CO₂ abscheiden durch Kohlevergasung

Grundlagen der Vergasung

• Wissenschaftliche Durchdringung der stoffbezogenen Abläufe in Vergasungsprozessen (Stoffmodelle) mit dem Ziel des besseren Verständnisses und daraus ableitend der Optimierung der Vergasung
• Modellierung/Simulation von reaktiven mehrphasigen Strömungen (Prozessmodelle) mit dem Ziel der Weiterentwicklung der Reaktionsräume und Reaktorgeometrien
• Erarbeitung von Datenbanken als Basis für die Stoff- und Prozess-Modellierung / Simulation
• Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Gasphase, Schlacke, Ablagerungen und Werkstoffen bei Aufheiz- und Abkühlprozessen mit dem Ziel der Verbesserung der temperaturabhängigen Prozessführung
• Modellierung/Simulation des dynamischen Verhaltens von Vergasern mit dem Ziel der optimalen Abstimmung der Prozessführung der einzelnen Anlagenkomponenten

 

IGCC-Kraftwerkskonzepte und -komponenten

• Flexible und effiziente Vergasung / Rohgaskühlung
• Erhöhung des Kaltgaswirkungsgrades auf über 85 % durch Quenchkonvertierung, Teilkonvertierung und vergaserinterne Wärmeeinkopplung (Quench = Reaktionsbremse)
• Steigerung der Robustheit durch Vermeidung von Verschlackung, Verschmutzung und Korrosion
• Neue, bespannungsarme Brennstoff-Einspeisesysteme
• Flugstromvergasung: Nutzbarmachung der Hochtemperaturwärme ohne Minderung der Verfügbarkeit (z. B. Teilquench)
• Wirbelschichtvergasung: Flexibler Betrieb mit verschiedenen Brennstoffen und Erweiterung der Brennstoffpalette
• Vollständige Vergasung, z. B. durch Integration einer Festbettvergasung zur Nachoxidation kohlenstoffhaltiger Bodenprodukte
• Senkung des CH₄- und des CO-Gehalts im Rohgas
• Schadstoffarme Verbrennung wasserstoffreicher Gase in hocheffizienten Gasturbinen
• Optimierung des IGCC-Gesamtkonzepts, d.h. Einbindung insbesondere der Luftzerlegungsanlage, der CO-Konvertierung und der CO₂-Abtrennung
• Dynamische Modellierung des Gesamtprozesses
• Optimierung der Betriebsführung bei An- und Abfahrprozessen sowie bei Laständerungen
• Untersuchung der Teillastfähigkeit
• IGCC, CtG und CtL und deren Kombinationen (Polygeneration)

 

Kombikraftwerksentwicklungen für den Zeitraum nach 2020

• Hochtemperatur IGCC-Prozesse mit CO₂-Abscheidung
• Gasreinigungsprozesse, die bei hohen Temperaturen und möglichst trocken arbeiten
• Hochtemperatur-H₂-Membranen für die Konvertierungsreaktion
• Hochtemperatur-CO₂-Abtrennung mit regenerierbaren chemischen Sorbentien
• Hybridkraftwerk (IGCC + Brennstoffzelle)
• Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC) mit integrierter CO₂-Abscheidung

Die Technologie des Kombikraftwerks mit integrierter Kohlevergasung hat dadurch Bedeutung, dass sie einige für die CO₂-Abscheidung vielversprechende Vorzüge aufweist. Ein Vorteil besteht darin, im Kraftwerk neben Strom und Wärme weitere Produkte erzeugen zu können. Hierzu zählen: synthetische Kraftstoffe und Grundstoffe für die Chemische Industrie. Damit wird die Kraftwerkswirtschaft künftig in die Lage versetzt, Alternativen zur Verringerung der Abhängigkeit vom Öl anzubieten. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass Vergasungseinheit und Kombikraftwerk sukzessive und räumlich getrennt errichtet werden können. Die Herausforderung besteht zunächst darin, eine robuste, effiziente und kostengünstige Technik im kommerziellen Maßstab zu realisieren.

 

Kohlekraftwerke auf Basis der IGCC-Technologie bieten neben einem hohen Wirkungsgradpotenzial von mehr als 50 % den Vorteil, CO₂ effektiv abscheiden zu können. Auch mit CO₂-Abscheidung werden noch  vergleichsweise hohe Wirkungsgrade von mehr als 40 % und eine hohe Brennstoffflexibilität bei sehr niedrigen Gesamtemissionen erzielt. Der Kraftwerksbetrieb ist auch ohne CO₂-Abscheidung möglich.

 

Inzwischen wurde eine Reihe verschiedener Vergasungsverfahren technisch realisiert. Diese lassen sich hinsichtlich der Gas-Feststoff-Kontaktierung in Festbett-, Wirbelschicht- und Flugstromvergaser unterteilen. Für die Kohlevergasung werden im großtechnischen Maßstab Druckvergasungsverfahren eingesetzt. Dabei nutzt man technischen Sauerstoff oder Wasserdampf-/Sauerstoff-Gemische als Vergasungsmittel. Je nach Prozesstemperatur unterscheidet man Verfahren mit trockenem Ascheabzug (klassische Festbett- und Wirbelschichtverfahren mit Temperaturen unter 1300 °C) und Verfahren mit Flüssigschlackeabzug (Flugstrom- und Schlackebadverfahren mit Temperaturen über 1300 °C). Die tatsächliche Temperaturgrenze wird dabei letztlich durch das brennstoffabhängige Ascheschmelzverhalten definiert.

 

Der kommerzielle Durchbruch der IGCC-Kraftwerke wurde bislang wegen mangelnder Wettbewerbsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit verhindert. Die hohen Investitionskosten, die mehr als 20 % über denen konventioneller Kohlekraftwerke liegen, können durch den Wirkungsgrad und die Verfügbarkeit heute betriebener Anlagen von maximal 45 % bzw. maximal 80 % noch nicht wettgemacht werden. Die Integration der CO₂-Abtrennungstechnologie wird zusätzliche Kosten und sowie Wirkungsgradeinbußen von 6–10 % verursachen. Dadurch vergrößert sich das finanzielle und technologische Risiko dieser Technologie.

Bereits in den 70er- und 80er-Jahren wurden erste IGCC-Demonstrationsprojekte mit elektrischen Wirkungsgraden bis zu 36 % und Leistungen bis zu 160 MW realisiert. Dazu zählte ein deutsches Projekt in Lünen, das 1972 als weltweit erstes IGCC-Kraftwerk gebaut wurde. Eine andere Anlage wurde bereits 1964 am Standort Schwarze Pumpe errichtet. Diese in teils erneuerter und ergänzter Form bis heute betriebene Anlage dient überwiegend zur Methanol-Synthese. Im GuD-Teil der Anlage werden 75 MW elektrische Leistung und Prozessdampf für die sieben Festbett-, den Schlackebad- und die zwei Flugstromvergaser erzeugt.

Eine großtechnische Anlage zur Braunkohlevergasung wurde von der Fa. Rheinbraun projektiert (KOBRA), aber nach Abschluss eines umfangreichen F&E-Programms nicht verwirklicht. Das Rohgas sollte in einem Hochtemperatur-Winkler(HTW)-Vergaser erzeugt werden. Das Verfahren war zuvor in einer Pilotanlage (1978–1985) und in zwei Demonstrationsanlagen (1986–1997 bzw. 1989–1992) erfolgreich getestet worden.

Zu den derzeit in Betrieb befindlichen IGCC-Kraftwerken gehören die in Buggenum (Niederlande), Wabash-River und Tampa (USA) sowie Puertollano (Spanien) und Vresova (Tschechien).  Sie werden seit Mitte der 1990er-Jahre betrieben und auch als IGCC-Kraftwerke der zweiten Generation bezeichnet. Die Anlagen arbeiten überwiegend nach dem Flugstromverfahren. Die Vresova-Anlage ist das derzeit einzige braunkohlengefeuerte IGCC-Kraftwerk. Dort wird neben Festbettdruckvergasern vom Typ Lurgi dry ash seit 2008 auch ein Siemens-Flugstromvergaser (SFG) eingesetzt. Der elektrische Wirkungsgrad der Anlagen liegt zwischen 40 und 45 %, die Verfügbarkeit

bei maximal 80 %.

HotVeGas - Grundlegende Untersuchungen zur Entwicklung zukünftiger Hochtemperaturvergasungs- und -gasreinigungsprozesse für IGCC-Kraftwerke mit CO₂-Abtrennung und zur Herstellung synthetischer Energieträger
HotVeGas II: Grundlegende Untersuchungen zur Entwicklung zukünftiger Hochtemperaturvergasungs- und -gasaufbereitungsprozesse für dynamische Stromerzeugungs- und speichertechnologien
Forschende Organisationen: Technische Universität München - Lehrstuhl für Energiesysteme
Technische Universität Bergakademie Freiberg - Fakultät für Maschinenbau, Verfahrens- und Energietechnik - Institut für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen
Förderkennzeichen: 0327773A, 0327773B, 0327773E ,0327773G

Thermochemische Modellierung
Forschende Organisation: Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Werkstoffe und Verfahren der Energietechnik (IEK)
Förderkennzeichen: 0327773C ,0327773F

Thermochemische und thermophysikalische Datenbanken
Forschende Organisation: GTT Gesellschaft für Technische Thermochemie und -physik mit beschränkter Haftung, Herzogenrath
Förderkennzeichen: 0327773D ,0327773H

 

TEIMAB - SFG-Vergasungsreaktor mit Teil-Quench und Abhitzesystem
Forschende Organisation: Siemens Aktiengesellschaft - Power Generation
Förderkennzeichen: 0327797A

Thermodynamische Asche- und Schlackemodellierung
Forschende Organisation: Technische Universität Bergakademie Freiberg - Fakultät für Maschinenbau, Verfahrens- und Energietechnik - Institut für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen
Förderkennzeichen: 0327797B

SFB-Vergasungsreaktor mit Teil-Quench und Abhitzedampferzeuger, CFD-Berechnungen für Vergaser
Forschende Organisation: Universität Duisburg-Essen - Lehrstuhl für Umweltverfahrenstechnik und Anlagentechnik
Förderkennzeichen: 0327797C

 

Entwicklung spezieller Mess- und Analysetechnik sowie Messungen in der Versuchsanlage und Modellierung der Prozessstufen mit CFD-Berechnungen
Forschende Organisation: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) - Standort Stuttgart - Institut für Verbrennungstechnik (EN-VT)
Förderkennzeichen: 0327797D

 

CO₂-Reduktion durch innovatives Vergaserdesign - COORVED (Entwicklung innovativer Großvergaserdesigns für die Erzeugung von Brenn- und Synthesegas aus qualitativ minderwertigen Kohlen für den Einsatz in IGCC-Kraftwerken)
Forschende Organisation: Technische Universität Bergakademie Freiberg - Fakultät für Maschinenbau, Verfahrens- und Energietechnik - Institut für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen
Förderkennzeichen: 0327865

 

Kohleverstromung durch Polygeneration
Forschende Organisation: Technische Universität Bergakademie Freiberg - Fakultät für Maschinenbau, Verfahrens- und Energietechnik - Institut für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen
Förderkennzeichen: 0327768A