Neue Kraftwerkskonzepte II V2.07 SOFC-Hybridkraftwerk mit integrierter Kohlevergasung: Prozessvarianten und Möglichkeiten der CO 2 -Abtrennung Dipl.-Ing. M. Krüger 1) (E-Mail: [email protected]), Dipl.-Ing. A. Wörner 1) , Prof. Dr. Dr.-Ing. H. Müller-Steinhagen 1) 1) Institut für Technische Thermodynamik, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., Pfaffenwaldring 38-40, D-70569 Stuttgart DOI: 10.1002/cite.200750262 Zielsetzung des laufenden DLR-For- schungsvorhabens ist es, die Einsatzmög- lichkeiten von Kohlegas als Brennstoff in Hochtemperaturbrennstoffzellen zu un- tersuchen. Ein wesentlicher Aspekt ist dabei die Prozessgasaufbereitung durch einen Wasser/Gas-Shift-Reaktor und CO 2 -Abtrennung. In dieser Arbeit werden Simulationen verschiedener Kohlekraftwerkskonzep- tionen mit integrierter Vergasung mit- tels Prozesssimulationssoftware Aspen Plus TM durchgeführt. Das für Detailun- tersuchungen zugrunde gelegte Basis- konzept unterscheidet sich gegenüber dem kommerziell genutzten GuD-Pro- zess mit integrierter Vergasung (IGCC) durch die Integration einer Brennstoff- zelle und der Anpassung des Kraft- werksprozesses. Als Varianten werden verschiedene Möglichkeiten der Kraftwerkskonfigura- tion und der Prozessgasaufbereitung be- trachtet (s. Abb.). Die unterschiedlichen Prozessvarian- ten werden miteinander verglichen und hinsichtlich Wirkungsgrad und verblei- bender spezifischer CO 2 -Emmisionen bewertet. Dabei ergeben sich beträcht- liche energetische Vorteile für die Pro- zessgasaufbereitung durch einen Was- ser/Gas-Shift-Reaktor, sowohl mit als auch ohne CO 2 -Abtrennung. Abbildung. Anlagenschema des Basiskonzeptes mit Möglichkeiten der Prozessgasaufberei- tung. V2.08 Entwicklung einer hocheffizienten Luftzerlegung auf Basis von Perowskitmembranen Prof. Dr.-Ing. M. Modigell 1) (E-Mail: [email protected]), Dipl.-Ing. S. Engels 1) , Dipl.-Ing. F. Beggel 1) 1) Institut für Verfahrenstechnik, RWTH Aachen, Turmstraße 46, D-52056 Aachen DOI: 10.1002/cite.200750185 Im Verbundvorhaben OXYCOAL-AC wird ein neuartiger CO 2 -emissionsfreier Kraftwerksprozess auf Basis einer Oxyfuel-Verbrennung entwickelt. Die Herstellung des benötigten reinen Sauer- stoffs ist durch kryogene Luftzerlegungs- einheiten möglich, jedoch wird durch den enormen Energieaufwand der Ge- samtwirkungsgrad um 10 % gesenkt. Eine vielversprechende Alternative hier- zu stellen Membranverfahren dar, die eine hochselektive Abtrennung des Sau- erstoffs aus Luft ermöglichen. Werden sogenannte gemischtleitende Membra- nen (MIEC) eingesetzt, können die Wir- kungsgradverluste auf 2 bis 5 % gemin- dert werden. Um ausreichend hohe Sauerstoffpermeationsraten für die An- wendung im Kraftwerk zu erreichen, müssen die Membranen so dünn wie möglich und unter den Betriebsbedin- gungen mechanisch langzeitstabil sein. Darüber hinaus muss chemische Kom- patibilität zwischen den Materialien und den berührenden Gasen sichergestellt werden, um einen Zerfall der Membran innerhalb üblicher Standzeiten zu ver- meiden. Um diese Einflüsse sukzessive zu testen, werden experimentelle Unter- suchungen durchgeführt. Hauptfokus ist hierbei der Einfluss der Rauchgas- komponenten CO 2 , SO 2 , CO, NO und Wasser auf die Permeationsrate. Der Energie und Klima 1323 Chemie Ingenieur Technik 2007, 79, No. 9 © 2007 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim www.cit-journal.de

SOFC-Hybridkraftwerk mit integrierter Kohlevergasung: Prozessvarianten und Möglichkeiten der CO2-Abtrennung

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Neue Kraftwerkskonzepte II

V2.07

SOFC-Hybridkraftwerk mit integrierter Kohlevergasung:Prozessvarianten und Möglichkeiten der CO2-AbtrennungDipl.-Ing. M. Krüger1) (E-Mail: [email protected]), Dipl.-Ing. A. Wörner1), Prof. Dr. Dr.-Ing. H. Müller-Steinhagen1)

1)Institut für Technische Thermodynamik, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., Pfaffenwaldring 38-40, D-70569 Stuttgart

DOI: 10.1002/cite.200750262

Zielsetzung des laufenden DLR-For-schungsvorhabens ist es, die Einsatzmög-lichkeiten von Kohlegas als Brennstoff inHochtemperaturbrennstoffzellen zu un-tersuchen. Ein wesentlicher Aspekt istdabei die Prozessgasaufbereitung durcheinen Wasser/Gas-Shift-Reaktor undCO2-Abtrennung.

In dieser Arbeit werden Simulationenverschiedener Kohlekraftwerkskonzep-tionen mit integrierter Vergasung mit-tels Prozesssimulationssoftware AspenPlusTM durchgeführt. Das für Detailun-tersuchungen zugrunde gelegte Basis-konzept unterscheidet sich gegenüberdem kommerziell genutzten GuD-Pro-zess mit integrierter Vergasung (IGCC)durch die Integration einer Brennstoff-zelle und der Anpassung des Kraft-werksprozesses.

Als Varianten werden verschiedeneMöglichkeiten der Kraftwerkskonfigura-tion und der Prozessgasaufbereitung be-trachtet (s. Abb.).

Die unterschiedlichen Prozessvarian-ten werden miteinander verglichen und

hinsichtlich Wirkungsgrad und verblei-bender spezifischer CO2-Emmisionenbewertet. Dabei ergeben sich beträcht-liche energetische Vorteile für die Pro-

zessgasaufbereitung durch einen Was-ser/Gas-Shift-Reaktor, sowohl mit alsauch ohne CO2-Abtrennung.

Abbildung. Anlagenschema des Basiskonzeptes mit Möglichkeiten der Prozessgasaufberei-tung.

V2.08

Entwicklung einer hocheffizienten Luftzerlegung auf Basisvon PerowskitmembranenProf. Dr.-Ing. M. Modigell1) (E-Mail: [email protected]), Dipl.-Ing. S. Engels1), Dipl.-Ing. F. Beggel1)

1)Institut für Verfahrenstechnik, RWTH Aachen, Turmstraße 46, D-52056 Aachen

DOI: 10.1002/cite.200750185

Im Verbundvorhaben OXYCOAL-ACwird ein neuartiger CO2-emissionsfreierKraftwerksprozess auf Basis einerOxyfuel-Verbrennung entwickelt. DieHerstellung des benötigten reinen Sauer-stoffs ist durch kryogene Luftzerlegungs-einheiten möglich, jedoch wird durchden enormen Energieaufwand der Ge-samtwirkungsgrad um 10 % gesenkt.Eine vielversprechende Alternative hier-zu stellen Membranverfahren dar, die

eine hochselektive Abtrennung des Sau-erstoffs aus Luft ermöglichen. Werdensogenannte gemischtleitende Membra-nen (MIEC) eingesetzt, können die Wir-kungsgradverluste auf 2 bis 5 % gemin-dert werden. Um ausreichend hoheSauerstoffpermeationsraten für die An-wendung im Kraftwerk zu erreichen,müssen die Membranen so dünn wiemöglich und unter den Betriebsbedin-gungen mechanisch langzeitstabil sein.

Darüber hinaus muss chemische Kom-patibilität zwischen den Materialien undden berührenden Gasen sichergestelltwerden, um einen Zerfall der Membraninnerhalb üblicher Standzeiten zu ver-meiden. Um diese Einflüsse sukzessivezu testen, werden experimentelle Unter-suchungen durchgeführt. Hauptfokusist hierbei der Einfluss der Rauchgas-komponenten CO2, SO2, CO, NO undWasser auf die Permeationsrate. Der

Energie und Klima 1323Chemie Ingenieur Technik 2007, 79, No. 9