Unterthema Zukünftige Kraftwerke für fossile oder gemischte Brennstoffe

Kleine und mittelgroße Verbrennungsanlagen

Energieumwandlungsprozesse, die auf schwierigen Brennstoffen – Reststoffe, Biomasse, minderwertige fossile Brennstoffe – basieren, sind derzeit kein konstituierender Teil des Energiesystems. Neue, nicht-konventionelle Kraftwerkskonzepte werden derzeit diskutiert und entwickelt, mit dem Ziel, schwierige Brennstoffe entweder allein oder in Kombination mit anderen Energieträgern, wie zum Beispiel Geothermie, in das Energiesystem zu integrieren. Die Kraftwerkskonzepte sollen die Basis für marktfähige kleine bis mittelgroße Kraft-Wärme-Kraftwerke (20–50 MW) bilden.

Gegenstand der Forschung ist die systemanalytische Untersuchung von Potenzialen neuartiger Konzepte für kleine und mittelgroße Kraftwerke für schwierige Brennstoffe (fossil, nachwachsende Rohstoffe, Sekundärrohstoffe). Begleitend zu technologischen Entwicklungsarbeiten im Helmhotz-Programm REUN werden Stoff- und Energiebilanzen, Lebenszyklusanalysen sowie Kostenanalysen von Anlagen und Komponenten erarbeitet. Darauf aufbauend soll die Integration der auf den entwickelten Konzepten basierenden Kraftwerke in regionale Energiesysteme modelliert und analysiert werden.

Hocheffiziente fossile Kraftwerke

Zur Sicherstellung einer versorgungssicheren und nachhaltigen Energieversorgung wird die Effizienzsteigerung bei der energetischen Auslegung von konventionellen (Groß-)Kraftwerken einen deutlichen Beitrag leisten. Ein wichtiger Weg zur Effizienzsteigerung ist die Erhöhung der Dampfparameter der Kraftwerkskessel, die allerdings den Einsatz neuer Werkstoffe erforderlich machen. Mit neuen Werkstoffen aus Nickelbasislegierungen oder austenitischen Stählen sind Dampfparameter von über 700 °C und über 350 bar im Kraftwerkskessel zu erreichen, die Wirkungsgrade von über 50 % ermöglichen. Der Einsatz dieser neuen Werkstoffe beschränkt sich nicht nur auf konventionelle Kraftwerke, sondern ist auch im Rahmen der Entwicklung von IGCC- und Oxyfuel-Prozessen kombiniert mit einer Abscheidung von CO₂ aus dem Rauchgas einsetzbar.

Für zukünftige Entscheidungen bei der Auslegung von Kraftwerken sind Methoden notwendig, die sowohl die energetische Effizienz als auch die Auswirkungen durch den Einsatz dieser neuen Werkstoffe auf die Umwelt und Kosten erfassen. Zur Lösung dieser Problemstellung kann die exergoökologische Analyse herangezogen werden. Dieser Analyseansatz umfasst zum einen die Exergieanalyse zur Aufdeckung thermodynamischer Ineffizienzen in Kraftwerksprozessen und zum anderen eine Ökobilanz (Life Cycle Assessment – LCA), denn die exergetisch effizienteste ist nicht automatisch die umweltfreundlichste Lösung. Durch die Kopplung der beiden Analysen in einem integrierten Ansatz lässt sich das ökologische Optimum bestimmen.

Ziel der Forschung ist es, auf Basis der neuen Werkstoffe ein exergetisches Modell eines Kraftwerkskessels zu erstellen und Optimierungsrechnungen mittels exergoökologischer Analysen ergänzt um eine Kostenrechnung durch­zuführen. Der Einsatz der neuen Werkstoffe ist mit höheren Kosten verbunden. Die ermittelten Ergebnisse sollen in eine Analyse der nationalen Kohlenstoffströme unter Verwendung des Kohlenstoffträgermodells CarboMoG Eingang finden.

Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS)

Die Abscheidung und Speicherung von Kohlendioxid bei großen Punktquellen wie z. B. der Stromerzeugung ist eine Maßnahme, um die ehrgeizigen Reduktionsziele zu erreichen. Eine aussichtsreiche Technik für eine langfristig angelegte großtechnische Umsetzung der CO₂-Abscheidung sind membranbasierte Verfahren, die sog. Verfahren der 2. Generation. Grundvoraussetzungen zur Erreichung technischer Reife sind adäquate Membranwerkstoffe, eine optimale Verfahrensauslegung und eine ausreichende Standfestigkeit der Membranen. Alle Aspekte sind noch nicht hinreichend wissenschaftlich untersucht und befinden sich in einem frühen F&E-Stadium (s. HGF-Allianz „MEM-BRAIN“ ).

Ziel der Arbeiten ist die systemanalytische Begleitung der Forschungsaktivitäten. Im Mittelpunkt des Beitrags von Thema 5 steht eine ökologische Bewertung der Membran-Abscheidetechnik mittels Screening LCA. Dazu werden Membrantechniken mit herkömmlichen CCS-Techniken verglichen. Weitere wichtige Aspekte wie CCS-Ökonomie oder Rahmenbedingungen für CCS als Komponente von Vermeidungsstrategien sind Bestandteil der Arbeiten zu Thema 3.