Forschungsprogramm Kraftwerk 2020 und Carbon Capture & Storage (CCS) - ARAMIS
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Effiziente Energienutzung / Utilisation efficace de l’énergie
Überblicksbericht 2012
Forschungsprogramm
Kraftwerk 2020 und Carbon
Capture & Storage (CCS)
Energieforschung 2012 – Überblicksberichte 1
Kraftwerk 2020 und Carbon Capture & Storage (CCS)
Titelbild:
Gaskraftwerke (mit/ohne CO2-Abscheidung) sind ein ökonomisch sinnvoller
Bestandteil zukünftiger Kraftwerksparks in der Schweiz
In einer kostenoptimierten Analyse zukünftiger Energieszenarien für die Schweiz
spielen Gaskraftwerke (sowohl ohne (NGA CC), als auch mit CO2-Abscheidung (NGA
CCS)) eine nicht unbedeutende Rolle. Insbesondere wenn CO2-Abscheidetechniken
(Carbon Capture and Storage, CCS) spätestens ab 2030 verfügbar sind, können
Gaskraftwerke mit CCS einen signifikanten Beitrag für die Stromerzeugung in der
Schweiz leisten.
BFE Forschungsprogramm Kraftwerk 2020 und Carbon Capture & Storage (CCS)
Überblicksbericht 2012
Auftraggeber:
Bundesamt für Energie BFE
CH-3003 Bern
Programmleiter BFE (Autor):
Dr. Peter Jansohn, Paul Scherrer Institut (PSI) (peter.jansohn@psi.ch)
Bereichsleiter BFE:
Dr. Gunter Siddiqi (gunter.siddiqi@bfe.admin.ch)
http://www.bfe.admin.ch/forschungkraftwerk
Für den Inhalt und die Schlussfolgerungen ist ausschliesslich der Autor dieses Berichts verantwortlich.
2 Recherche énergétique 2012 – Rapports de synthèse
Effiziente Energienutzung / Utilisation efficace de l’énergie
Einleitung
Mit der im Jahr 2012 angekündigten Kraftwerkstechnik ist auch deshalb für zeugung, CO2-Minderung, flexible/ab-
Energiestrategie der Schweiz für den die Schweiz von besonderem Interesse, rufbare Betriebsweisen) wobei Prozesse
Zeitraum bis zum Jahr 2050 wird die weil Schweizer Industriefirmen und For- ausserhalb des eigentlichen Kraftwerks,
Schweiz ab etwa 2035 ihren Strombe- schungsorganisationen in der Weiter- wie z. B. die externe Brennstoffaufbe-
darf ohne Kernkraftwerke bereitstellen entwicklung dieser Technologie führend reitung zur CO2-Abtrennung und die
müssen. Durch den steigenden Strombe- tätig sind und sich somit ein hohes Um- CO2-Lagerung und (wo möglich) CO2-
darf, das Auslaufen von Stromimportver- setzungspotenzial sowohl in der Schweiz Wiederverwendung (zusammengefasst
trägen und die sukzessive Abschaltung als auch weltweit bietet. unter dem Begriff «Carbon Capture, Use
der bestehenden nuklearen Kraftwerks- and Storage» CCUS) integraler Bestand-
Um auch die klimapolitischen Zielsetzun-
anlagen zeichnet sich allenfalls auch bei teil des Programms sind.
gen der Schweiz zu erfüllen, sind bei ei-
einem massiven Zubau erneuerbarer
nem zusätzlichen Einsatz von Erdgas für Aufgrund des begrenzten finanziellen
Stromerzeugungskapazitäten für den
die Stromerzeugung flankierende Mass- Rahmens kann das Programm aber nur
Zeitraum um das Jahr 2020 ein Eng-
nahmen zu ergreifen, die gewährleis- einen signifikanten Beitrag leisten, indem
pass in der Stromversorgung ab. Um
ten, dass die CO2-Emissionen aus dem eine starke Fokussierung auf einzelne
diese vorhersehbare Versorgungslücke
gesamten schweizerischen Energiesys- Schlüsselkomponenten (wie z. B. Kom-
zu schliessen, sind zusätzliche Anstren-
tem wie beabsichtigt drastisch gesenkt pressoren, Turbinen, Generatoren) und
gungen auf unterschiedlichen Ebenen zu
werden können. Die Prozessführung Schlüsseltechnologien (Turbomaschinen-
leisten (rationelle Stromverwendung, de-
des Kraftwerks ist so zu gestalten, dass Aerodynamik, Hochdruck-Verbrennung,
zentrale Kraft-/Wärme-Kopplung, Ersatz
alternative (kohlenstoffarme) Brennstof- Wärmeübertragung/Kühlung) erfolgt.
von Stromerzeugungskapazitäten usw.).
fe eingesetzt werden können und CO2
Eine wichtige Option für die Elektrizitäts- Um der zeitlichen Zielsetzung des For-
ganz oder teilweise abgeschieden wer-
erzeugung in der Schweiz (insbesondere schungsprogramms gerecht zu werden,
den kann und nicht in die Atmosphäre
in der Funktion als «Brückentechnolo- im Jahre 2020 die notwendigen Techno-
gelangt. Auch die Strategie der Kombi-
gie» für die Jahrzehnte 2020–2050) stel- logien einsatzbereit entwickelt zu haben,
nation von modernen, effizienten Wär-
len Kombi-Kraftwerke auf Erdgas-Basis müssen die dazu erforderlichen Basis-
me-Kraft-Kopplungsanlagen mit Wär-
dar, die aufgrund ihrer für thermische Technologien spätestens im Jahr 2015
mepumpen muss weiterhin verfolgt und
ung / Utilisation
Kraftwerkeefficace de l’énergie
hohen Effizienz, ihres nied-
umgesetzt werden.
verfügbar sein. Die Konzentration der
rigen Schadstoffausstosses und ihrer Programm-Aktivitäten auf Schlüsselge-
hohen betrieblichen Flexibilität kurz-/ Das Programm Gas- und Dampf-Kraft- biete der Dampf- und Gasturbinentech-
mittelfristig in der Stromerzeugung werke mit CO2-Abscheidung (Kraftwerk nik inkl. Generatoren ist auch aus diesen
und der Stabilisierung der Stromversor- 2020) umfasst deshalb all diese The- zeitlichen Aspekten heraus erforderlich.
gung von grosser Bedeutung sind. Diese menbereiche (Effizienz in der Stromer-
IEA Klassifikation: 1.1 Industry
Schweizer Klassifikation: 1.9 Kraftwerk 2020 und CCS
Energieforschung 2012 – Überblicksberichte 3
Kraftwerk 2020 und Carbon Capture & Storage (CCS)
Programmschwerpunkte
Ein wesentliches Ziel des Programms Ein weiteres Ziel des Programms ist es und die Bearbeitung der Schwerpunkt-
ist es, durch Bündelung der Aktivitäten deshalb, Gasturbinen-Kraftwerke noch Themenfelder abgerundet. Der zur
und durch Koordination der Ausrichtung besser zu befähigen, die Stabilisierung Verfügung gestellte Finanzrahmen aus
individueller Projekte zu einer Stärkung des Stromversorgungsnetzes zu über- BFE-Mitteln war durch laufende Projek-
des Forschungs- und Industriestandor- nehmen. Dazu müssen Techniken entwi- te bereits weitgehend ausgeschöpft und
tes Schweiz im Bereich fortschrittlicher ckelt werden, die höhere Lastgradienten liess dementsprechend auch 2012 nur
Gaskraftwerke mit reduziertem CO2- (+/-3 % Last pro Sekunde) oder gar eine wenig Spielraum für eine Erweiterung
Ausstoss zu gelangen. Dadurch soll Netzfrequenz unabhängige Betriebs- des Projekt-Portfolios.
sichergestellt werden, dass die bestge- weise erlauben. Gross-skalige Strom-
eigneten Technologien bzw. Systeme für bzw. Energiespeichertechnologien (über
die Stromerzeugung in der Schweiz zum 1 MWh) im direkten Kraftwerksumfeld Ausblick
Einsatz kommen können. Die schweize- sollen deshalb neu ebenfalls im Pro- Aufgrund der Sistierung der Neubauplä-
rische Kraftwerksindustrie inklusive der gramm mit enthalten sein. ne für Kernkraftwerke in der Schweiz ist
Zulieferfirmen und des unterstützenden, allerdings das Thema «Gaskraftwerke in
Die Umsetzung dieser Schwerpunkte
akademischen Umfelds ist im internatio- der Schweiz» wieder viel stärker in den
soll zukünftig mit einem etwa gleichge-
nalen Vergleich sehr gut aufgestellt, hat Fokus der Energiediskussion gerückt.
wichtigen Einsatz der Programmmittel
eine starke Marktstellung und ein gros- Eine wesentliche Aufstockung von Fi-
einhergehen (Wirkungsgradsteigerung:
ses Umsetzungspotenzial. nanzierungsmitteln ist für P&D-Projekte
30 %; CO2-Minderung: 35 %; Netzun-
Zentrales technisches Ziel des Programms terstützung: 35 %). vorgesehen. Im Bereich P&D des Pro-
ist die Maximierung des elektrischen gramms Kraftwerk 2020 sind deshalb
Neben der Förderung durch das Bun-
Wirkungsgrads eines kombinierten Gas- mehrere Projektideen in Diskussion, die
desamt für Energie (BFE) werden die für
und Dampfturbinenprozesses. Ein Wert sich um diese Mittel bewerben möchten.
dieses Forschungsprogramm relevanten
von deutlich über 60 % (Zielbereich: 62– Am weitesten gediehen sind die Vorar-
Projekte durch finanzielle Mittel der För-
63 %) auf Basis Erdgas soll erreicht wer- beiten für ein P&D-Projekt im Themen-
deragentur für Innovation (KTI), sowie
den. Dies wird erwartungsgemäss dem bereich «CCS – Carbon Capture and
des Forschungsfond der schweizerischen
im Jahr 2020 weltweit besten Standard Storage». Zusammen mit einer P&D-An-
Elektrizitätswirtschaft (Swisselectric Re-
entsprechen. Mit einem hohen elektri- lage, die erstmalig in Europa eine indust-
search) und der Europäischen Gemein-
schen Wirkungsgrad (bzw. einem hohen rielle Gasturbine mit Abgas-Rezirkulation
schaft im Zusammenhang mit dem 7.
Gesamt-Wirkungsgrad bei gleichzeitiger betreiben soll, ist ein CO2-Speichertest
Forschungsrahmenprogramm (FP7) un-
Wärmeauskopplung) lassen sich bereits vorgesehen, der die Tauglichkeit des
terstützt.
signifikante Einsparungen der CO2-Emis- Untergrunds im Schweizer Mittelland
sionen pro erzeugter kWh erreichen. als CO2-Speichermedium unter Beweis
stellen soll.
Ein weiteres Ziel ist die Steigerung Rückblick und Bewertung 2012
des Einsatzes von erneuerbaren, CO2- Nach dem Übergangsjahr 2009, in
neutralen Brennstoffen (insbesondere dem fast alle Projekte der Programm-
Biomasse-basierenden Vergasungspro- Anfangsphase abgeschlossen wurden,
dukten) auf ca. 15 % des gesamten haben sich im Jahr 2012 die thema-
Energieeinsatzes im produktiven Betrieb. tisch ähnlichen Folgeprojekte bereits
Ferner sollen mit dem Einbezug von wieder in einem weit fortgeschrittenen
prozesstechnischen Varianten für die er- Projektstadium befunden und stehen
leichterte Abscheidung und Rückhaltung grossteils bereits wieder vor dem Ab-
von Kohlendioxid (CO2) darüber hinaus- schluss. Zudem konnten wieder thema-
gehende CO2-Emissionsminderungspo- tisch neu orientierte Projekte gestartet
tenziale (Reduktion der CO2-Freisetzung werden, die bisher vorhandene Lücken
um 80 %) ausgenützt werden. im Projekt-Spektrum weiter schliessen.
Durch den zukünftig verstärkten Einsatz Das Programm befindet sich nun in einer
fluktuierender, erneuerbarer Stromer- Phase der kontinuierlichen Erneuerung
zeugungstechnologien wie Wind und des Projektportfolios, welches die modi-
Photovoltaik werden Stromversorgungs- fizierte Ausrichtung (stärkere Betonung
netzwerke stärkeren, kurzfristigeren von CCS-Themen) deutlich widerspie-
Produktionsschwankungen unterworfen gelt. Mit neu lancierten Projekten wurde
sein, die durch andere Stromerzeuger der thematisch schwächer besetzte Be-
kompensiert oder in geeigneter Weise reich («dynamische Netzstabilisierung»;
zwischengespeichert werden müssen. «flexible Betriebweisen») weiter gestärkt
4 Recherche énergétique 2012 – Rapports de synthèse
Effiziente Energienutzung / Utilisation efficace de l’énergie
Highlights aus Forschung und Entwicklung
Das Verbund-Projekt CARMA – carbon umweltrelevante Auswirkungen (Life Verfahrensvarianten jeweils optimale
management in power generation, an Cycle Assessment, LCA) bewertet. Be- Ergebnisse ergeben (Fig. 1), je nachdem
welchem sich verschiedene Institutio- züglich des technischen (Optimierungs-) welche – sich teilweise entgegenstehen-
nen des ETH-Bereichs (ETHZ, EPFL, PSI), Potenzials wurden schwerpunktmäs- de – Erfolgsparameter definiert werden
die Uni Bern und die Fachhochschu- sig Verfahrensvarianten betrachtet, die (z. B. minimale Stromkosten, minimale
le Nordwestschweiz (FHNW) beteiligt eine Brennstoffaufbereitung und Koh- CO2-Abscheidekosten, maximaler elek-
haben, ist im Dezember 2012 abge- lenstoff-Abscheidung vor dem Verbren- trischer Wirkungsgrad, maximaler CO2-
schlossen worden. Neben dem BFE ha- nungsprozess vorsehen. Diese Prozess- Abscheidegrad).
ben zur Finanzierung insbesondere die varianten versprachen höhere elektrische
Zusammenfassend ergaben sich folgen-
Kompetenzzentren des ETH-Bereichs Wirkungsgrade als Verfahrensvarianten,
de Erkenntnisse aus den Modellrech-
(CCEM – Competence Center Energy die mit hohem Energieaufwand das
nungen: Je nach gewähltem Erfolgspa-
& Mobility, CCES – Competence Cen- stark verdünnte Kohlendioxid (CO2) aus
rameter, welchem höchste Bedeutung
ter Environment & Sustainability), sowie den Abgasen abtrennen, sind aber nur
zugemessen wird, stellen unterschiedli-
SwisselectricResearch und Alstom beige- für Neuanlagen geeignet (keine Retrofit-
che Verfahrenskonzepte die «optimale»
tragen. Ziel des CARMA-Projektes war Lösung für bestehende Anlagen) und
Prozessvariante dar. Jeweils verglichen
es, insbesondere unter Berücksichtigung führen dazu, dass im eigentlichen Kraft-
mit einem konventionellen Gas- und
der speziellen Schweizer Verhältnisse, werksprozess wasserstoffreiche Brenn-
Dampf-Kraftwerk als Referenzgrösse,
Grundlagen zu erarbeiten, mit welchen gase beherrscht werden müssen (s. un-
ergeben sich die geringsten Wirkungs-
Techniken die Stromerzeugung (mit Ein- ten). Mit Hilfe einer neu entwickelten,
gradverluste (ca. 6 %-Punkte) für die
bezug auch fossiler Brennstoffe) mög- variablen sog. Superstruktur konnten
Stromerzeugung bei einer Kraftwerks-
lichst CO2-neutral ausgeführt werden verschiedene Verfahrensvarianten mit
variante mit CO2-Abscheidung vor der
können. unterschiedlichen Teilprozessschritten
Verbrennung; dagegen sind die zusätzli-
modelliert und quantitativ miteinander
chen Stromgestehungskosten (ca. 25 %)
verglichen werden (hinsichtlich techni-
am geringsten bei einer Kraftwerksvari-
scher Parameter wie z. B. dem elektri-
ante mit CO2-Abscheidung nach der Ver-
Gasturbinen-Kraftwerkspro- schen Wirkungsgrad, aber auch in Be-
brennung (CO2-Wäsche aus dem Abgas-
zesse mit CO2-Abscheidung zug auf ökonomische Kenngrössen wie
strom). Mit (CO2-neutraler) Biomasse als
z. B. den Stromgestehungskosten oder
Im Projekt CARMA wurden verschiedene Brennstoff können verständlicherweise
den spezifischen CO2-Abscheidekosten).
technische Optionen von Gasturbinen- die besten (negativen) CO2-Bilanzen er-
Durch die Einbindung dieser thermo-
Kraftwerksprozessen mit CO2-Abschei- zielt werden (der Atmosphäre wird ef-
ökonomischen Modellrechnungen in ei-
dung auf Basis thermodynamischer fektiv CO2 entzogen).
nen Optimierungsalgorithmus konnten
Modellansätze untersucht und opti-
sog. Pareto-Kurven ermittelt werden,
miert, und deren ökonomische und
die eine Übersicht vermitteln, welche
Figur 1: Stromgestehungskosten und elektrische Wir- Figur 2: Gestuftes Verbrennungskonzept für H2-reiche Brenngase (1. Stufe:
kungsgrade für ausgewählte, optimale Verfahrenskom- Luftmangel-Bedingungen, katalytisch unterstützt; 2. Stufe: Luftüberschuss für
binationen (Farbskala: CO2-Abscheidegrad; Kostenbasis: vollständigen Ausbrand). CO
9,7 $/GJ (Brennstoffkosten), 35 $/tCO2 (CO2-Steuer),
7500 h/y (Betriebsstunden), 25 y (Abschreibungsdauer),
6 % (Zinssatz)).
Energieforschung 2012 – Überblicksberichte 5Kraftwerk 2020 und Carbon Capture & Storage (CCS)
Figur 3: NOx-Emissionen in Abhängigkeit des
Brenngas-Umsatzes in der (1.) katalytisch
unterstützten Reaktionsstufe.
Figur 4: Mehrstufiges Verfahrenskonzept zur CO2-Mineralisierung: a) Temperatur- und CO2-
Partialdruck-Verlauf in den vier Verfahrenszyklen; b) Umsatzgrade, Produktmengen und -Be-
schaffenheit.
Sichere und emissionsarme bezeichnet) führt häufig zu einer Zerstö- teilweise umgesetzt wird (vorzugsweise
Verbrennung von rung von Brennerbauteilen durch Über- ohne eine sichtbare Flammenzone) und
H2-reichen Brenngasen hitzung. Darüber hinaus kann mit H2- erst in einer zweiten Verbrennungstu-
reichem Brenngas in vielen Fällen auch fe nach zusätzlicher Lufteinmischung
Da bei den Verfahrensvarianten, die keine ausreichend gute Vormischqualität vollständig abreagiert. Durch die ers-
eine Brennstoffaufbereitung und Koh- mit der Verbrennungsluft erzielt werden, te, durch den Luftmangel nur teilweise
lenstoff-Abscheidung vor dem Verbren- sodass die Bildung von unerwünschten möglichen Freisetzung der im Brenngas
nungsprozess vorsehen, im eigentlichen Stickstoffoxiden (NOx) nicht effektiv un- enthaltenen Energie, können sowohl
Kraftwerksprozess wasserstoffreiche terdrückt werden kann. Überhitzungseffekte umgangen wer-
Brenngase beherrscht werden müssen, den, als auch die extrem hohe Reakti-
ergeben sich bei diesen Prozessvarianten Ebenfalls im Projekt CARMA wurde des-
onsgeschwindigkeit der H2-Umsetzung
zusätzliche verbrennungstechnische He- halb ein alternatives Verbrennungskon-
abgemildert werden. In der zweiten Re-
rausforderungen. Insbesondere die hohe zept im Labormassstab experimentell
aktionsstufe muss damit ein «nur» noch
Reaktionsfreudigkeit H2-reicher Brenn- untersucht (Fig. 2), welches sowohl die
mässig reaktives Brenngas/Luft-Gemisch
gase (hohe Brenngeschwindigkeit, leich- Überhitzung von Brennerkomponenten
beherrscht werden, welches auch nicht
te Entzündbarkeit) stellt konventionelle, durch Flammenrückschlag ausschliesst,
mehr zu exzessiver NOx-Bildung neigt
emissionsarme Brennertechnologien, bei als auch unerwünscht hohe NOx-Emis-
(Fig. 3). Die NOx-Emissionen aus der ers-
denen vorgemischte Brenngas/Luft-Ge- sionen vermeidet. Das verwendete ge-
ten Reaktionsstufe sind zudem nahezu
mische verwendet werden, vor nahezu stufte Verbrennungskonzept beruht auf
NOx-frei, da die Brenngas-Umsetzung
unüberwindbare Probleme. Eine Stabi- einem katalytisch unterstützten ersten
an den katalytisch aktiven Oberflächen
lisierung der H2-Flamme im bzw. nahe Reaktionsschritt, in dem das H2-reiche
dieser Stufe keine NOx-Bildung mit sich
des Brenners (als Flammenrückschlag Brenngas unter Luftmangel zuerst nur
bringt.
6 Recherche énergétique 2012 – Rapports de synthèseEffiziente Energienutzung / Utilisation efficace de l’énergie
Pilot- und Demonstrationsprojekte
Abscheidung und können, wird intensiv nach alternativen einer 1-stufigen Verfahrensführung das
Lagerung von CO2 durch CO2-Abscheideverfahren geforscht. Eine eingesetzte Material (z. B. Serpentine,
CO2-Mineralisierung dieser Alternativen wurde auch im Pro- Mg-Fe-Si-O-H-Verbindung) nur unzu-
jekt CARMA verfolgt – die direkte Über- reichend ausgenutzt wird (max. bis zu
Die bekannten Verfahren zur CO2- führung des CO2 im Kraftwerksabgas in 20 %), selbst bei zusätzlichem mechani-
Abscheidung aus Kraftwerksprozes- eine mineralische Karbonat-Verbindung schem Aufschluss, pH- und Temperatur-
sen beruhen in der Regel auf flüssigen (Feststoff). Mineralische Karbonate (vor- Variation. Ein vielversprechender Ansatz
Waschmitteln, die mit dem CO2 aus wiegend Verbindungen auf Basis von scheint dagegen ein mehrstufiges Ver-
der Gasphase (z. B. CO2-haltiges Ab- Magnesium (Mg) und Kalzium (Ca)) sind fahrenskonzept zu sein (Fig. 4), welches
gas) reagieren und es in die Flüssigpha- natürlich vorkommende Gesteinsformen auf einem zyklischen Druck- und Tempe-
se einbinden. Das damit verbrauchte (in Kombination mit Silikaten), die che- raturverlauf beruht und sequentiell die
Waschmittel muss anschliessend mit viel misch sehr stabil sind und dementspre- beiden massgeblichen Reaktionsschritte
Energieaufwand (Aufheizen mit Hilfe chend gebundenes CO2 sehr zuverlässig (Lösung der aktiven Mineralbestandteile
von Dampf) wieder regeneriert werden, über lange Zeiträume aus der Atmo- aus dem Ursprungsgestein, Bildung und
um es wieder im CO2-Abscheideprozess sphäre entfernt halten. Ausfällung von Karbonaten, steuert.
einsetzen zu können. Bevor das bei der
Waschmittel-Regeneration wieder frei- Ziel der Untersuchungen im Projekt
gesetzte CO2-Gas im Untergrund ver- CARMA war es, die CO2-Mineralisierung
sorgt werden kann, muss es i. d. R. noch unter den für Kraftwerksprozesse tech-
konditioniert (getrocknet) und auf einen nisch relevanten Bedingungen in Labor-
hohen Druck (>80 bar) gebracht wer- versuchen nachzubilden und Optimie-
den. Um all diese aufwendigen, energie- rungspotenzial aufzuzeigen. Die bisher
intensiven Prozessschritte umgehen zu erzielten Ergebnisse zeigten, dass bei
Energieforschung 2012 – Überblicksberichte 7Kraftwerk 2020 und Carbon Capture & Storage (CCS)
nationale zusammenarbeit
Die Programmziele sind anwendungs- und umsetzungsori- Enge Verbindungen werden zum Competence Center Ener-
entiert ausgerichtet [1, 2], woraus sich eine starke Integra- gy & Mobility (CCEM-CH) [3] des ETH-Bereichs unterhalten.
tion und Beteiligung der im angesprochenen Kraftwerksbe- Im Themenbereich Elektrizität im CCEM-CH besteht eine
reich tätigen Herstellerfirmen und Zulieferbetriebe ergibt. weitgehende Übereinstimmung der Zielsetzungen mit der
Ein zentrales Element stellen dabei die Hersteller von Turbo- Ausrichtung des Programms Kraftwerk 2020. Besonders
maschinen und Kraftwerksanlagen dar (Alstom, MAN Tur- hervorzuheben ist hier wiederum das Verbund-Projekt
bo, Turbomach), die mit ihren in der Schweiz angesiedelten Carbon dioxide management in Swiss power generation
Entwicklungs- und Produktionszentren den Garant für die (CARMA), welches im CCEM-CH eingebunden ist und eine
Umsetzung der Programmergebnisse bieten und zusam- signifikante finanzielle Förderung aus ETH-Bereichsmitteln
men mit den in der Schweiz angesiedelten Zulieferfirmen erhält. Das Projekt CARMA, welches einen breiten Bereich
(u.a. Sulzer, Precicast, Stellba, von Roll) sicherstellen, dass von Fragestellungen im Bereich der CO2-Problematik ab-
die Programmaufwendungen vorwiegend in der Schweiz deckt (Gesamtsystemanalysen, Pre-Combustion Decarboni-
wirksam werden. Daneben wird auch eine aktive Betei- zation, CO2-Abscheidungstechniken, CO2-Sequestrierung,
ligung der Strom- und der Gaswirtschaft in der Schweiz sozio-ökonomische Fragen/gesellschaftliche Akzeptanz),
(Swisselectric, VSG) angestrebt, die als Anwender bzw. Ver- und Antworten und Lösungen für die Schweiz sucht, aber
sorger ebenfalls einen wesentlichen Nutzen aus der zu ent- auch Resultate von internationaler Bedeutung bereitstellt,
wickelnden fortschrittlichen Technik ziehen sollen. Die äus- ist mit finanziellen Mitteln aus der Forschungsförderungs-
serst anspruchsvollen technischen Ziele sind nur mit einem organisation von Swisselectric Research ausgestattet. Es ist
verbesserten Verständnis der technischen Zusammenhänge gewünscht und beabsichtigt, diese Verbindungen weiter
und auf einer erweiterten Basis von Grundlagenkenntnissen auszubauen und damit das Programm Kraftwerk 2020
erreichbar. Diesen Beitrag zum Programmerfolg liefern die breit in der Förderlandschaft der Schweiz abzustützen.
akademischen Institutionen der Schweizer Hochschul- und
Das nationale Netzwerk des Programms Kraftwerk 2020
Forschungslandschaft (ETHZ, EPFL, Empa, PSI, FHNW, HSR,
wird regelmässig in einer Jahresveranstaltung gepflegt
ZHW). Sie werden dabei auch ihrem Anspruch gerecht,
(nächster Termin: Juli 2013), bei der ein Überblick über den
neueste technische Erkenntnisse schnell in marktgerechte
Stand der Programmaktivitäten geboten wird und die Gele-
Produkte umsetzen zu helfen. Durch die hohe technische
genheit besteht, sich über die Zielsetzungen und Rahmen-
Kompetenz der im ETH-Bereich angesiedelten Forschungs-
bedingungen des Programms im Detail zu informieren und
institute – zusammen mit praxisnaher Unterstützung aus
mit potenziellen Projektpartnern in Kontakt zu kommen.
den Fachhochschulen – sind die Vorraussetzungen, einen
Bei der Veranstaltung im Jahr 2012 stand der Themenbe-
signifikanten Beitrag zum Programmerfolg beizutragen, in
reich «hoher elektrischer Wirkungsgrad (>60 %)» im Vor-
nahezu idealer Weise gegeben.
dergrund; im Jahr 2013 sollen für das Thema «Netzunter-
stützung/flexible Betriebsweise», der Entwicklungsstand
der massgeblichen Technologien und ihre zukünftigen Per-
spektiven und Potenziale aufgezeigt werden.
8 Recherche énergétique 2012 – Rapports de synthèseEffiziente Energienutzung / Utilisation efficace de l’énergie
internationale zusammenarbeit
Weltweit werden weiterhin grosse Anstrengungen un- Durch die Beobachtung und aktive Teilnahme am Arbeits-
ternommen, um den Wirkungsgrad von gasbefeuerten prozess der EU Technology Platform «Zero Emission Fossil
Kombi-Kraftwerken zu verbessern, und um auf Systeme- Fuel Power Plants» [6] erfolgt sowohl eine regelmässige
bene die CO2-Emissionen zu senken resp. durch Abschei- Abstimmung der Aktivitäten mit anderen nationalen Pro-
den und Lagern ganz zu vermeiden. Deshalb existieren in grammen (der Programm- bzw. der Bereichsleiter haben
vielen Ländern (Deutschland, England, Norwegen, USA, Einsitz in der begleitenden Länderarbeitsgruppe (Govern-
Australien, Japan) und Regionen (z. B. Forschungsinitiati- ment Group)), als auch die Möglichkeit der Mitgestaltung
ve «Kraftwerke des 21. Jahrhunderts» [4] der Länder Bay- von gemeinsamen Entwicklungszielen und EU-Arbeitspro-
ern und Baden-Württemberg) ähnliche (inter-)nationale/ grammen (der Programmleiter ist Mitglied der Arbeits-
regionale Programme wie das Programm Kraftwerk 2020, gruppe Taskforce Technology). Diese Aktivitäten sind un-
mit deren Ausrichtung und aktuellem Fortschritt ein regel- abdingbar, um die Entwicklungen im europäischen Umfeld
mässiger Abgleich stattfindet. Gemeinsame Projekte sind frühzeitig zu erkennen, und Chancen für die Schweiz und
aufgrund nationaler Finanzierungsregeln und komplizierter Schweizer Partner identifizieren und ausschöpfen zu kön-
Konstellationen bezüglich Eigentumsrechten an Projekter- nen. Da eine Realisierung von neuen Kraftwerkskonzepten
gebnissen bisher jedoch nicht konkret in Betracht gezogen im Pilot- und Demonstrations-Massstab erheblicher Finan-
worden. zierungsmittel bedarf, sind solche Entwicklungsschritte nur
auf internationaler/europäischer Ebene denkbar (dies kann
Die europäische Integration wird durch die Einbettung von
auch im Rahmen bi- oder multi-lateraler Zusammenarbeit
Projekten aus dem Forschungsprogramm Kraftwerk 2020
zweier oder mehrerer Länder erfolgen).
im derzeit noch laufenden 7. Forschungsrahmenprogramm
(FP7) der EU verfolgt. Die bisherige Erfahrung mit bereits In einer weiteren europäischen Initiative (ECCSEL: Euro-
erfolgten FP7-Projektausschreibungen zeigt, dass i.d.R. pean Carbon Dioxide Capture and Storage Laboratory
nur grosse Projektkonsortien (10–20 Partner) mit Projekt- Infrastructure), die sich speziell auf die Entwicklung und
anträgen erfolgreich sind. Daher ist es für Schweizer Part- gemeinsame Nutzung von Forschungsinfrastruktur für
ner essentiell, ein gut funktionierendes, weit gespanntes CO2-arme Kraftwerks- und Industrieprozesse konzentriert,
europäisches Netzwerk aufzubauen, um damit die Chance sind akademische Partner des Programms Kraftwerk 2020
zu haben, schon im Frühstadium der Projektentwicklung ebenfalls aktiv.
miteinbezogen zu werden. Dies ist im Rahmen des Euro-
Über Kontakte zu themenrelevanten Initiativen der Inter-
pean Turbine Network (ETN) [5] durch aktive Beteiligung
nationalen Energieagentur (IEA) [7] wie der Working Party
an einem erfolgreichen Projektantrag (H2-IGCC) gelungen.
for Fossil Fuels (WPFF), des Implementing Agreement for
Die Zielsetzung des Projektes (Gesamt-Budget: 17,8 M€,
Energy Conservation and Emission Reduction in Com-
Laufzeit 2009–2013), an dem das Labor für Verbrennungs-
bustion, des Greenhouse Gas R&D Programme sowie des
forschung des Paul Scherrer Instituts (PSI) einen wesentli-
Carbon Sequestration Leadership Forum (CSLF) wird die
chen Anteil hat, ist es, wichtige Technologien und Kompo-
internationale Vernetzung der Programmaktivitäten noch
nenten eines «Null-Emissions»-Kraftwerks auf Basis eines
weiter verstärkt und damit Möglichkeiten eröffnet, durch
integrierten Vergasungs-Kombikraftwerks (Integrated Ga-
gemeinsame Aktionen Projekte zu verwirklichen, die eine
sification Combined Cycle, IGCC) mit CO2-Abscheidung zu
wesentlich grössere (internationale) Breitenwirkung entfal-
demonstrieren.
ten und für die Schweiz allein sonst grundsätzlich gar nicht
zu realisieren wären.
Referenzen
[1] Konzept für das Forschungsprogramm «Kraftwerk 2020», [3] Competence Center Energy and Mobility (CCEM-CH)
BFE, Bundesamt für Energie BFE –Forschungsprogramm Kraft-
[4] Forschungsinitiative «Kraftwerke des 21. Jahrhunderts»
werk 2020.
[5] European Turbine Network (ETN), www.eu-gasturbine.org/
[2] Forschungsprogramm «Kraftwerk 2020»: Ergänzung und
Aktualisierung des Programmkonzepts für den Zeitraum [6] Technology Platform «Zero Emission Fossil Fuel Power Plants»,
2008–2011, Bundesamt für Energie BFE –Forschungsprogramm www.zero-emissionplatform.eu/website/
Kraftwerk 2020
[7] Internationalen Energie Agentur (IEA), www.iea.org
Energieforschung 2012 – Überblicksberichte 9Kraftwerk 2020 und Carbon Capture & Storage (CCS)
Laufende und im Berichtsjahr abgeschlossene Projekte
(* IEA-Klassifikation)
• CARMA – Carbon Dioxide Management in Power Generation R&D 2.3*
Lead: ETH Zürich Funding: BFE
Contact: Mazzotti Marco marco.mazzotti@ipe.mavt.ethz.ch Period: 2009–2012
Abstract: Das CARMA-Projekt befasst sich mit der Abscheidung und Einlagerung von Kohlendioxid (Carbon Capture and Storage). Neben
Gesamt-Systemanalysen und techno-ökonomischen Bewertungen unter länderspezifischen Bedingungen sowie Akzeptanzstudien zur
Einführung von CCS, werden auch eine Vielzahl von technisch-wissenschaftliche Fragestellungen bearbeitet (Abscheidung von CO2 in
Kraftwerksprozessen, Einbindung von CO2 in geologischen Formationen, Ausweisung und Betrieb von CO2-Lagerstätten, etc.).
• Wandintegrierte Kühlungssysteme: Prallkühlung mit komplexen Geometrien R&D 2.3
Lead: EPFL/STI/ISE/LTT Funding: BFE
Contact: Ott Peter peter.ott@epfl.ch Period: 2009–2013
Abstract: Im Projekt werden neuartige Kühlungsgeometrien für Gasturbinen-Schaufeln entwickelt und untersucht. Die innovativen Designs sollen
bereits im Giess-Prozess der Schaufelherstellung mit integriert werden und den Kühlluftbedarf signifikant reduzieren und damit den
Wirkungsgrad der Turbinen deutlich steigern.
• Cooling of Next Generation Turbogenerators R&D 2.3
Lead: ALSTOM Schweiz Ltd. Funding: BFE
Contact: Diestel-Feddersen Lennart lennart.diestel-feddersen@power.alstom.com Period: 2009–2013
Abstract: Turbogeneratoren, Synchronmaschinen die im 50/60Hz-Netz und mit 3000/3600 U/min rotieren, können mit H2 oder mit Luft gekühlt
werden. Luft ist auf Grund der einfachen Handhabung bevorzugt, erzeugt jedoch grössere interne Ventilationsverluste. Durch optimierte
Kühlluft-Führung innerhalb der rotierenden und statischen Bauteile eines Generators sollen diese aerodynamischen Verluste reduziert
werden bzw. durch Vergleichmässigung der lokalen Kühlwirkung «hot spots» vermieden werden.
• Entwicklung von integrierten Motorverdichtern für die Erzeugung von Brenngas
aus Biomasse, Teil 2
R&D 2.3
Lead: MAN Turbo AG Funding: BFE
Contact: Lauber Uwe uwe.lauber@man.eu Period: 2009–2013
Abstract: Integrierte Motor-Verdichter sind direkt mechanisch gekoppelt und hermetisch dicht, weswegen sie besonders vorteilhaft bei
gesundheits-gefährlichen Gasen zum Einsatz kommen. Die integrale Bauweise erfordert allerdings ölfreie (Magnet-)Lager und eine auf
Prozessgas abgestimmte Motorkühlung. Beide Aspekte werden in diesem Projekt für die Anwendung auf Produktgas aus (Biomasse-)
Vergasungsprozessen untersucht.
• BoosterCap – Dynamic Excitation Module R&D 2.3
Lead: ALSTOM Schweiz Ltd. Funding: BFE
Contact: Menzel Johannes johannes.menzel@power.alstom.com Period: 2011–2012
Abstract: Generatoren mit konventioneller Technik müssen bisher bei Spannungsschwankungen (bzw. Frequenzschwankungen) vom Netz
getrennt werden, und verschärfen damit die Problematik. Durch die im Projekt untersuchte Einbindung von Kurzzeitspeichertechnologien
(Hochleistungskondensatoren) und Leistungshalbleiter-Schalterelementen sollen längere bzw. tiefere Spannungs-/Frequenz-Einbrüche
ohne Trennung vom Netz möglich werden und damit zur Stabilisierung der Situation beitragen.
10 Recherche énergétique 2012 – Rapports de synthèseEffiziente Energienutzung / Utilisation efficace de l’énergie
Energieforschung 2012 – Überblicksberichte 11Kraftwerk 2020 und Carbon Capture & Storage (CCS) 12 Recherche énergétique 2012 – Rapports de synthèse
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