode

Ø-Future 2008: 23,53€

Zertifikat-Preis 2005

Future 2012Future 2008

CO2-Zertifiakt-Preis pro Tonne CO2

Abb. 4: Zertifikatehandel Quelle: Fachbereich Energy Systems – TU-Berlin

CO2-freies KraftwerkCO2-freies KraftwerkStruktur







Die KritikerDanke!Quellen & LinksKontakt Abb. 5: Kraftwerk Schwarze Pumpe – eines der modernsten der Welt, aber nicht

CO2-frei (1600 MW)Quelle: Vattenfall


Die Idee: CO2-freies Kraftwerk

• Konzept: fossile Brennstoffe zur Stromerzeugung verwenden– Braunkohle– Steinkohle

• CO2-Abtrennung vor oder hinter dem Prozess und Oxyfuel– Post-Combustion capture (z.B. Absorption/DEA, MDEA und MEA,

Adsorption, Verflüssigung, Abtrennung mittels Membran)– Pre-Combustion capture (Dekarbonisierung in Kombikraftwerken

mit Kohlevergasung/IGCC, regenerativer Karbonat Prozess)– Oxyfuel-Verfahren

• Verflüssigung des CO2

• Speicherung in geeigneten Speichermedien bzw. weitere Verwendung

– Aquifere– Leere Öl- oder Gasfelder– Lösen des CO2 im Ozean










CO2-Abscheidungskonzepte










Post-Combustion

Pre-Combustion / IGCC

Oxyfuel

Abb. 6: Drei CO2-AbscheidungskonzepteQuelle: Vattenfall

Drei Techniken: Oxyfuel-Prozess

• Luftzerlegung vor der Verbrennung

• Verbrennen des jeweiligen Brennstoffs mit reinem Sauerstoff– 95 bis 99,7% O2-Anteil

• Rauchgasrezirkulation notwendig um zu hoher Verbrennungstemperatur entgegenzuwirken

– bis zu 80%→ hoher CO2-Partialdruck im Rauchgas

• Das Rauchgas enthält keinen Stickstoff

• Der Kohlendioxidgehalt beträgt im Rauchgas bis zu 75%– einfachere Abtrennung– andere Bestandteile: Wasserdampf und Störgase wie Sauerstoff

und Schwefeldioxid– größter Anteil davon Wasserdampf der durch Kondensation und

Adsorptionstrocknung abgeschieden wird

• CO2-Reinigung → Verflüssigung, Transport & Speicherung










Prinzip des Oxyfuel-Prozesses

Animation 1: Der Oxfuel-ProzessesQuelle: Vattenfall










Stand der Technik - Oxyfuel

Abb. 7: Stand der TechnikQuelle: BWK - Das Energie-Fachmagazin, Bd. 57 (2005) „Wege zum emissionsfreien Kohlekraftwerk“ – eigene Bearbeitung










Anlagenkomponente Studien Labortests Pilotanlage Vorserie Marktreife

Luftzerlegung

O2-Vorwärmer

BK-Vortrocknung

DE inkl. Oxyfuel

Abgasrezirkulation

P-Abscheidung

SO2-Abscheidung

CO2-Reinigung

CO2-Trocknung

W-D-System

Spezifische Kosten

Stro

mge

steh

ungs

kost

en [€

/MW

he] Braunkohle Steinkohle Erdgas


Stromgestehungskosten für verschiedene Verfahren

Abb. 8: geschätzte StromgestehungskostenQuelle: Vattenfall









Kein

e CO

2-A

btr.

Oxyf

uel

IGCC

Post

-Com

b.

Oxyf

uel

IGCC

„Tex

aco“

Post

-Com

b.

IGCC

„She

ll“

kein

e CO

2-A

btr.

Post

-Com

b.

Kein

e CO

2-A

btr.

ca. 13€/MWheMehrkosten

ca. 14€/MWheMehrkosten

Kostenverteilung










Heute ca. 40€/t CO2

Ziel bis Markteinführung

Abb. 9: Kostenverteilung: Abscheidung, Transport und SpeicherungQuelle: Vattenfall

Transport

• CO2-Transport in semi-gekühlten Schiffen• Projektbeteiligung: Navion, SINTEF, Vigor und STATOIL• Das abgebildete Schiff hat eine Kapazität von 20000m3

Abb. 10: CO2-TankerQuelle: STATOIL










Transport des CO2

• Konditionierung des CO2 für den Transport und die Speicherung

– möglichst hohe Reinheit des CO2 >95%• Möglichst geringer Gehalt an Fremdstoffen, SO2 wird toleriert

– vollständige Wasserabscheidung

– Verflüssigung des CO2 bei Umgebungsbedingungen (ca. T=30°C) bei ca. 110bar, direkt im Kraftwerk

– ein vollfunktionsfähiges CO2-Abscheidungs- und Speicherungssystem muss CO2 aus mehreren Kraftwerken entsorgen

– Untersuchung von sicheren und effizienten Transportmöglichkeitenfür große Mengen CO2

– Kombination aus Pipelines und Schiffen ist wahrscheinlich die kostengünstigste Alternative (Offshore)

• STATOIL konzipiert momentan detailliert CO2-Transportschiffe

– reines Pipeline-System für Onshore-Speicherung










Spezifische Kosten des CO2- Transports


Kosten [€/t CO2]

LKW

Bahn

Pipeline

Schiff

1

5

25

1 10 100Kapazität[log Mt CO2/a]









Abb. 11: KostenQuelle: Vattenfall, eigene Bearbeitung

Transport des CO2

Abb. 12: CO2-TransportszenariumQuelle: Vattenfall: The Carbon Dioxide-free Power Plant (CD)










Speicherung










Abb. 13: Sleipner FieldQuelle: STATOIL

Speicherung des CO2

Kos

ten

[€/t

CO

2]

Tiefe [m]

Gasfeld offshoreGasfeld onshoreAquifer onshoreAquifer offshore

Abb. 14: Spezifische CO2-SpeicherkostenQuelle: Vattenfall










spez. Kosten steigen proportional zur

Speichertiefe

Speicherung des CO2

Animation 2: Die Post-CombustionQuelle: Vattenfall










Schwarze Pumpe

Abb. 15: Das Pilotprojekt Schwarze PumpeQuelle: Vattenfall










Pilotanlage Schwarze Pumpe

Das CO2-freie Kraftwerk Schwarze Pumpe

• Projekttyp: Pilotanlage• Planungsbeginn & Konstruktion: 2003• Baubeginn: 2006• Inbetriebnahme: wahrscheinlich Mitte 2008• Betriebsdauer: Mindestens 10 Jahre• Kosten: ca. 57 Mio. € (37 Mio. KW, ca. 20 Mio. €

Testprogramm)• Standort: Nähe 1600MW-Kraftwerk Schwarze Pumpe• Standort einer ehemaligen Pilotanlage

• Technologie: Oxyfuel• Brennstoff: getrockneter Braunkohlestaub• Leistung: 30MWth

• flüssiges CO2 am Ende des KW-Prozesses• CO2-Abscheidungsrate > 90%• Speicherung des CO2`s wenn Abtrennung

zufrieden stellend verläuft und die erforderlichenGenehmigungen erteilt sind












• Zweck & erhoffte Erkenntnisse:→ Demonstration der Prozesskette

→ Interaktion der Komponenten

→ erreichbare CO2-Abscheidegrad

→ Validierung der Theorie und Scale-Up Kriterien

→ Untersuchung von Materialanforderungen →höhere Brennraumtemperaturen

→ Anlagenverfügbarkeit→z.B. Luftzerlegung im großtechnischen Maßstab (Air Liquide,

Frankreich)→ Langzeittests

→ Ermittlung der zu erwartenden Betriebs- und Wartungskosten

→ Optimierung des Wirkungsgrades










Abb. 16: Zeitplan für die technische EntwicklungQuelle: Vattenfall: Klimaschutz durch Innovation










Die Kritiker und ihre Bedenken

• Greenpeace: Fünf Argumente gegen „CO2-freie Kraftwerke“

1. CO2-“freie“ Kraftwerke gibt es nicht– CO2 kann weder in Pre- oder Post-Combustion-Verfahren

vollständig abgeschieden werden– Restemissionen 60 – 150 gCO2/KWhe

(Braunkohle: ca. 900 gCO2/KWhe konventionell)

2. Die CO2-Technik greift zu spät, um dem Klima zu helfen– Erneuerung der Hälfte des Kraftwerksparks in den

nächsten 10 Jahren notwendig– Verfügbarkeit CO2-freies KW in frühestens 15-20 Jahren→ keinerlei Beitrag zum Klimaschutz bis 2020 (40%

Reduktion)→ irrelevant für nationales und Kyoto-Klimaschutzziel→ für langfristiges Ziel Einsatz fraglich (bis 2050: 80%

Verringerung)










Die Kritiker und ihre Bedenken


• Greenpeace: Fünf Argumente gegen „CO2-freie Kraftwerke“

3. Keine ausreichenden CO2-Speicher in Deutschland- ohne Nutzung von Aquiferen (16 Mrd. t CO2): Zu hohe

Risiken für die Umwelt→ Speicherkapazität für 5 Jahre- inkl. Risikoreichen Aquiferen (16 Mrd. t CO2)→ 23 Jahre

4. Die Lagerung von CO2 im Untergrund ist nicht ungefährlich- mögliche Leckagen- tödliche Risiken bei plötzlichem CO2-Austritt- Bsp.: Kratersee Lake Nyos, Kamerun, Afrika, 1986

mehr als 1700 Tote durch plötzlichen CO2-Austritt

5. CO2-Abscheidung lässt den Strompreis steigen- damit regenerative Energien schon heute

konkurrenzfähig









Ende

Abb. 17: Spatenstich CO2-Freies Kraftwerk Pilotprojekt schwarze Pumpev.l.n.r. Vattenfall-Vorstandschef Lars G. Josefsson (l.) Bundeskanzlerin Angela Merkel, Brandenburgs Ministerpräsident Matthias Platzeck und Vattenfall-Europe-Chef Klaus Rauscher

Quelle: dpa, eigene Bearbeitung

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!










Quellenverzeichnis

• Literatur:– BWK - Das Energie-Fachmagazin, Bd. 57 (2005)

„Wege zum emissionsfreien Kohlekraftwerk“– Vattenfall – CD-Rom (2006)

„Das Projekt „CO2-freies Kraftwerk“ im Überblick– Vattenfall (März 2006), Lars Strömberg, „ENCAP Integrated Project“– Vattenfall (2006), „Oxyfuel Technology for CO2 Capture from Advanced Supercritical

Pulverised Fuel Power Plants“– Vattenfall (2006), „Klimaschutz durch Innovation“– Vattenfall (1/2006), „Curbing Climate Change“– Vattenfall (2006), „Vattenfall`s 30MWth Oxyfuel Pilot Plant Projekt“– Vattenfall (2006), „Oxyfuel Technology for CO2 Capture from Advanced Supercritical

Pulverised Fuel Power Plants“– Vattenfall (2006), „Using a Strategic Environmental Assessment Approach for Assessing– Environmental Impacts of CO2 Capture, Transport and Storage Alternatives“– Federal Ministry of Economics and Labour, (2006), „COORETEC – CO2-Reduction

Technologies – Research and Development Concept for Zero-Emission Fossil-FuelledPower Plants – Summary“

– Institut für Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen, Universität Stuttgart (Nov. 2005), „Wege zum CO2-freien Kohlekraftwerk“

– Institut für Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen, Universität Stuttgart (2005), „Oxyfuel – Gutes Klima durch geänderte Prozessführung bei der Verbrennung“

– Frank Sanders (Universität Paderborn) (9/2005), „Integration of a pressurised entrainedflow gasifier into a GateCycle model for IGCC process with CO2 capture“

– European Commision (2004), „European CO2 capture and storage projects“– CO2ncept (Feb. 2005), „Leitfaden Zertifikatehandel“– Greenpeace (2004), „Fünf Argumente gegen „CO2-freie Kohle-Kraftwerke“ “– Greenpeace (2004), „Kohlendioxid in den Untergrund?“










Quellenverzeichnis

• Internet:– www.vattenfall.com/next100years– www.vattenfall.com/co2free– www.vattenfall.de/co2frei– www.adecos.de/oxybasics.html– www.eex.de/– www.co2-handel.de– www.encapCO2.org– www.statoil.com/INF/SVG03595.NSF?opendatabase&lang=en

&artid=F32B3FBF4427C4DFC125713D005A4DE6– www.kwt.tu-cottbus.de/pages/projekte/oxyfuel-05.html– www.kwt.tu-cottbus.de/pages/projekte/oxyfuel-0506.html– http://www.entek.chalmers.se/~anly/symp/sympco2.html– http://www.entek.chalmers.se/forskning/nordleden_e.html– http://www.ivd.uni-stuttgart.de/deutsch/ivd_www_fh.html










http://www.vattenfall.com/next100years

http://www.vattenfall.com/co2free

http://www.vattenfall.de/co2frei

http://www.adecos.de/oxybasics.html

http://www.eex.de/

http://www.co2-handel.de/

http://www.encapco2.org/

http://www.statoil.com/INF/SVG03595.NSF?opendatabase&lang=en�&artid=F32B3FBF4427C4DFC125713D005A4DE6

http://www.statoil.com/INF/SVG03595.NSF?opendatabase&lang=en�&artid=F32B3FBF4427C4DFC125713D005A4DE6

http://www.kwt.tu-cottbus.de/pages/projekte/oxyfuel-05.html

http://www.kwt.tu-cottbus.de/pages/projekte/oxyfuel-0506.html

http://www.entek.chalmers.se/~anly/symp/sympco2.html

http://www.entek.chalmers.se/forskning/nordleden_e.html

http://www.ivd.uni-stuttgart.de/deutsch/ivd_www_fh.html

Kontaktpersonenen










Rückfragen & Anregungen:

Fragen und Anregungen zu diesem Vortrag an:Corrado Amicabile – Student der Energie- und [email protected]

Ihr Kontakt für Informationen, Fragen und Anregungen zum Thema „CO2-freies Kraftwerk“ bei Vattenfall:

www.vattenfall.de/CO2frei

Moritz KöpckeVattenfall Utveckling AB

SE - 16287 StockholmPhone +46 (0)8 699 85 [email protected]

mailto:[email protected]

http://www.vattenfall.de/CO2frei

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