Effizienzoptimierte CO2-Abtrennung in IGCC-Kraftwerken mittels Wassergas- Shift-Membranreaktoren

Vergasungskraftwerke auf Basis von Kohle und Biomasse (engl. Integrated Gasification Combined Cycle, kurz IGCC) bieten bei der Überführung des festen Brennstoffes in einen gasförmigen Zustand von vornherein einen erhöhten Prozessdruck für einen CO2- Abtrennschritt. Dies ist aus thermodynamischen Gründen eine der wichtigsten Rahmenbedingungen für eine effiziente CO2-Abtrennung. Bisher allerdings vermelden prognostizierte Wirkungsgradverluste im Bereich von 6 bis 11 %-Punkten je nach Vergasungsprozess noch nicht die Ausschöpfung dieses Potentials. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, inwiefern Gastrennmembranen durch optimierte Integration in speziell für die Membran modifizierten IGCC-Prozessen auch alle sonstigen Rahmenbedingungen des CO2-Abtrennprozesses günstig gestalten können. Zur Schaffung eines Vergleichsmaßstabs wurden sowohl ein Referenzkraftwerk als auch eine Selexol-basierte CO2-Abtrennung ausgelegt und simuliert. Dabei reduziert sich der Wirkungsgrad von 48,0 auf 38,4 %, dies entspricht einem erheblichen Brennstoffmehrbedarf von 25 %. Die Analyse der Simulationsergebnisse zeigt, dass dies neben dem Eigenbedarf der Selexol-Wäsche und der CO2-Kompression nach der Niederdruck- Regeneration des Lösungsmittels hauptsächlich der Wassergas-Shift-Reaktion anzulasten ist. Zur Reduktion des hohen Wirkungsgradverlustes wurde eine zielgerichtete Konzeptentwicklung zur optimierten Integration der Gastrennmembranen durchgeführt. Diese resultierte in der Verwendung einer H2-selektiven Membran, welche mit der Wassergas- Shift-Reaktion in einem Wassergas-Shift-Membranreaktor (WGS-MR) kombiniert und im 4-End-Modus mit unter Druck stehendem rezirkulierten Abgas im Gegenstrom gespült wird. Zusätzlich wurde als eine neue verfahrenstechnische Komponente der „Membran- Dampfrekuperator“ vorgeschlagen und angewendet, um die Dampfnutzung im Prozess zu optimieren. Insgesamt gelang es so, alle wirkungsgradschädlichen Energieabflüsse signifikant zu drosseln: ? Reduktion des CO2-Kompressionsbedarfs dank Erhalt des CO2-Druckes ? Vermeidung von energetischem Eigenbedarf beim Trennprozess dank Spülgas ? Frischdampfreduktion und CO-Umsatzsteigerung dank Membranreaktor ? Wassergas-Shift-Reaktionswärmetransport mit dem Spülgas zum Turbinenprozess ? Frischdampfminimierung am WGS-MR dank Membran-Dampfrekuperator In der Simulation vermochte es „die Membran“ mit all ihren innovativen peripheren Konzeptmerkmalen in der Summe, den Wirkungsgradverlust von 9,6 auf 3,6 %-Punkte zu reduzieren. Das exzellente Potential des IGCC-Prozesses zur verlustarmen CO2- Abtrennung kann demzufolge weit ausgeschöpft werden, wenn das hier entwickelte Kraftwerkskonzept konsequent bis zur technischen Umsetzung geführt wird.