OXYCOAL-AC: "Entwicklung eines CO2-emissionsfreien Kohleverbrennungsprozesses zur Stromerzeugung"

Motivation

Aufgrund der Altersstruktur des derzeit bestehenden Kraftwerksparks werden bis zum Jahr 2020 in Deutschland ca. 40.000 MW und europaweit ca. 200.000 MW der installierten Kraftwerksleistung ersetzt werden müssen. Darüber hinaus wird über denselben Zeitraum europaweit mit einer Steigerung der Leistunganforderung in der Größenordnung von weiteren 100.000 MW gerechnet.

Es ist davon auszugehen, dass die fossilen Energieträger auch in Zukunft den Hauptanteil der Primärenergie bei der Umwandlung zur elektrischen Energie darstellen werden. Die durch den Leistungsanstieg verursachte Erhöhung der CO2-Emissionen steht allerdings im Widerspruch zu den im Kyoto-Protokoll beschlossenen Klimazielen zur Reduktion des globalen Kohlendioxidausstoßes.

Zur Reduktion der CO2- und NOX-Emissionen wird im Rahmen des OXYCOAL-AC Projekts ein Kohle-Kraftwerksprozess auf Basis einer Oxyfuel-Verbrennung entwickelt. Hierbei wird die Kohle nicht wie in herkömmlichen Kraftwerken mit Luft, sondern mit einem Sauerstoff/Rauchgas-Gemisch verbrannt. Da das Rauchgas nach der Verbrennung somit im Wesentlichen nur noch aus den Komponenten CO2 und H2O besteht, wird eine wirtschaftliche Abscheidung des Kohlendioxid, zum Beispiel zur Endlagerung unter Tage, möglich.

Prinzip des OXYCOAL-AC-Prozesses

Das für die Verbrennung benötigte Verbrennungsgas wird beim OXYCOAL-AC-Prozess durch Sauerstoffanreicherung eines rezirkulierten Anteils des Rauchgases in einer keramischen Hochtemperaturmembran bereitgestellt (siehe Prozessskizze). Die keramische Membran besitzt die Eigenschaft bei hohen Temperaturen von ca. 800 °C Sauerstoff-Ionen leiten zu können. Das treibende Potential ist hierbei das O2-Partialdruckgefälle über der Membran. Die Aufheizung der Membran auf die benötigte hohe Temperatur geschieht durch das rezirkulierte Rauchgas.

Durch Verdichtung von Umgebungsluft auf ca. 18 bar wird das für den Diffusionsprozess benötigte O2-Partialdruckgefälle erzeugt. Die verdichtete Luft wird beim Durchströmen der Membran und eines vorgeschalteten Wärmetauscher durch das heiße Rauchgas erwärmt und gibt dann in der Membran Sauerstoff an das rezirkulierte Rauchgas ab. Die abgereicherte Restluft wird anschließend in einer Turbine entspannt, um einen Teil der für die Kompression benötigten Energie zurück zu gewinnen. Die Sauerstoffgewinnung über die keramische Hochtemperaturmembran verspricht deutlich geringere Wirkungsgradeinbußen des Gesamtprozesses gegenüber einer vergleichsweise sehr energieaufwändigen kryogenen Sauerstoffgewinnung.

Das auf diese Weise gebildete Verbrennungsgas wird anschließend über ein Rauchgasgebläse in die Brennkammer geführt und dort zusammen mit dem Brennstoff Kohle verbrannt. Da das Verbrennungsgas nur aus den Komponenten CO2, O2 und H2O besteht, enthält das Rauchgas nach der Brennkammer im Wesentlichen nur noch Kohlendioxid und Wasser. Somit liegt nach einer technisch relativ einfachen Wasserabscheidung nahezu reines CO2 vor. Da das Verbrennungsgas keinen Stickstoff enthält, ist ein weiterer Vorteil der Oxyfuel -Verbrennung eine deutliche Reduktion von schädlichen NOX-Emissionen.

Skizze des OXYCOAL-AC-Prozesses

Regelung des OXYCOAL-AC-Prozesses

Während gängige Strategien zur Frequenz-Leistungsregelung unverändert auch auf das oben vorgestellte Oxyfuel-Kraftwerk angewendet werden können, erfordert die im Vergleich zu herkömmlichen Kraftwerken veränderte Dynamik der Verbrennungsgasbereitstellung die Entwicklung eines neuen Regelungskonzeptes. Aufgrund der Wärmeübergänge in der Membran und dem Wärmetauscher, Totzeiten in den Rohrleitungen und der Massenträgheiten der Turbomaschinen ist zu erwarten, dass Änderungen im Diffusionsmassenstrom nur vergleichsweise langsam erzielt werden können. Weiterhin kommt erschwerend hinzu, dass zu große sowohl zeitliche als auch örtliche Temperaturgradienten zu Spannungen innerhalb des keramischen Werkstoffes und somit zu einer vorzeitigen Alterung oder sogar zur Zerstörung der Membran führen können. Bei der Entwicklung eine Regelungskonzeptes liegt aufgrund der komplexen Dynamik des Rauchgaskreislaufs die besondere Problemstellung darin, das zeitliche Verhalten der Brennstoffzufuhr und des Luftzerlegungsteils aufeinander abzustimmen, um eine vollständige Verbrennung der Kohle zu gewährleisten, aber auch möglichst schnelle Lastwechsel zu ermöglichen.

Zur Regelung des nichtlinearen, stark gekoppelten, totzeitbehafteten und sowohl Zustands- als auch Stellgrößenbeschränkungen unterliegenden Mehrgrößensystems des Rauchgaskreislaufs wird ein modellgestütztes prädiktives Regelungskonzept (MPR) entwickelt. Dieses verwendet intern ein dynamisches Modell des zu regelnden Prozesses, um den Verlauf der Regelgrößen in Abhängigkeit der Verläufe der Stellgrößen abzuschätzen. Durch Minimierung einer zumeist quadratischen Kostenfunktion wird ein optimaler Stellgößenverlauf bestimmt. Aufgrund der Einbeziehung von Prozesswissen in Form des Modells sind modellgestützte prädiktive Regler besonders gut zur Regelung von totzeitbehafteten, gekoppelten Mehrgrößensystemen geeignet. Die Einhaltung von Zustands- bzw. Stellgrößenbeschränkungen kann durch Einbindung von Nebenbedingungen in die Minimierung der Kostenfunktion gewährleistet werden.

Da der beschriebene Oxyfuel-Prozess Bestandteil eines Forschungsvorhabens ist und bislang weder in seiner Gesamtheit noch in allen seinen Komponenten existiert, wird das Regelungskonzept zunächst an einem dynamischen Modell des Prozesses umgesetzt und getestet. In vereinfachter Form bildet das Modell auch einen wesentlichen Bestandteil des modellgestützten prädiktiven Reglers. Im Rahmen des OXYCOAL-AC Projektes wird erforscht, wie nichtlineare Prozessmodelle mit einer großen Zahl von Zustandsgrößen im Sinne des Rapid Control Prototypings möglichst automatisiert in eine für modellgestützte prädiktive Regler verwendbare Form überführt werden können.

Dynamische Modellierung des OXYCOAL-AC-Prozesses

Für die Modellierung des Rauchgaskreislaufs wird ein objektorientierter Ansatz mit der Modellierungssprache Modelica in der Entwicklungs- und Simulationsumgebung Dymola der Firma Dynasim umgesetzt. Die Verwendung von Modelica ist insbesondere auf das weite Spektrum bestehender, frei verfügbarer Komponenten-Bibliotheken zurückzuführen. So vereinfachen beispielsweise die Media- und die ThermoPower- Bibliotheken die Modellierung von Kraftwerksprozessen erheblich, da sie eine Vielzahl von Modellen zur Beschreibung von Fluiden und thermodynamischen Zusammenhängen bereitstellen. Weiterhin ermöglichen die Verwendung genormter Schnittstellen und die Ausnutzung der objektorientierten Prinzipien von Modelica wie Datenkapselung, Vererbung und Polymorphie eine breite Wiederverwendbarkeit entwickelter Modelle.

Die Modellbildung wird komponentenweise basierend auf physikalischen Zusammenhängen durchgeführt. Modelica erlaubt eine Formulierung der Gleichungssysteme, wie sie aus den physikalischen Zusammenhängen bekannt sind. Eine Auflösung der Gleichungen nach Ein- und Ausgangsgrößen und die explizite Definition der Zustandsgrößen ist somit nicht erforderlich. Dies ermöglicht eine universelle und flexible Verwendung der Modelle in unterschiedlichen Verschaltungen.

Für das keramische Membranmodul ist ein Finite-Volumen-Ansatz umgesetzt worden, der die Membran entlang der Strömungsrichtung in eine parametrierbare Anzahl diskreter Volumina aufteilt. Auf diese Weise ist eine detaillierte Abbildung der Wärme- uns Stoffübertragungen möglich, insbesondere ist aber die Temperaturverteilung entlang der Strömungsrichtung darstellbar. Unter Ausnutzung der objektorientierten Prinzipien ist das Modell des Membranmoduls als eine polymorphe Klasse ausgelegt worden. Dies ermöglicht ein einfaches Austauschen des zugrundeliegenden Gleichungssystems. Dadurch können je nach Anwendungszweck Simulationen in unterschiedlicher Komplexität bzw. Genauigkeit durchgeführt werden, was sich neben der Anzahl der finiten Volumina erheblich auf die Rechenzeit auswirkt.

Dymola-Modell des OXYCOAL-AC-Prozesses