Lehrstuhl für Post-Combustion - uni-due.de · 2017. 4. 28. · Post-Combustion Carbon Capture - Chemische Absorption CO 2-Abtrennung Absorption Adsorption Kryogenverfahren Membran

LUATLehrstuhl für Umweltverfahrens-technik und AnlagentechnikUniv.-Prof. Dr.-Ing. habil.Klaus Görner

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ef.RuhrUniversitäten

BochumDortmundDuisburg-Essen

Post CombustionCarbonCapture19.03.2009KN KWT NRWAP3-Sitzung

PostPost--Combustion Combustion Carbon Capture Carbon Capture PCCPCC

-- COCO22--Abtrennung als Nachrüstvariante Abtrennung als Nachrüstvariante --

Klaus GörnerUniv.-Prof. Dr.-Ing. habil.

Lehrstuhl für Umweltverfahrenstechnik und Anlagentechnik LUATUniversität Duisburg-Essen und ef.Ruhr (Energieforschung Ruhr)

Kompetenznetzwerk Kraftwerkstechnik NRWAP3 „CO2-arme Kraftwerkskonzepte“

19. März 2009Wissenschaftspark Gelsenkirchen


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Inhalt

Motivation

Carbon Capture and Storage CCS

Post-Combustion Capture PCCChemische Absorption

AmineKarbonateChilled Amonia

ApparatetechnikEinbindung in das KraftwerkPerspektive

WirkungsgradeZeithorizonte

Zusammenfassung


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Projekte

CO2-Minderung-Aktivitäten in NRW

Chemische Absorptionsverfahren zur CO2-Abtrennung aus RauchgasenKoordination: Universität Duisburg-Essen / Prof. GörnerPartner: Universität Stuttgart / Prof. Scheffknecht

IUTA Univ. Duisburg-Essen / Dr. ErichProjektvolumen: T€ 1.270Förderinstitution: BMWI im Rahmen von COORETEC + Ind.

Analyse zur Nachrüstung von Kohlekraftwerken mit einer CO2-RückhaltungKoordination: Universität Duisburg-Essen / Prof. GörnerPartner: Universität Dortmund / Prof. Fahlenkamp

IUTA Univ. Duisburg-Essen / Dr. ErichProjektvolumen: T€ 350Forderinstitution: MWME NRW + Industrie

Einsatz einer mobilen Anlage zur CO2-Abtrennung aus RauchgasenKoordination: Universität Duisburg-Essen / Prof. GörnerPartner: CSIRO Australien / Dr. Feron

Universität Dortmund / Prof. FahlenkampIUTA Univ. Duisburg-Essen / Dr. Erich

Projektvolumen: T€ 4.400Förderinstitution: MIWFT NRW + Industrie


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Carbon CaptureCarbon Captureand and StorageStorage

MotivationMotivation

CCS


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Freigesetzte CO2-Emissionen 2007 (energiebedingt)für ausgewählte Regionen bzw. Länder

Motivation für eine CO2-Minderung

12.020.000.000 tAsien und Ozeanien

6.575.000.000 tUSA

30.892.000.000 tWelt

CO2-EmissionRegion / Land

861.000.000 tDeutschland

4.615.000.000 tEuropa

6.389.000.000 tChina

Quelle: BMWi, 2006


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Freigesetzte CO2-Emissionen 2007 in Deutschlandnach Verursachern

Motivation für eine CO2-Minderung

42,5%

20,1%

13,6%

12,1%

6,1% 5,5%

EnergiewirtschaftVerkehrHaushalteVerarbeitendes GewerbeÜbrigeKleinverbraucher

Absolute CO2-Emissionen der Energiewirtschaft in Deutschland 2007:

368.475.000 t CO2

Zum Vergleich: CO2-Emissionen der 3 RWE Braunkohlestandorte in NRW70.000.000 t CO2

Zum Vergleich: CO2-Emissionen eines 600 MW SK-Grundlast-Kraftwerks4.000.000 t CO2


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Quelle: e.on, Fischer, IZ Klima-Konferenz 2009

IEA-Referenz-Scenario 4.2

EU-Ziel „Ambitioniert“(Niveau 1990 -30 %)

Daten--Quelle: ZEP 2008

EU-Ziel (Niveau 1990 -20 %)

EU-Emissionen 2030

Energie-Effizienz 0.5

0 2,5 3,0 3,5 4,0

Einsatz Erneuerbarer 0.2

Andere Maßnahmen 0.3

IEA-Scenario „AlternativePolitik“ und CCS

2.8

IEA-Scenario „Alternative Politik“ 3.2

CCS-Potential 0.4

400 Mio t entspr.Emission aus

KW-Bereich in D

30 % Reduktion

CO2-Emission in der EU [Mrd. t CO2-Äquivalent / a]


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Stromerzeugung und CO2-Emissionen

CO2-Reduzierung bei Kohlekraftwerken durch Wirkungsgradsteigerung

CO

2-Em

issi

onen

pro

kW

h el

Quelle: VGB Stromerzeugung 2008

Referenz-Kraftwerk

NRW

Wirkungsgrad: 45 %Spez. CO2-Emission: 743 g/kWhKohleverbrauch: 320 g/kWh


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Abtrennung Transport Speicherung

CO2-Abtrennung, -Transport und -Speicherung


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Carbon CaptureCarbon Captureand and StorageStorage

COCO22--AbtrennungAbtrennung

Abtrennung Transport Speicherung

CCS


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Carbon Capture

Einteilung der Verfahren

Vergasung

Bre

nnst

off

Verbrennung CO2-Abtrennung

CO2

Pre-Combustion Carbon Capture

Post-Combustion Carbon Capture

Verbrennung mit Sauerstoff

Oxy-Combustion Carbon Capture

H2O-Kondensation

H2O + N2

EnergetischeNutzung

EnergetischeNutzung

EnergetischeNutzung

CO2-Abtrennung


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Carbon Capture

Vorteile der Post-Combustion Carbon Capture PCC

• Entwicklungsstand hoch (in anderen Industriezweigen)

• Optimierungspotential bei den Waschmitteln hoch

• Optimierungspotential bei den Prozessen hochVerbesserung im EngineeringProzessvariantenNeue, innovative Prozesse

• Optimierungspotential bei der Integration in den KW-Prozess hoch

• Rückwirkungen auf den KW-Prozess relativ gering (verglichen mit and. Varianten)

• Als Nachrüstoption realistisch

• Weltweites Einsatzpotential hoch (konv. Dampfkraftwerken, fossile Energieträger)

PCC als Nachrüstvariante realistisch, wenn Kraftwerk „capture ready“ (Platzangebot)


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Vergasung

Bre

nnst

off

Verbrennung CO2-Abtrennung

CO2

Verbrennung mit Sauerstoff H2O-Kondensation

H2O + N2

EnergetischeNutzung

EnergetischeNutzung

EnergetischeNutzungCO2-Abtrennung

Pre-Combustion Carbon Capture


Oxy-Combustion Carbon Capture

Post-Combustion Carbon Capture PCC


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Einteilung nach Prozessfamilien

CO2-Abtrennung

Absorption

Adsorption

Kryogenverfahren

CO2-Abtrennung

Membran

Natürl. Einbindung

chemisch

physikalisch

Amine

Karbonate

Ammoniak

Selexol

Rectisol

Sonstige

Mineralisierung

Algen

Pflanzen

keram. Materialien

Tonerde

Zeolite

Aktivkohle

organ. Materialien

Gas-Feststoff-Reaktionen CaO, MgO, FeO


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PostPost--Combustion CaptureCombustion Capture

Chemische Chemische AbsorptionAbsorption

PCC


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Post-Combustion Carbon Capture - Chemische Absorption

CO2-Abtrennung

Absorption

Adsorption

Kryogenverfahren

Membran

Natürl. Einbindung

chemisch

physikalisch

Amine

Karbonate

Ammoniak

Selexol

Rectisol

Sonstige

Mineralisierung

Algen

Pflanzen

div. Materialien

Tonerde

Zeolite

Aktivkohle

organ. Materialien

Post-Combustion Carbon Capture PCC


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CO2(g)

CO2(aq) H2CO3 H+ + HCO3- H+ + CO32-

CO2-Absorption in Wasser und wässrigen Medien

Gelöstes Waschmittel: Amine, Karbonate, Ammoniak

NH2-CH2-CH2-OH K2CO3 NH3

Chemische Reaktion


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Chemische AbsorptionChemische Absorption

AmineAmine

PCC


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Ammoniak primäre sekundäre tertiäre quartäreAmine Amine Amine Amine

(1°) (2°) (3°) (4°)

Quelle: Fuhrer, Bern, 2004

Klassifikation nach der Anzahl der substituierten H-Atome des Ammoniak



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Mono- Di- Tri-(alkanol-) Amine Amine

Amine

z.B. z.B. z.B.Mono- 2,2-Di-Methyl- Di-Ethylen-

2-Ethanol-Amin 1,3-Propan-di-Amin tri-AminMEA DMPDA DETA

H2N - CH2 - CH2 - OH

H2N - CH2 - C - CH2 - NH2lCH3

CH3l

H2N - CH2 - CH2l

l

H2N - CH2 - CH2

NH

Klassifikation nach der Anzahl der funktionalen Aminogruppen



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MEA – Mono-Ethanol-Amin

NH2-CH2-CH2-OH

2(HO-C2H4-NH2) (aq) + CO2 (g) + H2O (l) (HO-C2H4-NH3)2 CO3 (aq)

+ 85 kJ/mol

100 % (alle Mischungen möglich)Löslichkeit in Wasser

-1919 kJ/kg CO2 -84 kJ/mol (Kondensationwärme H2O: -40 kJ/mol)

Absorptionswärme

0,52 mbarDampfdruck (25 °C)

1012 kg/m3Dichte (flüssig)

171 °CSiedepunkt

10,3 °CSchmeltpunkt61,08 g/molMolekulargewicht


Primäres Amin MEA als Referenz-Sorbens


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Monoethanolamin (MEA)

2 R-NH2 + CO2 � R-NH3+ + R-NH-COO-

R-NH-COO- + H2O � R-NH2 + HCO3-

R-NH2 + CO2 + H2O� R-NH3+ + HCO3-

R = -CH2CH2OH

Absorption: leicht

Desorption: schwer(Absorptionswärme hoch,im Bereich der Konden-sationswärme für Wasser)

PCC - Waschmittel - Amine (primäre Amine)

MEA vs. KS-1 - Reaktionsschemata

Absorption: schwer

Desorption: leicht(Absorptionswärme geringer)

Sterisch gehinderte Amine (z.B. MDEA, KS-1)

R‘R‘‘2N + CO2 + H2O � R‘R‘‘2NH+ + HCO3-

R‘ = -CH3 R‘‘ = -CH2-CH2-OH


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Aminbasierte Rauchgaswäsche - Fließbild

PCC - Kraftwerk mit PCC


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KarbonateKarbonate

PCC


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CO2 + H2O + K2CO3 → 2K2HCO3Reaktionsenthalpie = 27 kJ/mol

Kalium-Karbonat

CO2 + 2 R-NH2 → R-NCO2- + R-N+H2

MEA (Monoethanolamin)

Reaktionsenthalpie = 85 kJ/mol

Reaktionsschemata

PCC - Waschmittel - Alkali-/Erdalkali-Karbonate


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102

101

NaOH MEA DEA MDEA Na CO2 3 K CO2 3

Enth

alpi

e / k

Jm

ol-1

·

103

104

391

85

65 49

28 27

7500 10

400

7300

5

5050

Relativ geringe Ab- und Desorptionswärmen für die Amine

Die Reaktionsenthalpie der Carbonate liegt im Bereich der Physisorption(~ 24 / kJ·mol-1)

PCC - Waschmittel - Amine vs. Carbonate

Vergleich der Enthalpien und der Reaktionsgeschwindigkeiten

Beschleunigung der Kinetik durch Zugabe von Additiven ohne Beeinflussung der Enthalpie von Ab- und Desorption

ReaktionsgeschwindigkeitEnthalpie


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Vergleich der Reaktionsgeschwindigkeiten

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100Durchgesetztes Trägergasvolumen / l

Abs

chei

degr

ad /

%A

bsch

eide

grad

[%]

Durchgesetztes Trägergasvolumen [l]

CO2-Konz.: 3,5 Vol.-%Temperatur: 30 °CMEA: 1 mol·l-1K2CO3: 1 mol·l-1K2CO3+ Add.: 1 mol·l-1


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Karbonatbasierte Rauchgaswäsche - Fließbild


Karbonat-Kühler


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Carbonatlösungen im Vergleich zu chemisch wirkenden Absorptions-medien

Vorteile:Hohe thermische Stabilität

Beständigkeit gegen Sauerstoff

Relativ niedrige Ab- und damit Desorptionswärme

Nachteil:Relativ langsame Reaktion mit CO2

Der Nachteil der niedrigen Reaktionsgeschwindigkeit ist prinzipiell durch geringe Konzentrationen physikalisch wirkender Additive überwindbar.


Vergleich der Enthalpien und der Reaktionsgeschwindigkeiten


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Chilled AmoniaChilled Amonia

PCC


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PCC - Waschmittel - Chilled Amonia

Reaktionsschemata

NH3 + H2O NH4+ + OH-

Gas

exotherm

Gleichgewicht p- + T-abhängig

CO2 + H2O + K2CO3 → 2K2HCO3Reaktionsenthalpie = 27 kJ/mol

Kalium-Karbonat

CO2 + H2O + (NH4)2CO3 → 2(NH4)HCO3Reaktionsenthalpie = 27 kJ/mol

Ammoniak (amonia)

CO2 + 2 R-NH2 → R-NCO2- + R-N+H2

MEA (Monoethanolamin)

Reaktionsenthalpie = 85 kJ/mol


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PCC - Waschmittel - Chilled Amonia

Verfahrensfließbild

RG von REA

Gerein.RG

KS Kühl-system

KS KS

KS

CO2-

Abs.

KR1

KR2

KRx Kühlung, Reinigung

CO2-

Des.

Absorber Desorber

Wäscher

Desorber

KSKS

DA

DA

KS KühlsystemDA Dampf

0 °C20 bar

Kühlung und Reinigung des Rauchgases

CO2-Absorp.

Regenerierung des Waschmittels

Ammoniak-Recovery


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ApparatetechnikApparatetechnik

PCC


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PCC - Apparatetechnik

Rohgas(Rauchgas)

Absorbens(unbeladen)

Reingas(Rauchgas)

Absorbens(beladen)

Packungskolonnebei geringer bis mittlerer Absorptionsgeschwindigkeit

Füllkörperpackung (ungeordnet)Diverse Füllkörper

Gitterpackung (strukturiert)Diverse Strukturen

Verschiedene MaterialienMetalleKeramikenKunststoffe

Sprühkolonnebei mittlerer bis hoher Absorptionsgeschwindigkeit

SprühabsorberAnalog zu Entschwefelung

Gepackte Kolonnen


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Absorber

Amin

Tropfen-abscheider

Waschsektion


Gepackte Kolonnen

Rohgas(Rauchgas)

Absorbens(unbeladen)

Reingas(Rauchgas)

Absorbens(beladen) Rohgas

(Rauchgas)

Reingas(Rauchgas)


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Quelle:Fisia, Gummersbach

Sprühkolonnen (Sprühwäscher)



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Platzbedarf


Quelle: Lurgi

70 m

70 m

Kesselhaus

80 m 75 m

110 m

60 m

60 m

Abgas-wäsche,DeSOx

CO2Absorption

(6 Absorber)

15 m20 m

50 m 40 m 30 m30 m

6 Regeneratoren

6 Regeneratoren

500 MWel. Kohlekraftwerk mit MEA-Anlage zur CO2-Abscheidung von Rauchgasen

CO2Trocknung& Kompr.(56 MW)

: Umbau : Neubau

80 m

70 m

70 m

Kesselhaus

80 m 75 m

110 m

60 m

60 m

Abgas-wäsche,DeSOx

CO2Absorption

(6 Absorber)

15 m20 m

50 m 40 m 30 m30 m

6 Regeneratoren

6 Regeneratoren

500 MWel. Kohlekraftwerk mit MEA-Anlage zur CO2-Abscheidung von Rauchgasen

CO2Trocknung& Kompr.(56 MW)

: Umbau : Neubau

80 m


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Einbindung inEinbindung indas Kraftwerkdas Kraftwerk

PCC


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600 °C-Steinkohle-Dampfkraftwerks ohne CO2-Abtrennung(Basiskraftwerk: Referenzkraftwerk NRW)

ηNetto = 045,9 %

Pel,Brutto = 600 MWPel,Netto = 556 MW

pFD = 285,bar / TFD = 600 °CpZÜ = 060 bar / TZÜ = 620 °CpK = 045 mbarmCO2 = 115 kg/s (Volllast)

Charakteristische technische Daten



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Aminbasierte Rauchgaswäsche - Zusätzlicher Energiebedarf für die PCC



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Darstellung der kraftwerksseitigen Schnittstellen für die CO2-Abtrennung

• Wärmebedarf: ND-Dampf aus der Zuleitung zur ND-Turbine

• Kühlwasserbedarf: warmes Kühlwasser am Kondensatoraustritt

• Elektrischer Energiebedarf: Generator



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th

.Q (Feuerungswärmeleistung)= 1211 MW

2CO.

m (CO2-Strom im Rauchgas)= 115 kg/s

pND, ohne CO2-Abtrennung = 5,5 bar (ohne CO2-Abtrennung)

pGefordert = 3,6 bar (geforderter Druck vom Desorber)pND, CO2-Abtrennung = 1,6 bar (mit CO2-Abtrennung)

ND-Dampf

(Rückhaltegrad CO2 = 90 %)=>(spez. Wärmebedarf pro Tonne CO2)

WäscheCO

.

2Q −WäscheCO,th 2q −

%90,CO.

2m

=>

= 103 kg/s

= 3 - 4 GJ/tCO2= 309 - 412 MW (Wärmebedarf CO2-Abtrennung)

Annahme: 90 %-Rückhaltegrad

Wärmebedarf für CO2-Abtrennung (Referenzkraftwerk NRW)


Einbau einer Drossel in die ND-ZuleitungSicherstellung des vom Desorber geforderten Druckes, aber Drosselverluste


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Vergleich des Kraftwerks ohne und mit PCC

Randbedingungen:CO2-Rückhaltung 90 %Spez. Wärmebedarf 3,5 GJ/t CO2

Spez. Wärmebedarf der CO2-Wäsche [GJ/t CO2]

Net

to-L

eist

ung

[MW

el]

Net

to-W

irkun

gsgr

ad [

%]

Basiskraftwerk:Referenzkraftwerk NRW



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PerspektivePerspektive

PCC


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PCC - Perspektive

Mittelfristiges Entwicklungsziel für ein Kraftwerk mit PCC

• Wirkungsgrad des KWs ohne CCS 50 %700 °C-KraftwerkEntwicklungsziel 2015

Wirkungsgradsteigerung ist essentielle Voraussetzung für den Einsatz der CCS, auch unter dem Aspekt der Ressourcenschonung

• Wirkungsgradeinbuße durch PCC - 8 %derzeit 10 – 14 %-PkteEinsatz anderer Waschmittel (2. Generation)Entwicklung anderer Prozesse

• Wirkungsgrad des KWs mit CCS 42 %Durchschnitt D derzeit 38 %Referenzkraftwerk NRW 45 %


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Zeithorizonte diverser e.on-Projekte


PCC - Perspektive


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Zeithorizont bis zur Markteinführung


PCC - Perspektive


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PostPost--CombustionCombustionCarbon CaptureCarbon Capture

ZusammenZusammen--fassungfassung


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Zusammenfassung

CO2-Emission im Kraftwerksbereich muss reduziertwerden

Post-Combustion Carbon Capture ist die Nachrüst-variante

Waschmittel- und Prozessentwicklung ist bei weitemnoch nicht abgeschlossen und wird derzeit intensiv verfolgt

Laufende Neubauprojekte sind „capture ready“


Folie 50




Vielen Dankfür Ihre

Aufmerksamkeit

Ende

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