Techno-economic assessment of hybrid post-combustion carbon capture systems in coal-fired power plants and steel plants

  • Techno-ökonomische Analyse von kombinierten $CO_{2}$ Abscheideverfahren in Kohlekraftwerken und Stahlerzeugungsanlagen

Wang, Yuan; Stolten, Detlef (Thesis advisor); Wirsum, Manfred (Thesis advisor)

Jülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag (2020, 2021)
Buch, Doktorarbeit

In: Schriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt = Energy & environment 534
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (IV, xx, 230 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Die Abscheidung von CO2-Emissionen aus Verbrennungsprozessen wird im Kontext einer globalen Klimagasminderung als unverzichtbare Option gesehen, um den erwarteten treibhausgasbedingten Temperaturanstieg zu vermeiden. Favorisiert für derartige Anwendungen werden derzeit MEA-basierte chemische Absorptionsverfahren, deren Einsatz jedoch sehr energieintensiv ist. Eine weitere vielversprechende Abscheidetechnologie ist der Einsatz von Gaspermeations-membranen. Ihr Einsatz in großtechnischen Anlagen ist allerdings aufgrund der Membraneigenschaften begrenzt. Neben den technischen Restriktionen entscheidet nicht zuletzt die Wirtschaftlichkeit der Verfahren über einen zukünftigen Einsatz. Im Rahmen der Arbeit wird analysiert, inwieweit eine Kopplung bzw. Kombination von MEA-Verfahren und Membrantechnologien (Hybridverfahren) eine Option darstellen könnten. Hierzu werden verschiedene Kombinationsmöglichkeiten sowohl aus technischer als auch ökonomischer Perspektive für die Anwendungsfelder Kohlekraftwerke und Stahlherstellung untersucht. Als mögliche Kombinationsmöglichkeiten werden zwei Hybridverfahren vorgeschlagen, die sich durch die Anordnung und Verschaltung der Einzelverfahren unterscheiden. Dies ist zum einen eine Kombination eines einstufigen Membranprozesses, der dem MEA Verfahren vorgeschaltet ist (Hybrid D1). Zum anderen handelt es sich um einen kaskadierten Membranprozess, der vor einem MEA Prozess angeordnet wird (Hybrid D2). Die technische Analyse basiert auf detaillierten Aspen Plus®-Modellierungen. Zum Vergleich wurde auch der ausschließliche Einsatz von MEA Verfahren und ein kaskadiertes Membransystem analysiert. Als Membranmaterial wird eine Polyactive® Membran angenommen. Die CO2-Abscheidung in einem Steinkohlekraftwerk wurde mit EBSILON® Professional simuliert, um den Kraftwerksbetrieb detailliert darstellen zu können. Auf der Basis einer Pinch Point-Analyse wurde das Potenzial für die Integration von Abwärme zwischen den Abscheidungssystemen und dem Wasser-Dampf-Kreislauf analysiert. Daneben wurden auch Analysen zum Teillastbetrieb eines Kraftwerks durchgeführt. Gegenüber einem Kohlekraftwerk fallen die CO2 Emissionen bei der Stahlerzeugung in einem Hüttenwerk an unterschiedlichsten Stellen an. Das Energienetz und die punktuellen Quellen der CO2-Emissionen innerhalb der Anlage wurden analysiert, um die Randbedingung für die Kohlenstoffabscheidung festzulegen. Für die Wirtschaftlichkeitsanalysen wurde ein eigenes Modell entwickelt, das auf einem Discounted Cashflow-Ansatz basiert. Die Ergebnisse zeigen, dass für einen Kraftwerkseinsatz das Hybrid D1 System im Vergleich mit den anderen untersuchten Verfahren weder energieeffizient noch wirtschaftlich darstellbar ist. Demgegenüber ist festzustellen, dass die Effizienzeinbußen des Hybrid D2 System mit 9,7 %-Punkte gegenüber einem ausschließlich kaskadierten Membraneinsatz deutlich niedriger sind und das Verfahren auch relativ niedrige CO2-Vermeidungskosten (48,8 €/tCO2) aufweist. Auch bei einem Einsatz in einem Stahlhüttenwerk weist das Hybrid D2 System im Vergleich mit allen anderen Verfahren die geringsten CO2-Vermeidungskosten (53,9 €/tCO2) auf. Aber die Unterschiede in den Vermeidungskosten der verschiedenen Erfassungssysteme sind angesichts der Unsicherheit des Kostenmodells unbedeutend. Es ist festzustellen, dass die Wahl der Dampfversorgungsstrategie in einem Hüttenwerk die Wirtschaftlichkeit von CO2-Abscheidungssystemen maßgeblich beeinflusst. Gegenüber einem Kraftwerksprozess besteht bei einem Hüttenwerk die Möglichkeit, unterschiedliche Abscheideverfahren je nach Charakteristik der CO2-Quelle einzusetzen. Die Analysen zeigen, dass dies zu niedrigeren CO2-Vermeidungskosten führt.

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