Energetische und wirtschaftliche Optimierung eines membranbasierten Oxyfuel-Dampfkraftwerkes

Nazarko, Jewgeni; Scherer, Viktor; Stolten, Detlef

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-040198

Energetische und wirtschaftliche Optimierung eines membranbasierten Oxyfuel-Dampfkraftwerkes = Energy and economic optimization of a membrane-based oxyfuel steam power plant

Nazarko, Jewgeni

2015

VerantwortlichkeitsangabeYevgeniy Nazarko

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich, Zentralbibliothek 2015

UmfangIV, 337 S. : Ill., graph. Darst.

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich : Reihe Energie & Umwelt ; 269

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Stolten, Detlef (Thesis advisor) ; Scherer, Viktor (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-04-30

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-040198
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/481046/files/481046.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Brennstoffzellen (FZ Jülich) (413010)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; CCS (frei) ; CO2-Abtrennung (frei) ; co2 capture (frei) ; Oxyfuel (frei) ; Oxy-Vac-Jül (frei) ; Oxy-Vac-Juel (frei) ; Membran (frei) ; membrane (frei) ; Kraftwerk (frei) ; power plant (frei) ; Optimierung (frei) ; optimization (frei) ; Stromgestehungskosten (frei) ; levelized costs of electricity generation (frei) ; LCOE (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die CO2-Abtrennung mit anschließender Speicherung ist eine technologische Option zur Reduzierung von CO2-Emissionen. Der Oxyfuel-Prozess basiert auf der Verbrennung fossiler Brennstoffe in einer Sauerstoff-Rauchgas-Atmosphäre mit nachfolgendem Aufkonzentrieren des CO2. Der Sauerstoff wird durch die kryogene Luftzerlegung mit einem Energiebedarf von 245 kWhel/tO2 gewonnen. Die Anwendung der Keramikmembranen hat das Potential, den spezifischen Energiebedarf der Sauerstoffbereitstellung bei gleichbleibend hoher Sauerstoffreinheit zu verringern. Diese Arbeit fokussiert sich auf die • Ermittlung der Effizienz eines heute baubaren fortschrittlichen Oxyfuel-Dampfkraftwerkes unter Einsatz von Membranen für die Sauerstofferzeugung • Untersuchung und Quantifizierung der Potentiale der energetischen Optimierung des Gesamtprozesses durch die Änderung seiner Ablaufstruktur • Beurteilung der Umsetzbarkeit einzelner Optimierungsoptionen auf der Grundlage ihrer Investitionskosten unter Marktbedingungen.Für diese Arbeit wird das von der Forschungszentrum Jülich GmbH entwickelte und am 25.04.2012 unter EP 2214806 patentierte Verfahren ausgewählt. Das Oxy-Vac-Jül-Konzept wird ins Oxyfuel-Dampfkraftwerk mit einfacher Prozessführung und standardisierten Kraftwerkskomponenten integriert. Der Nettowirkungsgrad des Basiskraftwerkes beträgt 36,6 %-Punkte beim Sauerstoffabtrenngrad von 60 %. Dies entspricht einem Nettowirkungsgradverlust von 9,3 %-Punkten gegenüber dem Referenz-Kraftwerk ohne CO2-Abtrennung. Derspezifische Elektrizitätsbedarf dieser Sauerstoffbereitstellung liegt bei 176 kWhel/tO2.Um den Wirkungsgrad zu steigern, wird die Ablaufstruktur des Basiskraftwerkes unter Verwendung von großtechnisch verfügbaren Komponenten der Kraftwerks- und Verfahrenstechnik optimiert. Die 22 untersuchten Optimierungsoptionen bestehen aus der Designoptimierung des Gastrennprozesses, der Modifikation der Rauchgasrückführung und der anlageninternen Abwärmenutzung. Der energetische Vorteil gegenüber dem Basiskraftwerk liegt je nach Optimierungsoption zwischen 0,05 %-Punkten und 1,00 %-Punkt. Für jede Optimierungsoption werden die Größe und Kosten der Kraftwerkskomponenten berechnet.Die Optimierungsoptionen werden durch einen investitions-, wirkungsgrad- und leistungsbezogenen Faktor bewertet. Der Bewertungsfaktor für den Großteil der Optimierungsoptionen beträgt 20 bis 54 EUR/kWBrutto je %-Punkt Wirkungsgradsteigerung. Die Stromgestehungskosten dieser Optimierungsoptionen liegen zwischen 2,7 und 7,3 Euro-Cent/kWhel. Die Untersuchungsergebnisse dieser Arbeit bieten eine Grundlage für Entscheidungen über die Anwendung der Optimierungsoptionen im CO2-armen membranbasierten Oxyfuel-Kraftwerk.

Carbon capture and storage is one technological option for reducing CO2 emissions. The oxyfuel process is based on the combustion of fossil fuels in an oxygen-flue gas atmosphere with the subsequent concentration of CO2. The oxygen is produced by cryogenic air separation with an energy demand of 245 kWhel/tO2. The application of ceramic membranes has the potential to reduce the specific energy demand of oxygen supply with consistently high-purity oxygen.This work focuses on • determining the efficiency of an advanced oxyfuel steam power plant that can be constructed today using membranes for oxygen production, • investigating and quantifying the potential for energy optimizing the overall process by changing its flow structure, • assessing the feasibility of individual optimization options based on their investment costs under market conditions.For this work, a method developed by Forschungszentrum Jülich and patented on 25 April 2012 under EP 2214806 is used. The Oxy-Vac-Jül concept is integrated into the oxyfuel steam power plant with simple process management using standardized power plant components. The net efficiency of the base power plant is 36.6 percentage points for an oxygen separation degree of 60 %. This corresponds to a net power loss of 9.3 percentage points compared to the reference power plant without CO2 capture. The specific electricity demand of this oxygen supply method is 176 kWhel/tO2. To increase the efficiency, the flow structure of the base power plant is optimized using industrially available components from power plant and process engineering. The 22 analyzed optimization options consist of design optimization of the gas separation process, the modification of the flue gas recirculation and the plant-internal waste heat utilization. The energetic advantage over the base power plant, depending on the optimization option, ranges from 0.05 - 1.00 percentage points. For each optimization option, the size and cost of the power plant components is calculated.The optimization options are assessed using an investment, efficiency and power-related factor. The assessment factor for the majority of optimization options is € 20 - 54 / kWgross per percentage point of increase in net efficiency. The levelized costs of electricity generation (LCOE) for these optimization options are € 0.027 - 0.073 / kWhel.The results of this study provide a basis for decisions on the application of optimization options in low-CO2 membrane-based oxyfuel power plants.

OpenAccess:
PDF
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