CO₂-Kompressoren

Im emissionsreduzierten Kraftwerk der Zukunft werden neben den Hauptkomponenten Gas- und Dampfturbine auch spezielle Turbomaschinen von Bedeutung für die Luftzerlegung und Kompression von Kohlendioxid in CO₂-Abscheide- und Einspeicheranlagen sein.

Der Grund: Diese Turbomaschinen bestehen aus Kompressoren und gegebenenfalls ihren Turbinenantrieben. Dabei stehen zwei Aspekte im Vordergrund:

• Für die großen, in Kraftwerken mit CO₂-Abscheidung zu komprimierenden Mengen sind neue, größere Typen von Kompressoren und Antriebsdampfturbinen zu entwickeln.
• Zur Einführung der CO₂-Abscheidung muss ihr hoher Energiebedarf signifikant gesenkt werden. Turbomaschinen verbrauchen prozessbedingt den Hauptanteil dieser Energie und müssen daher hinsichtlich der Senkung ihres Energieverbrauchs weiterentwickelt werden.

Für die Erstverdichtung der großen CO₂-Mengen am Kraftwerk werden neu zu entwickelnde Verdichter axialer Bauart benötigt. Für den Transport des CO₂ vom Kraftwerk zum Speicher kommen Kompressoranlagen radialer Bauart in Frage. Zur Bewältigung der CO₂-Mengen werden künftig allerdings noch größere Anlagen erforderlich sein. Zudem muss ihr Wirkungsgrad deutlich steigen. Derartige Verdichter benötigen sehr hohe Drücke. Die lassen sich durch mehrere Radialstufen realisieren, die um ein Getrieberad angeordnet sind. Auf diese Weise kann jeder Verdichter in seinem optimalen Arbeitsbereich betrieben werden.

In einem aktuellen Projekt wird CO₂ aus einem Kraftwerk in North Dakota (USA) nach Weyburn, Saskatchewan (Kanada) geleitet, wo es zur Erhöhung des Förderdruckes in Erdölfelder eingebracht wird. Selbst Anlagen solcher Größe werden für die zukünftigen Kraftwerke nicht groß genug sein und größer sowie leistungsfähiger ausgelegt werden müssen. Daraus ergeben sich neue Herausforderungen an die Entwicklung der Stufen und der Rotordynamik der Gesamtanlage.

Derartige am Kraftwerk betriebene Anlagen zur Erstverdichtung von CO₂ werden von Dampfturbinen angetrieben. Jene Verdichter, die in speziellen Förderstationen der Transportpipeline das CO₂ weiter transportieren, werden hingegen von Industriegasturbinen angetrieben. Beide Turbinentypen müssen sich dem Förderstrom  entsprechend in einem weiten Leistungsbereich regeln lassen. Darüber hinaus müssen die Anlagen ausgesprochen zuverlässig sein, da die Verdichter-Förderstationen weit abgelegen sein können. Vor-Ort-Einsätze von Technikern wären teuer und aufwändig. Aus diesem Grund sollten sich die Verdichter durch lange Wartungsintervalle auszeichnen.

MAN Diesel & Turbo SE fertigt Gas- und Dampfturbinen als Antriebsmaschinen, etwa für Kompressoren, und ist Mitglied in der AG Turbo. Seitdem sich unter der Abkürzung COORETEC die Arbeiten der AG Turbo-Verbundforschung mehr und mehr der CO₂- Problematik widmen, bringt MAN sein Know-how auf dem Gebiet der Kompressoren und der kleineren Turbinen als Antriebsmaschinen ein, denn diese Produkte eignen sich zur Verdichtung und zum Transport von Gasen jeglicher Art, daher auch von CO₂.

Wenn in den Kraftwerken zukünftig das Verbrennungsprodukt CO₂ etwa über eine Gaswäsche oder eine Membrantechnologie abgeschieden wird, muss es entweder einer weiteren Nutzung zum Beispiel in der Kunststoffindustrie zugeführt oder aber getrennt von der Atmosphäre gelagert werden. Möglichkeiten zur CO₂-Speicherung gibt es in Deutschland in den erschöpften Gasfeldern Norddeutschlands, oder in tiefen, Salzwasser führenden Schichten, den Aquiferen.

CO₂ verdichten, über mehrere Hundert Kilometer transportieren und dann in große Tiefen einbringen ist Teil eines Projekts in Nordamerika, an dem MAN beteiligt ist. Dabei wird das bei der derzeit weltweit einzigen industriellen Kohlevergasungsanlage in North Dakota, USA, anfallende CO₂ über Rohrleitungen zu Ölfeldern im Kanadischen Weyburn in der Provinz Saskatschewan gepumpt. Hier dient es dann – in die Lagerstätten gepresst – dazu, den Erdölförderdruck zu erhöhen und somit eine bessere Ausbeute und längere Lebensdauer der Ölfelder zu erreichen. Die CO₂-Pipeline ist 370 Kilometer lang und hat einen Rohrdurchmesser von 356 Millimeter. MAN lieferte die Getriebekompressoren zur Verdichtung.

Forschende Organisation: MAN Diesel & Turbo SE

Entwicklung innovativer Verdichtungs-Technologien für hoch kompressible, korrosive Gase (CO₂) mit hohen spezifischen Massenströmen und geringen spezifischen Volumenströmen
Förderkennzeichen: 0327752D
Projektlaufzeit: 01/2011 - 06/2014 (Abgeschlossen)

Anlagentechnik und Automatisierung von CCS-Strängen
Förderkennzeichen: 0327718J
Projektlaufzeit: 01/2011 - 07/2014 (Abgeschlossen)

Teillastverhalten von Regelventilen in Einströmgehäusen von Kompressorantriebsturbinen
Förderkennzeichen: 0327718U
Projektlaufzeit: 12/2010 - 05/2014 (Abgeschlossen)

Kontur- und Spieloptimierung der Hochdruck-Beschaufelung von Kompressor-Antriebsturbinen
Förderkennzeichen: 0327719K
Projektlaufzeit: 01/2011 - 12/2013 (Abgeschlossen)

Optimierung großer Mehrwellenkompressoren für CCS-Anwendungen
Förderkennzeichen: 0327718V
Projektlaufzeit: 01/2011 - 12/2014 (Abgeschlossen)

Hocheffiziente Kompressoren für das CO₂-freie Kraftwerk: Hochschluckfähige Radialstufen
Förderkennzeichen: 0327715J
Projektlaufzeit: 05/2008 - 10/2012 (Abgeschlossen)

Kompressoren für das CO₂-freie Kraftwerk: Hocheffiziente Spiralgeometrie
Förderkennzeichen: 0327716E
Projektlaufzeit: 01/2008 - 06/2012 (Abgeschlossen)

Hocheffiziente Kompressoren für das CO₂-freie Kraftwerk: 3-D Rückführbeschaufelung
Förderkennzeichen: 0327715O
Projektlaufzeit: 01/2008 - 05/2012 (Abgeschlossen)

CO2-Reduktion durch Effizienzsteigerung; Expansion; Vorhaben: Optimierte Entnahme-/Zudampf-Module bei Kompressorantrieben
Förderkennzeichen: 0327717A
Projektlaufzeit: 03/2009 - 08/2012 (Abgeschlossen)

Entwicklung von Mehrwellenverdichtern und Schraubenverdichtern für die energieoptimierte CO2-Verdichtung in Kraftwerken mit CO₂-Abscheidung
Förderkennzeichen: 0327717F
Projektlaufzeit: 06/2009 - 12/2012 (Abgeschlossen)

Entwicklung einer transsonischen Prozessverdichterfamilie für CO₂-freie Stromerzeugungsprozesse und zukünftige Kraftstofferzeugungsprozesse
Förderkennzeichen: 0327752B
Projektlaufzeit: 10/2008 - 12/2013 (Abgeschlossen)