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Abb. 20: IGCC-Kraftwerk Puertollano in Spanien.
© Siemens AG

Abb. 21: Prinzipschema eines IGCC-Prozesses (CO-Shift nur für IGCC-CCS Kraftwerke).
© TU Freiberg

Abb. 22: Möglichkeiten zur Erzeugung von Chemikalien und Kraftstoffen aus kohlestämmigem Systhesegas.
© TU Freiberg

Abb. 23: Übersicht zu früheren und existierenden IGCC- und Polygeneration-Kraftwerken ohne Anspruch auf Vollständigkeit (SK = Steinkohle, PK = Petrolkoks, EG = Erdgas, SÖ = Schweröl; * Wirkungsgrad auf Basis Brennwert).
© TU Freiberg
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Kohlekraftwerke mit Vergasung

Bei einem Kohlekraftwerk mit Vergasung wird Kohle nicht direkt verbrannt, sondern zuerst in ein brennbares Gas umgewandelt. Dieses Gas lässt sich dann in einem kombinierten Gas- und Dampfturbinenblock zur Stromerzeugung nutzen. Bekannt ist diese Technologie als IGCC-Kraftwerk (Integrated Gasification Combined Cycle).

Das IGCC-Kraftwerk ist der am weitesten in Richtung Marktreife entwickelte Prozess für Kombikraftwerke mit Kohle. Den umgewandelten Energieträger im gasförmigen Zustand zu verbrennen, bietet zahlreiche Vorteile: Bei Einsatz heute verfügbarer Technologie ist ein Wirkungsgrad von ca. 50% erreichbar und aufgrund der IGCC-typischen Gasreinigung und -aufbereitung sind die Schadstoffemissionen deutlich niedriger als in konventionellen Anlagen. Der Prozess bietet günstige Bedingungen zur CO2-Abtrennung vor der Verbrennung und kann auch zur Herstellung von Kraftstoffen oder Basischemikalien genutzt werden. Allerdings sind IGCC-Kraftwerke sehr komplex im Aufbau. Wegen wirtschaftlicher Barrieren und weiteren technologischen Entwicklungsbedarfs existieren bisher erst einige Demonstrationskraftwerke in verschiedenen Ländern.

Aufbau

Die Hauptkomponenten bzw. Verfahrensschritte eines IGCC-Kraftwerkes umfassen:

  • Kohleaufbereitung inkl. Trocknung
  • Luftzerlegungsanlage
  • Gasinsel bestehend aus Vergaser und Gasaufbereitung
  • GuD-Block für die energetische Nutzung des Brenngases


Während die Kohleaufbereitung die gleichen Aufgaben wie bei konventionellen Kraftwerken erfüllt, ist für IGCC-Kraftwerke eine Luftzerlegungsanlage (LZA) dann erforderlich, wenn bei der Vergasung technischer Sauerstoff als Vergasungsmittel eingesetzt wird. Der als Nebenprodukt entstehende Stickstoffwird bei trockenem Kohleeintrag in den Vergaser als Fördergas und zur Bespannung des Einspeisesystems verwendet. Daneben dient der Stickstoff zum Spülen/Pulsen von Filtern zur Flugascheabtrennung und zur Verdünnung des Brenngases für den Einsatz in der Gasturbine. Alternativ kann die Kohle als Suspension mit Wasser (Slurry) in den Vergaser gebracht werden.

Vergasung und Gasaufbereitung

Die Gasinsel umfasst den Vergaser und die nachfolgende Gasaufbereitung zur Einstellung bestimmter Gasqualitäten. Im Vergaser wird die Kohle (der Vergasungsstoff) durch unterstöchiometrische Zufuhr von Luft oder Sauerstoff und ggf. Dampf (Vergasungsmittel) in ein brennbares Gas aus den Hauptkomponenten H2 und CO umgewandelt. In existierenden IGCC-Kraftwerken und für neue Anlagen, bei denen Chemikalien oder Kraftstoffe aus kohlestämmigem Brenn- bzw. Synthesegas erzeugtwerden, dominieren sog. Flugstromvergasungsverfahren.

Nach der Vergasung folgen unterschiedliche Gasaufbereitungsprozesse, bei denen neben eventuell vorhandenen Teer- und Alkalispuren, Staub und vor allem Schadstoffe, wie z. B. H2S zur Vermeidung unzulässig hoher SOx-Emissionen, mit chemischen bzw. physikalischen Waschmitteln entfernt werden. Bei IGCC-Kraftwerken mit CO2-Abtrennung beinhaltet die Gasaufbereitung zusätzliche Schritte zur Gaskonditionierung. Dabei wird alles im Gas enthaltene CO unter Zugabe von Wasserdampf in einer CO-Konvertierungsstufe, der sogenannten CO-Shift, in CO2 und H2 gewandelt. Das danach im Gas enthaltene CO2 liegt in sehr hoher Konzentration vor und kann mit vergleichsweise geringem Aufwand mithilfe chemischer oder physikalischer Wäschen absorptiv aus dem Gas abgetrennt werden. Diesen Prozess für ein CO2-freies Kohlekraftwerk nenntman Pre-combustion-carbon-capture. Damit steht nach der Gasaufbereitung für die Verbrennung in der Gasturbine entweder ein gereinigtes Rohgas oder ein wasserstoffreiches Gas zur Verfügung. Da Wasserstoff bzw. Synthesegas von Erdgas deutlich abweichende Eigenschaften aufweisen, ist nach heutigem Stand die Verdünnung mit Stickstoff notwendig, um zu hohe NOx-Emissionen bei der Verbrennung zu vermeiden. Durch Weiter- und Neuentwicklungen von Gasturbinen-Brennern sollen die mit der Wasserstoffverbrennung verbundenen Probleme zukünftig überwunden werden. Für den Betrieb mit CO2- Abtrennung ist mit Wirkungsgradverlusten von 11 bzw. 10,2 %-Punkten zu rechnen.

Einsatz von IGCC-Kraftwerken

IGCC-Kraftwerke sind in Aufbau und Betrieb komplexer als konventionelle Kohlekraftwerke, weniger erprobt und durch höhere Stromgestehungskosten gekennzeichnet. Aufgrund der ggf. starken Integration der Anlagenteile untereinander können reine IGCC-Kraftwerke vorrangig zur Grundlaststromerzeugung eingesetzt werden.

Neben dem Kraftwerksprozess besitzt die IGCC-Technologie ein großes Potenzial zur synthetischen Herstellung von Kraftstoffen und chemischen Basischemikalien. Aufgrund der vergleichbaren Prozesskette von Gaserzeugung und -aufbereitung mit Syntheseanlagen ist die kombinierte stoffliche und energetische Kohlenutzung (sogenannte Polygeneration-Kraftwerke) eine Alternative zum einfachen IGCC-Kraftwerk. Die Prozesskette ähnelt dabei dem IGCCCCS- Kraftwerk. Abb. 22 zeigt typische Synthesen mit ihren Produkten, den Reaktionsbedingungen und den erforderlichen H2:CO-Verhältnissen. Je nach Integration von Synthese- und Kraftwerkblöcken können in Polygeneration- Kraftwerken Synergien bzgl. der Bereitstellung von Prozessdampf oder der Nutzung von Abwärme realisiert werden. Außerdem verringert sich die CO2-Menge, weil ein großer Teil des Kohlenstoffs im Syntheseprodukt gebunden wird. Durch die Erzeugung von mehreren Produkten und die kontinuierlichere Nutzung der Gasaufbereitungsanlage verbessert sich die Wirtschaftlichkeit.

Ausblick

Eine weitere Optimierung und Leistungssteigerung der IGCC-Technologie ist möglich. COORETEC verfolgt folgende Ansätze: Neue Vergasungsverfahren entwickeln, z. B. durch die Entwicklung der Hochtemperaturgasreinigung, der Flugstromvergasung und neuer Verfahren für minderwertige Kohle (Projekte: HOTVEGAS, COORVED). Software- Werkzeuge für die Modellierung und Simulation von innovativen IGCC-Prozessen bereitstellen, z. B. für die energetische und ökonomische Optimierung sowie für neuartige Ansätze der Abhitzenutzung, der Hochtemperaturgasreinigung, der Luftzerlegung oder Gasaufbereitung (Projekte: HOTVEGAS, TEIMAB, COORAMENT). Auch Konzepte für Polygeneration-Kraftwerke mit der Option der lastwechselflexiblen Stromerzeugung bleiben ein Thema (Projekt: Kohleverstromung durch Polygeneration). Im Mittelpunkt zweier 2009 gestarteter Initiativen der Grundlagenforschung stehen u. a. neue Konzepte zur stofflichen Kohle- und Biomassenutzung (Initiativen: ZIK VIRTUHCON, Deutsches Energierohstoff-Zentrum Freiberg). Eine längere Version des Beitrags ist bei der elektronischen Ausgabe dieses BINE-Themeninfos auf www.bine.info zu finden.

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