Projekt-Cluster

Kohlevergasung mit CO2-Abtrennung (IGCC)

Forschungsansatz: Pre-Combustion mit Kohlevergasung

Versuchsanlage zur Flugstromvergasung feingemahlener Kohle im sächsischen Freiberg. Bild: Siemens

 

Das Pre-Combustion-Verfahren basiert auf einem Gas- und Dampf-Kraftwerk (GuD) mit integrierter Kohlevergasung, kurz IGCC für Integrated Gasification Combined Cycle. Dabei wird die Kohle in einem Vergasungsprozess in ein Brenngas umgewandelt, das dann als Brennstoff für die Gasturbine dient.

 

Die Forschung beschäftigt sich derzeit mit der Verbesserung der Verfügbarkeit und der Effizienz der Synthesegaserzeugung.

 

Der IGCC-Prozess bietet mit der Kohlevergasung die Möglichkeit, die Kohle gleichzeitig auch stofflich nutzen zu können. Mit der Erzeugung von synthetischen Kraftstoffen und Grundstoffe für die chemische Industrie können diese Kraftwerke die Abhängigkeit vom Öl verringern. Zudem strebt die Entwicklung zu Hybridkraftwerken, bei denen der Gas- und Dampf-Prozess mit einer Brennstoffzelle kombiniert wird.

IGCC-Kraftwerke bieten neben einem hohen Wirkungsgradpotenzial von mehr als 50 Prozent, den Vorteil, Kohlendioxid effektiv abscheiden zu können. Auch mit CO2-Abscheidung werden noch vergleichsweise hohe Wirkungsgrade von mehr als 40 Prozent und eine hohe Brennstoffflexibilität bei sehr niedrigen Gesamtemissionen, erzielt.

Bild: RWE

Geschichte der Forschung zum IGCC-Kraftwerk

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 werden Sauerstoff oder Wasserdampf-/Sauerstoff-Gemische als Vergasungsmittel genutzt. Je nach Prozesstemperatur unterscheidet man Verfahren mit trockenem Ascheabzug (klassische Festbett- und Wirbelschichtverfahren mit Temperaturen unter 1.300°C) und Verfahren mit Flüssigschlackeabzug (Flugstrom- und Schlackebadverfahren mit Temperaturen über 1.300°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 Investitionskosten für ein IGCC-Kraftwerk liegen mehr als 20 Prozent über denen konventioneller Kohlekraftwerke.

Bereits in den 1970er- und 80er-Jahren wurden erste IGCC-Demonstrationsprojekte mit elektrischen Wirkungsgraden bis zu 36 Prozent und Leistungen bis zu 160 Megawatt realisiert. In Lünen wurde 1972 ein IGCC-Kraftwerk gebaut. Eine andere Anlage wurde 1964 am Standort Schwarze Pumpe errichtet. Diese Anlage wird in erneuerter und ergänzter Form bis heute überwiegend zur Methanol-Synthese betrieben. Es werden 75 Megawatt elektrische Leistung und Prozessdampf für die sieben Festbett-, den Schlackebad- und die zwei Flugstromvergaser erzeugt.

Eine großtechnische Anlage zur Braunkohlevergasung wurde von der RWE-Tochter Rheinbraun projektiert, aber nach Abschluss eines umfangreichen Forschungs- und Entwicklungs-Programms nicht verwirklicht. Das Rohgas sollte in einem Hochtemperatur-Winkler(HTW)-Vergaser erzeugt werden. Das Verfahren war zuvor in einer Pilotanlage (1978–1985, KOBRA) und in zwei Demonstrationsanlagen (1986–1997 und 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 Prozent, die Verfügbarkeit bei maximal 80 Prozent.

Vergasungsgas von Energieträgern mit schlechterer Qualität

Die Forscher der TU Freiberg untersuchen am Versuchsreaktor reaktive partikelbeladene Strömungen unter Vergasungsbedingungen. Durch optische Ports können mit Thermographiekameras und Particle-Image-Velocimetry-Systemen (PIV) die Zustände während des Vergasungsprozesses verfolgt werden. Bild: TU Freiberg

Es ist ein Trend hin zur Verschlechterung der Qualität der geförderten Kohlen insbesondere zu höheren Aschegehalten zu beobachten. Das ist eine Herausforderung für zukünftige IGCC-Kraftwerke. Es wird eine neuen Generation der Kohlevergasung erforscht und entwickelt, die sich durch große Leistungseinheiten, hohe Robustheit und hohe Effizienz auch für minderwertige Kohlen auszeichnet.

Im Forschungsvorhabens „CO2-Reduktion durch innovatives Vergaserdesign“, kurz COORVED, sollen wesentliche Grundlagen für Vergasungsverfahren dieser dritten Generation geschaffen werden. Im Vordergrund steht die Weiterentwicklung und Verifizierung von Modellierungswerkzeugen für Vergasungsprozesse unter besonderer Berücksichtigung der exponierten Teilbereiche Flamme und reaktive partikelbeladene Strömung. Auf dieser Basis neue Ansätze zur Gestaltung von Vergasungsreaktoren entwickelt.

Aktuelle Forschungsvorhaben zum IGCC-Kraftwerk

 

COORVED: CO2-Reduktion durch innovatives Vergaserdesign (Entwicklung innovativer Großvergaserdesigns für die Erzeugung von Brenn- und Synthesegas aus qualitativ minderwertigen Kohlen für den Einsatz in IGCC-Kraftwerken)

Projektlaufzeit: 02/2009 – 12/2016

Projektleitung: Institut für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (IEC) der Technischen Universität Bergakademie Freiberg

Partner: Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik (IWTT) der Technischen Universität Bergakademie Freiberg

Laufende Projekte zu IGCC

COORVED

Vorgängerprojekte

HotVeGas
Grundlegende Untersuchungen zur Entwicklung zukünftiger Hochtemperaturvergasungs- und -gasreinigungsprozesse für IGCC-Kraftwerke mit CO2-Abtrennung und zur Herstellung synthetischer Energieträger
(2007-2011)


TEIMAB
SFB-Vergasungsreaktor mit Teil-Quench und Abhitzedampferzeuger
(2008-2011)

COORAMENT
Weiterentwicklung IGCC-Kohlekraftwerkstechnik mit CO2-Abtrennung
(2005-2010)

COORIVA
Baubarkeitsuntersuchungen für ein IGCC-Referenzkraftwerk ab 2015 für Braun- und Steinkohle mit CO2-Rückhaltung
(2005-2008)

VESKO/COORIVA
Verbrennung von Synthesegasen aus Kohle in Gasturbinen
(2005-2008)

Messtechnik für Vergasungsreaktoren
Aufbau eines Laserspektroskopie basierendes Messsystem (LSM) Systems zur Entwicklung von Messtechnik für Vergasungsreaktoren
(2007-2008)

HT-XRD
Hochtemperatur-Pulverdiffraktometrie: Thermochemische Simulation und experimentelle Untersuchungen zur Ansatzbildung in Kohledampferzeugern am Beispiel rheinischer Braunkohle
(2004-2005)

Studie KW mit zentraler Vergasung
Studie zur technischen und wirtschaftlichen Realisierbarkeit von Kohlekraftwerkskonzepten mit zentraler Vergasung und dezentraler Nutzung wasserstoffreicher Brenn- und Synthesegase
(2003-2004)

Bericht zu HotVeGas

Bild: Technische Universität München

Das Verbundprojekt "HotVeGas" schlüsselt mit Messungen, Experimenten und Simulationen die Prozesse des Vergasers im IGCC-Kraftwerk auf.