Kurztitel:
HotVeGas
Förderkennzeichen:
0327773A-L
Themen:
Neue Kraftwerksprozesse
Projektkoordination:
Lehrstuhl für Energiesysteme, TU München
Laufzeit gesamt:
September 2007 bis Dezember 2019

Quintessenz

  • Aufbereitete Brennstoffe werden flexibel zur Stromerzeugung oder als Industrierohstoff nutzbar.
  • Modelle und Komponenten werden für optimierte Flugstromvergasungs- und Gasreinigungsprozesse weiterentwickelt.
  • Die HotVeGas-Brennstoffdatenbank liefert umfangreiche Grundlagen für die künftige Vergaserauslegung.

Viele Festbrennstoffe lassen sich in Hochtemperaturprozessen zu Gas aufbereiten, das effizient in IGCC-Kraftwerken (Integrated Gasification Combined Cycle) genutzt werden kann oder als Rohstoff für synthetische Kraftstoffe dient. Heimische, erneuerbare und fossile Brennstoffe sowie industrielle Reststoffe gewinnen dadurch an Verwendungsmöglichkeiten und Wert. Das Forschungsprojekt HotVeGas liefert die notwendigen Grundlagen für die langfristige Entwicklung zukünftiger, hocheffizienter Hochtemperaturvergasungsprozesse mit integrierter Heißgasreinigung und optionaler CO2-Abscheidung.

Projektkontext

Die Feststoffvergasung erweitert die Verwendungsmöglichkeiten heimischer, erneuerbarer und fossiler Festbrennstoffe (Braunkohle, Biomasse), sowie von Reststoffen aus industriellen Prozessen. Bei stofflicher Nutzung des erzeugten Gases können nachhaltige Chemie- und Kraftstoffe kostengünstig und importunabhängig produziert werden. Als Brennstoff für flexible Gaskraftwerke auf der Basis der IGCC-Technologie, gleicht das Gas die fluktuierende Einspeisung erneuerbarer Energien in der zukünftigen Energieversorgung aus. IGCC-Kraftwerke besitzen einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Brennstoffflexibilität, sowie die Möglichkeit einer effektiven CO2-Abscheidung. Auch Überschussstrom lässt sich mittels Elektrolyseeinheit integrieren. Nachteilig sind die hohen Investitionskosten und eine vergleichsweise geringe Verfügbarkeit aufgrund des komplexen Vergasungsprozesses. Daher besteht Forschungsbedarf zur Komponenten- und Prozessoptimierung, um das mittel- und langfristige Potential der Vergasungstechnologie zu verbessern.

Forschungsfokus

Die Forschungsarbeiten führen in erster Linie zu neuen Erkenntnissen über die Reaktionskinetik der Flugstromvergasung verschiedenster Festbrennstoffe bei hohen Temperaturen und Drücken, sowie zum Verhalten der entsprechenden Spurenstoffe und Mineralien. Dies ist eine wichtige Grundlage für die Dimensionierung und den Betrieb zukünftiger IGCC-Kraftwerke mit hoher Effizienz und hoher Flexibilität. Minderwertige und leicht verfügbare Brennstoffe zu nutzen, führt zu wirtschaftlichen Vorteilen. Ist es möglich, weitere Effizienzpotentiale der IGCC-Technologie und der Heißgasreinigung zu erschließen, wird zudem die Ausnutzung der vorhandenen Ressourcen gesteigert und die damit verbundenen Emissionen werden deutlich reduziert. Die Wissenschaftler entwickeln neue Kraftwerkskonzepte und -komponenten sowie Modelle zur Simulation und Auslegung von Hochtemperaturvergasungs- und Gasreinigungsprozessen. Die Forschungsschwerpunkte lassen sich in die folgenden Arbeitsbereiche einteilen:

  • Experimentelle Untersuchungen der Vergasungsreaktionen unter großtechnisch relevanten Bedingungen an Versuchsanlagen
  • Experimentelle Untersuchungen des Asche- und Schlackeverhaltens
  • Aufbau einer Brennstoffdatenbank zur Reaktionskinetik sowie einer Datenbank zur Modellierung thermochemischer und thermophysikalischer Eigenschaften von Aschen und Schlacken
  • Entwicklung und Validierung von CFD-Modellen zur Abbildung der Strömung, Reaktionen und Wärmeübertragung in Flugstromvergasungsreaktoren
  • Untersuchungen zu Aschereaktionen bei höchsten Temperaturen und bei Abkühlung sowie zur Heißgasreinigung
  • Gesamtprozessbetrachtungen zur Analyse des Wirkungsgradpotentials verschiedener flexibler Konzepte für IGCC-Kraftwerke mit und ohne CO2-Abscheidung, sowie wirtschaftliche Untersuchungen durch Kopplung mit Energiesystemsimulationen.
Die in-situ Messtechnik ELIF wird eingesetzt, um Spurenstoffkonzentrationen von Natrium und Kalium zu bestimmen.

Die in-situ Messtechnik ELIF wird eingesetzt, um Spurenstoffkonzentrationen von Natrium und Kalium zu bestimmen.

Innovation

Ein wesentlicher Vorteil der IGCC-Technologie besteht darin, dass neben Strom auch synthetische Energieträger wie Wasserstoff, Methan, Methanol oder flüssige Kraftstoffe erzeugt werden können. Der flexible Betrieb eines IGCC-Kraftwerks im Rahmen der Randbedingungen des deutschen Energiesystems – stoffliche und energetische Nutzung (Polygeneration) – stellt ein neues und innovatives Konzept dar.

Heute betriebene IGCC-Kraftwerke erreichen elektrische Wirkungsgrade von ca. 45 Prozent. Ausgehend vom Stand der Technik können neue IGCC-Kraftwerke ohne CO2-Abtrennung mit einem elektrischen Wirkungsgrad von circa 50 Prozent geplant werden. Mittelfristig lassen sich sogar elektrische Wirkungsgrade von 55 Prozent erreichen, wenn die klassischen Einzelkomponenten und das IGCC-Gesamtkonzept weiter optimiert werden. Darüber hinaus besteht langfristig über das Jahr 2020 hinaus ein erhebliches Potential durch Entwicklung integrierter Vergasungs- und Heißgasreinigungsprozesse, die bereits heute initiiert werden müsste.

Meilensteine und Erfolge

In der ersten Phase lag der Fokus auf dem grundlegenden Vergasungsverhalten von Festbrennstoffen und den Anforderungen für eine integrierte Heißgasreinigung. Die Projektpartner bauten dazu verschiedene Versuchsanlagen auf und schufen ausführliche technische Grundlagen. In Phase zwei betrachteten sie darüber hinaus die Modell- und Komponentenentwicklung für Flugstromvergaser und Gasreinigung. Weiterhin wurde untersucht, wie sich Vergasungskraftwerke für die geforderten flexiblen Betriebsweisen eignen. Denn mit zunehmendem Anteil von erneuerbaren Energien wird der Volllastanteil von konventionellen Kraftwerken sinken und die Zahl der Lastwechsel steigen. Die untersuchte Flexibilität bei der Feststoffvergasung bezieht sich auch auf die genutzten Brennstoffe und mögliche Syntheseprodukte (zum Beispiel Kraftstoffe oder chemische Rohstoffe) – als Alternative zur Stromerzeugung. Bei der aktuellen dritten Phase des insgesamt über einen Zeitraum von mehr als 12 Jahren andauernden Verbundforschungsvorhabens liegt der Fokus auf dem Aufbau einer Brennstoffdatenbank. Sie soll als Grundlage für eine künftige Vergaserauslegung dienen. Weiterhin werden die zuvor erarbeiteten mathematischen Modelle validiert und für die Vergaseroptimierung nutzbar gemacht. Als letzter Meilenstein werden die Ergebnisse in wirtschaftlicher Hinsicht betrachtet und im Kontext der Energiewende analysiert.

Letzte Aktualisierung: 20.12.2018

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