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LUATLehrstuhl für Umweltverfahrens-technik und AnlagentechnikUniv.-Prof. Dr.-Ing. habil.Klaus Görner
Folie 1
ef.RuhrUniversitäten
BochumDortmundDuisburg-Essen
WorkshopEnergieversorgung von morgen aus der Sicht von Schlesien und Nordrhein-West-falen
Power Plant Technology in Germany and Nordrhein-West-phalia28. 06. 2010MWMEDüsseldorf
Network Power Plant Technology
WorkshopEnergieversorgung von morgen aus der Sicht
von Schlesien und Nordrhein-Westfalen28. Juni 2010, MWME, Düsseldorf, Germany
Klaus GörnerUniv.-Prof. Dr.-Ing. habil.
University of Duisburg-Essen - LUATEnvironmental Process Engineering and Plant Design
ef.Ruhr (Energy Research Ruhr)
- Network Power Plant Technology
Power Plant Technology in
Germany and NRW
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Network Power Plant TechnologyTopics
Actual situation
Challengesfor power producersfor the manufacturers / suppliers
ProjectsState-of-the-art-technologyPower plant projectsCCS: research projectsCCS: industrial projects - pilot scaleCCS: industrial projects - EU demo projects
Conclusions
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Network Power Plant Technology
Actual Actual SituationSituation
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Network Power Plant Technology
In the energy sector the EU is active with 4 strategies
Intelligent use of energy- without reduction in quality of life- increase of efficiency in all sectors
CO2-lean energy/power production- in all power ranges- with all technologies
Use of nuclear power
Renewable energies- in all power ranges- with all technologies
We have to use the complete primary energy and technology portfolio.Not: Renewables Fossils
Centralized Decentralized productionBecause: Electrical grid is joining element and bottle nec
Actual situation
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Network Power Plant TechnologyActual situation
Situation in Germany: Renewable energies are favoured and will form an essential part of the power production in the future
Renewable energies
Coal and gas
Nuclear power
With CCS, if accepted
and economic
Source: RWE, Lambertz, 2010
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Network Power Plant Technology
CO2 emissions in 2007 from the energy sectorfor some regions resp. countries
Actual situation
Region / Country CO2 Emissions
World 30.892.000.000 t
USA 6.575.000.000 t
Asia and Oceania 12.020.000.000 t
China 6.389.000.000 t
Europe 4.615.000.000 t
Germany 861.000.000 t
Source: BMWi, 2008
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Network Power Plant Technology
CO2 emissions in Germany in 2007 from different sources
42,5%
20,1%
13,6%
12,1%
6,1% 5,5%
energy sectortraffichouseholdsmanufacturing commercerestsmall consumers
CO2 emissionen / energy sector / Germany / 2007:
368,475,000 t CO2/a
for comparison:
CO2 emissions / 600 MW power plant / hard coal / base load
4,000,000 t CO2 /a = 4 Mt CO2/a
CO2 emissions / energy sector / Germany / 2007 / roughly:
400,000,000 t CO2/a = 400 Mt CO2/a
Actual situation
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Network Power Plant Technology
Quelle: e.on, Fischer, IZ Klima-Konferenz 2009
IEA reference scenario 4.2
EU aim „ambitious“(basis 1990 -30 %)
and ZEP 2008
EU aim (basis 1990 -20 %)
Aims for EU emissionsin 2030
Energy efficiency 0.5
0 2.5 3.0 3.5 4.0
Renewables 0.2
Other measures 0.3
IEA scenario „alternativepolitics“ and CCS
2.8
IEA scenario „alternative politics“ 3.2
CCS potential 0.4
30 % reduction
CO2 emissions in the EU [Gt CO2 equivalent / a]
400 Mt/ais equivalent to theemissions from the
energy sectorin Germany
CCS – carbon capture and storage potentials
Actual situation
4,200 Mt/a
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Network Power Plant Technology
Increase of efficiency• Protection of fuel resources• Direct reduction of specific CO2 emissions per kWhel
• Classical „non regret“ strategy
Possibilities for the reduction of CO2 emissions in power generation
Changeover in fuel (coal to gas)• Reduction of specific CO2 emissions per kWhel
• Geostrategic critical resource allocation• Change in the energy mix (security in energy supply)
CCS• Aim is the reduction in CO2 emissions by 90 % • Suitable for new and (partially) for old plants• Technical process chain can be handled• Administrative permissions and acceptance by the public
are an issue
Actual situation
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Network Power Plant Technology
Increase of efficiency
CO
2em
issi
ons
per k
Wh e
l
Source: VGB Figures Facts 2009-2010
referencepower plant
NRW
net efficiency: 45 %spec. CO2 emissions: 743 g/kWhelcoal consumption: 320 g/kWhel
Actual situation
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Network Power Plant Technology
Power plant and CCSPower plant and CCS
ProjectsProjects
Projects
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Network Power Plant Technology
Increase of efficiencies by optimizing components of the power plant
Lignite pre-dryingOptimized plant parametersReduction of subsistence power...
Plants: BoA 2+3
GT efficiencyAbsolute power of GTIncrease of inlet temp....
Plants: Irsching (540 MW)
Concept simplificationRed. of subsistence powerCoal mil air usageLow condesor pressure...
Plants: Walsum 10Datteln 4RDK 8Quelle: VGB, Evonik, Siemens, 2010
State-of-the-art power plant
Lausward (Stadtwerke D´dorf)
> 60 %45-46 %> 43 %
Lignite Hard coal Gas
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Network Power Plant Technology
303,4 °Cfeed water temperature
45 mbarcondenser pressure
8pre-heater stages
285 bar600 °C
live steam parameters
basic data
45,9 %el. net-efficiency
555,6 MWel. net-power
600 MWel. gross-power
State-of-the-art technology of the 600 °C power plant, hard coal fired
Reference power plant NRW
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Network Power Plant Technology
ηNetto = 045,9 %
Pel,Brutto = 600 MWPel,Netto = 556 MW
pFD = 285,bar / TFD = 600 °CpZÜ = 060 bar / TZÜ = 620 °CpK = 045 mbarmCO2 = 115 kg/s (full load)
Characteristic technical data
Reference power plant NRW
State-of-the-art technology of the 600 °C power plant, hard coal fired, without CO2-sequestration
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Network Power Plant Technology
Power plant projects in Germany – conceptional phase
Power plant projects
Hard coalLigniteGas
projectstopped
projectquestionable
Reasons for pendent situation:
Renewables arefavoured in general
Big projects in general having no acceptance
Central power production is under pressure
Coal is under pressure
CCS is under pressure (transport, storage); no acceptance
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Network Power Plant Technology
Increase of efficiency up to >50 % by higher life steam temperatures
• temperature (700°C)• pressure (up to 350 bar)
Lignite pre-dryingIncrease of efficiency up to 48 %
LigniteFluidized bed drying
RWE Niederaußem
Hard coal700°C power plant
e.on Wilhelmshaven
Power plant projects in Germany
Power plant projects
- stopped -
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Network Power Plant Technology
Carbon captureCarbon captureand and storagestorage
capture transport storagecapture transport storage
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Network Power Plant Technology
CCS-TechnologiesProcess Overview
Pre-CombustionPre-Combustion
Power Plants with CO2 CapturePower Plants with CO2 Capture
Post-CombustionPost-CombustionOxy-CombustionOxy-Combustion
Sourcee: E.ON/Alstom/Vattenfall
Power Plant with CO2 CapturePower Plant with CO2 Capture
CCS - capture
Reduction of efficiency due to CCS measures 9.0 – 13.0 %-points
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Network Power Plant Technology
Quelle: Wuppertal Institut, Viebahn et al, Projektzwischenbericht 2008
Possible NRW solutions for bigpoint sources in power generation
CCS - transport
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Network Power Plant Technology
Storage potentials in Germany
Quelle: BGR
CO2 sources
CO2 sinks
CCS - storage
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Network Power Plant Technology
C O
-OK+
CR H
N
H H
Solvent selection Process optimization
Power plant integration
CCS – PCC research areas
Power plant with post-combustion carbon captureFields of optimization in the capture process
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Network Power Plant Technology
Boundary conditions:CO2 capture rate 90 %spec. heat demand 3,5 GJ/t CO2
basis:reference power plant NRW
Power plant with post-combustion carbon capturePower plant integration
CCS – PCC research areas
PP without CCS
thermal output MWth 00001211.2000
gross electrical output MWel 00000600,2000
internal electricity consumption MWel 00000044.4000
power for pre-scrubber MWel -
power for additional fan MWel -
power for pumps and aggregates in theCO2-capture unit MWel -
power for CO2-compression (5-stage) MWel -
net electrical output MWel 00000555.6000
net efficiency % 00000045.8700
PP without CCS PP with CCS
thermal output MWth 00001211.2000 00001211.6000
gross electrical output MWel 00000600,2000 00000500.6000
internal electricity consumption MWel 00000044.4000 00000044.3000
power for pre-scrubber MWel - 00000007.2000
power for additional fan MWel - 00001215.5000
power for pumps and aggregates in theCO2-capture unit MWel - 00000010.3000
power for CO2-compression (5-stages) MWel - 00000029.1000
net electrical output MWel 00000555.6000 00000404.2000
net efficiency % 00000045.8700 00000033.3600
Reduction of efficiency by CCS9.0 - 13.0 %-points
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Network Power Plant Technology
RWE-BASF-Linde – PCC research plant
CCS – industrial projects - pilot scale
Characteristic data of the plantFlue gas bypass stream from a
lignite fired power plant
Product 159 Nm3 CO2 / h7.2 t CO2 / d
Start-up 05/2009
Construction 6 skids2 containersskid 1: 4 x 4 x 41 m
80 tons
Source: Linde-KRC, 2010
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Network Power Plant Technology
boiler
ESP
FGD
FG condenser
CO2 plant Characteristic data Boiler load: 30 MWthCoal demand: 5.2 t/hOxygen demand: 10 t/hCO2 (liq.) production: 9 t/h
airseparationplant
Vattenfall – oxy-combustion research plant
CCS – industrial projects - pilot scale
09.11.2009 | CCS | H. Altmann | VE-G E-K | Netzwerk KWT AG1
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Network Power Plant Technology
e.on – CCS projects in PCC
CCS – industrial projects - pilot scale
Source: e.on Energie, 2010
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Network Power Plant Technology
PerspectivesIn time: horizons to a commercial launch
Source: e.on Energie, 2009
small pilot plants< 5 Mwel
large pilot plants30 - 60 Mwel
DevelopmentSelection
OptimizationScale Up
demo plantsn x 100 Mwel
OptimizationScale Up
Commerc.operationCO2 storage
CCS – industrial projects - pilot Scale
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Network Power Plant TechnologyCCS – EU demo projects
EERP (European Economy Recovery Plan)The following projects have been awarded funding under the EERP:• Jänschwalde (Vattenfall, Germany)
Demonstration of the oxy-combustion and the post-combustion technology on an existing power plant site. Two storage and transport options are analysed. 180 Mill €
• Porto-Tolle (Enel Ingegneria e Innovazione S.p.A., Italy)Installation of CCS technology on a new 660 MW coal power plant. The capture part will treat flue gases corresponding to 250 MW electrical output. Storage in an offshore saline aquifer nearby. 100 Mill €
• Rotterdam (Maasvlakte J.V. / E.ON Benelux and Electrabel, Netherlands)Demonstration of the full chain of CCS on a capacity of 250 MW equivalent using post-combustion technology. Storage of CO2 in a depleted offshore gas field near the plant. The project is part of the Rotterdam Climate Initiative RCI that aims at developing a CO2transport and storage infrastructure for the region. 180 Mill €
• Belchatow (PGE EBSA Poland)Demonstration of the entire CCS chain on flue gases corresponding to 250 MW electrical output in a new supercritical unit of largest lignite-fired plant in Europe. Three different saline aquifer storage sites will be explored nearby. 180 Mill €
• Compostilla (ENDESA Generacion S.A, Spain)Demonstration of the full CCS chain using oxy-combustion and fluidised bed technology on a 30 MW pilot plant which to be up-scaled by December 2015 to a demonstration plant of more than 320 MW. Storage in a saline aquifer nearby. 180 Mill €
• Hatfield (Powerfuel Power Ltd., UK)Demonstration of CCS on a new, 900 MW IGCC power plant. Storage in an offshore gas field nearby. The project is part of the Yorkshire Forward initiative that aims at developing a CO2 transport and storage infrastructure for the region. 180 Mill €
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Network Power Plant Technology
09.11.2009 | CCS | H. Altmann | VE-G E-K | Netzwerk KWT AG1
CO2 compression
FG cleaning
ASUair separation unit
oxy-combustion
boiler
coal drying
post-combustion capture
Characteristic data• 500 MWel unit• 3 boiler concept• Boiler F3 – new oxy-combustion• Boiler F1 – retrofit with PCC
Vattenfall, Jänschwalde - EERP (European Economy Recovery Plan)
CCS – EU demo projects
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Network Power Plant Technology
ChallengesChallenges
Challenges
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Network Power Plant Technology
Aims for development for a power plant with PCC capture
• Efficiency of the 700°C PP without CCS 50 288 669700/720 °C PPaim of development is 2015
Increase of efficiency is an essential pre-condition for the application of CCS, also under the aspect of ressource protection
• Reduction of efficiency by PCC - 8 - -at the moment 9 - 13 %-pointsuse of new washing media (2. generation)development of optimized processes
• Efficiency of the 700° PP with CCS 42 343 80average value in Germany 38 %reference PP NRW 45 %
• Efficiency of the reference PP NRW 45 320 743600/620 °C PPstate of the art technology
η (LCV) coal CO2[%] [g/kWhel] [g/kWhel]
Challenges for power producers
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Network Power Plant Technology
Challenges for the Challenges for the ManufacturersManufacturers
Challenges for the Manufacturers
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Network Power Plant Technology
Number of spraying plains [-]
Red
uctio
n de
gree
[%
]
Additional spraying plains
Power plant with post-combustion carbon captureAdditional pre-cleaning
Challenges for the Manufacturers
Source: Fisia, Gummersbach max. 18 m (better < 12 m)
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Network Power Plant Technology
Materials / componentsCorrosion resistant, cost-saving materials
Chemical resistance of materials against:
acidsbasesin various pH-ranges andwith various additives (activators, inhibitors, ...)at different temperatures
Challenges for the Manufacturers
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Network Power Plant TechnologyConclusions
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Network Power Plant TechnologyConclusions
CO2 emissions in power generation must be reduced
Pre-combustion, oxy-combustion and post-combustion carbon capture technologies can be applied
Post-combustion capture can be retrofitted if the power plantis „capture ready“
Increase of efficiency is an essential pre-condition for CCS
Transport and storage are technically realizable, but need public acceptance
Financial and regulatory aspects are essential for project realization (economy and unbundling procedure)
Hard conditions for new power plant projects
CCS technologies are investigated at different stages(research, lab scale, pilot scale)
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Network Power Plant Technology
Thank youfor yourattention
End