Projekt-Cluster

Oxyfuel

Forschungsansatz: Verbrennung mit reinem Sauerstoff

Um den energetischen Nachteil der Post-Combustion-Capture-Verfahren beim Abscheiden von CO2 zu vermeiden, wurde das Oxyfuel-Verfahren entwickelt. Dieses basiert auf dem seit vielen Jahrzehnten bekannten Dampfkraftprozess, der in allen kohlegefeuerten Anlagen zur Stromerzeugung realisiert ist. Nur erfolgt die Verbrennung hier mit hochkonzentriertem Sauerstoff ohne Sticktstoff. Die hierfür nötige kryogene Luftzerlegung hat einen sehr hohen Energieverbrauch und erfordert daher zum einen eine signifikante Weiterentwicklung dieses Verfahrens und zum anderen die Entwicklung alternativer Methoden der Sauerstoffherstellung.

Ein weiteres Ziel der Forschung ist die Optimierung des Verbrennungsprozesses mit Sauerstoff und rezirkuliertem Rauchgas. Darüber hinaus besteht Forschungsbedarf in Bezug auf die Beeinflussung der Verunreinigungen im CO2-reichen Rauchgas, welche auf die Verträglichkeit der Speicher- und Barrieregesteine im Untergrund abgestimmt sein muss. Auch beim Oxyfuel-Verfahren spielt die Prozessintegration der Einzelkomponenten eine wichtige Rolle, um es großtechnisch anwendbar machen zu können.

Vattenfall installierte 2008 am Standort Schwarze Pumpe in der Lausitz eine Oxyfuel-Pilotanlage. Bild: Vattenfall

Unter Oxyfuel-Verfahren wird die Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit reinem Sauerstoff verstanden. Gegenüber herkömmlichen Kraftwerken, bei denen der CO2-Gehalt im Rauchgas zwischen 12 und 15 Volumen-Prozent beträgt, liegt er bei Oxyfuel-Anlagen bei etwa 89 Volumen-Prozent. Das Rauchgas nach der Rauchgasreinigung und -wäsche besteht im Wesentlichen aus einem Kohlendioxid-Wasserdampf-Gemisch. Durch Auskondensieren des Wasserdampfes erhält man ein CO2-reiches Rauchgas, das nach der Kompression über eine Pipeline zum Speicherstandort transportiert werden kann. Die Bereitstellung von Sauerstoff für den Verbrennungsprozess erfolgt derzeit mit kryogenen Luftzerlegungsanlagen, in denen der Sauerstoff der Luft durch Kondensation bei tiefen Temperaturen unter –182°C abgeschieden wird. Dieses Verfahren wird heute großtechnisch in der Stahlindustrie und in neuerer Zeit in Gas-to-Liquid-Anlagen genutzt.

 

Die Sauerstoffmengen bei den größten heute geplanten Anlagen, zum Beispiel zur Synthesegaserzeugung liegen bei ungefähr 800.000 Nm³/h. Zum Vergleich: Ein steinkohlebefeuerter Kraftwerksblock mit einer elektrischen Leistung von 500 Megawatt und einem Nutzungsgrad von 43 Prozent benötigt bei stöchiometrischer Verbrennung eine Sauerstoffmenge von ca. 270.000 m³/h. Eine Verbrennung mit Sauerstoffüberschuss erhöht die benötigte Sauerstoff-Menge entsprechend. Selbst mit diesen Luftzahlen stellt die Größe der erforderlichen kryogenen Anlage kein Problem dar.

 

Wird Brennstoff mit reinem Sauerstoff verbrannt, liegt die Verbrennungstemperatur deutlich höher als bei einer konventionellen Verbrennung und erfordert aufgrund anderer wärme- und strömungsspezifischer Randbedingungen eine Modifikation des Dampferzeugers sowie Maßnahmen zur Begrenzung der Verbrennungstemperatur. Daher wird ein Teil des CO2-reichen Verbrennungsgases (etwa zwei Drittel des Rauchgasvolumenstroms) in den Feuerungsraum zurückgeführt, um die Verbrennungstemperatur aufgrund der begrenzten Warmfestigkeit von Konstruktionswerkstoffen zu senken. Weiterhin wird nicht umgesetzter Sauerstoff erneut dem Oxidationsprozess zugeführt und der Restsauerstoffgehalt im Rauchgas gesenkt.

 

Die Verbrennung mit reinem Sauerstoff führt zu deutlich reduzierten Rauchgasmengen und einem veränderten Strahlungswärmeübergang der Rauch-/Brenngase. Dadurch wird eine Neuauslegung von Wärmetauscherflächen und Brennraumgeometrien sowie die Implementierung eines optimierten Rauchgaskanalsystems erforderlich. Wegen des veränderten Luftüberschusses gibt es offene Fragen hinsichtlich der Kohlefeuerung. Da der Sauerstoffüberschuss geringer als bei herkömmlichen Feuerungen ist, kann es zu Ausbrandproblemen und Korrosion an den Brennkammerwänden kommen. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die optimale thermodynamische Einbindung der Kohlendioxidaufbereitung in den eigentlichen Kraftwerksprozess, mit der die Effizienz weiter gesteigert werden könnte.

Geschichte der Forschung zu Oxyfuel

Das Oxyfuel-Verfahren in Kraftwerken wurde bisher in einzelnen Versuchsanlagen im Labormaßstab verwirklicht. Das Unternehmen Vattenfall hat im September 2008 die weltweit größte Oxyfuel-Anlage mit einer Feuerungswärmeleistung von 30 Megawatt in Betrieb genommen. Die Versuchsanlage umfasst einen Dampferzeuger, eine Luftzerlegungsanlage, eine Rauchgasreinigung sowie Vorrichtungen für die CO2-Abscheidung.

Abhängig vom Erfolg der laufenden Forschungsarbeiten war eine Demonstrationsanlage (250 Megawatt) geplant, die 2015 in Betrieb gehen sollte. Die Pläne sind gegenwärtig gestoppt wegen rechtlicher und finanzieller Restriktionen. Die Arbeiten sind in der COORETEC-Forschungsinitiative über das Verbundprojekt ADECOS (Advanced Development of the coal fired Oxyfuel Process with CO2 Separation) eingebettet.

 

Oxyfuel-Verfahren bilden im EU-Projekts  Enhanced Capture of CO2 (ENCAP) einen Forschungsschwerpunkt.Darüber hinaus ist eine Vielzahl von Oxyfuel-Aktivitäten in das IEA-Netzwerk Oxyfuel Combustion Network integriert.

Weitere wichtige Forschungsarbeiten zu Oxyfuel werden außerhalb der Europäischen Union in Kanada (CANMET-Projekt, 300-Kilowatt-Reaktor) und Japan (1,2-Megawatt-Anlage) durchgeführt. Darüber hinaus wurde 2006 in Australien das Callide-Oxyfuel-Projekt gestartet. Ziel ist das Retrofitting eines bestehenden Kohlekraftwerks mit Oxyfuel-Technik. Das mit öffentlichen Mitteln geförderte Projekt wird von Industrieunternehmen und Forschungsinstituten gemeinsam durchgeführt.

Laufende Projekte zu Oxyfuel

Vorgängerprojekte

ADECOS-ZWSF
Weiterentwicklung und Untersuchung des Oxyfuel-Prozesses mit zirkulierender Wirbelschicht Feuerung auf Realisierbarkeit und Wirtschaftlichkeit
(2010-2012)

ADECOS II
Weiterentwicklung der verfahrens- und anlagentechnischen Grundlagen des Oxyfuel-Prozesses für Braun- und Steinkohlekraftwerke mit CO2-Abscheidung
(2006-2008)

ADECOS
Weiterentwicklung des Oxyfuel-Prozesses für Steinkohle mit CO2-Abscheidung
(2005-2006)

CLOCK
Chemical Looping Combustion von Kohle zur CO2-Abscheidung in atmosphärischen Wirbelschichtreaktoren für einen Dampfkraftprozess
(2009-2012)

OXYCOAL-AC
Entwicklung eines CO2-emissionsfreien Kohleverbrennungsprozesses zur Stromerzeugung
(2004-2007 und 2008-2001)

MEM-OXYCOAL
"Diffusion und Austausch von Sauerstoff in keramischen Membranen und kinetische Stabilität der Membranen"
2008-2012

Bericht zu MEM-OXYCOAL

Bild: IPC, RWTH Aachen

Keramik senkt Energieverbrauch der Luftzerlegung