Verfahrensentwicklung für SOFC-Hybridkraftwerke mit integrierter Kohlevergasung

Kurzfassung

Bis zum Erreichen einer nachhaltigen Energieversorgung gilt es die Effizienz bei der Stromerzeugung aus fossilen Energieträgern zu verbessern und Lösungen für die CO2-Rückhaltung zu finden. Brennstoffzellen-Hybridkraftwerke mit integrierter Kohlevergasung versprechen das Potential, sowohl hohe Kraftwerkswirkungsgrade zu erzielen als auch effiziente Möglichkeiten zur CO2-Abtrennung zu bieten. Sie sind Gegenstand der Untersuchung in der vorliegenden Arbeit. Bei den entwickelten Systemen wird auf der bewährten Technologie der Gas- und Dampfturbinenkraftwerke mit integrierter Kohlevergasung (IGCC) aufgebaut und eine Hochtemperaturbrennstoffzelle SOFC vom ähnlichen Entwicklungsstand als Vorschaltstufe für den Gas- und Dampfturbinen-Block integriert. Neben diesem Basiskonzept werden unter Verwendung unterschiedlicher Prozesstechniken und Prozessführungen weitere zwölf Konzeptvarianten mit und ohne CO2-Rückhaltung entwickelt. Die Modelle der für die Konzepte notwendigen Baugruppen und Komponenten auf dem Stand der Technik werden erstellt und mit guter Genauigkeit verifiziert. Als Referenzkraftwerke dienen ein IGCC und ein IGCC mit CO2-Rückhaltung. Die Referenzkraftwerksmodelle zeigen sehr gute Übereinstimmung mit veröffentlichten Daten. Nach der Integration einer SOFC werden zunächst grundlegende Systembetrachtungen und Sensitivitätsanalysen anhand vereinfachter Teilprozesse durchgeführt, um allgemeine Aussagen und Tendenzen zu gewinnen und optimale Randbedingungen für die Gesamtsystem zu ermitteln. Die Simulationen ergeben, dass die Prozessgasaufbereitung durch einen Wasser-Gas-Shift-Reaktor vor der SOFC vorteilhaft für den Wirkungsgrad ist. Wird eine CO2-Rückhaltung vorgesehen, werden 11 bis 16% niedrigere Nettowirkungsgrade erzielt. Maßgeblichen Einfluss auf die Höhe der spezifischen CO2-Emissionen haben der Nettowirkungsgrad der Anlagen und der Anteil des als CO2 gebundenen Kohlenstoffs am Eintritt in den CO2-Abtrennprozess. Die anschließenden Simulationen der entwickelten SOFC-Hybridkraftwerke mit integrierter Kohlevergasung mit optimierten Randbedingungen ergeben, dass einige Konzepte bei prozesstechnisch optimaler Integration der SOFC höhere Wirkungsgrade und niedrigere spezifische CO2-Emissionen als die Referenzkraftwerke aufweisen. Das Vorsehen von Brenngas-Bypässen zur Ertüchtigung des Gasturbinenprozesses stellt sich hierbei als besonders effektiv heraus. Das Basiskonzept mit Bypass um die SOFC hat mit 45; 23% den höchsten Nettowirkungsgrad. Die Variante mit Wasser-Gas-Shift-Reaktor, CO2-Abtrennung und Bypassbeginn vor der SOFC hat mit 0,102 kg/kWhel die niedrigsten spezifischen CO2-Emissionen bei einem um knapp 7%-Punkten niedrigeren Nettowirkungsgrad als das Basiskonzept. Des Weiteren existieren Kompromisslösungen mit relativ hohem Nettowirkungsgrad bei gleichzeitig relativ niedrigen CO2-Emissionen.