Erdgasnutzung und IGCC-Kraftwerke: Effizienz und Umweltvorteile

Anwendungen und Verarbeitung von Erdgas

Erdgas kann direkt als Brennstoff oder als Synthesegas für die petrochemische Industrie verwendet werden. Die daraus gewonnenen Transformationen und Produkte entsprechen denen, die aus Synthesegas und der Raffination von Rohöl gewonnen werden.

Erdgas ist aus Umweltsicht der sauberste fossile Brennstoff, da es pro Energieeinheit weniger CO2 produziert als andere fossile Brennstoffe. Allerdings ist es schwieriger zu lagern und zu transportieren als feste und flüssige Brennstoffe.

Da Erdgas sich besser mit Luft mischt, benötigt es weniger Sauerstoff für eine vollständige Verbrennung. Dies spart Energie und ermöglicht eine bessere Regulierung sowie Wärmeübertragung. Es ermöglicht auch die Kontrolle der Flammenform und somit eine präzisere Steuerung der Prozesstemperatur und spezifischen Leistung.

Da Erdgas leichter als Luft ist, neigt es dazu, sich bei Leckagen in der Atmosphäre zu verteilen. Es sammelt sich daher unwahrscheinlich an tief gelegenen Stellen an, was die Gefahr der Entflammbarkeit an gefährlichen Orten reduziert.

In der Industrie ist Erdgas sofort einsatzbereit, sodass keine Pumpen, Heizungen oder Zusatzstoffe benötigt werden. Auch wärmegedämmte Rohrleitungen sind nicht erforderlich.

Vorteile von Erdgas gegenüber anderen fossilen Brennstoffen

1. Die Verbrennungsprodukte haben einen geringen Gehalt an Schwefelverbindungen. Dies führt zu niedrigeren Emissionstemperaturen, verbessert die Effizienz und verhindert Korrosion in der Abgasführung.
2. Die Verbrennungsprodukte haben keine schädlichen Auswirkungen auf die zu erhitzenden Produkte. Daher ist eine direkte Anwendung bei Lebensmitteln, Keramikglasuren usw. möglich. Zudem verlängert sich die Lebensdauer feuerfester Materialien.
3. Das Fehlen von Asche hält die Wärmetauscher sauber, verbessert die Leistung und senkt die Wartungskosten.

Darüber hinaus ist der Wirkungsgrad eines Gaskessels mit rund 71 % sehr hoch, verglichen mit dem Wirkungsgrad der Stromerzeugung aus Erdgas (40 %). Wird dieser Strom dann zur Wärmeerzeugung genutzt, sinkt der Gesamtwirkungsgrad noch weiter. Es ist daher sinnvoller, Erdgas direkt zur Wärmeerzeugung im Haushalt und zur Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) in der Industrie einzusetzen.

Integrierte Vergasung im Kombi-Kraftwerk (IGCC)

Diese Anlagen bestehen aus zwei Haupteinrichtungen:

• Die Vergasungsanlage, die Synthesegas erzeugt.
• Das Gas- und Dampfturbinen (GuD)-Kraftwerk, das Strom mittels einer Gasturbine und einer Dampfturbine erzeugt.

Als Brennstoff für eine Gasturbine dient das Produkt der Vergasung anderer Brennstoffe – meist Kohle oder Petrolkoks –, die direkt in der Anlage erfolgt. Die dabei entstehende Restwärme wird anschließend zur Erzeugung von Dampf für eine Dampfturbine genutzt. Die erzeugte Gesamtleistung ist somit die Summe der Leistung aus dem Dampfkreislauf und der im Gasprozess erzeugten Leistung.

Vorteile des IGCC-Verfahrens

Die Vorteile eines verbesserten Wirkungsgrades (typischerweise ca. 45 % gegenüber 38 % bei konventionellen Anlagen) reduzieren nicht nur die Stromerzeugungskosten, sondern auch die Menge an emittiertem Kohlendioxid pro Kilowattstunde Strom.

Prozessablauf im IGCC-Kraftwerk

Im Integrierten Vergasungs-Kombi-Kraftwerk (IGCC) wird Kohle per LKW zum Kohlelager der Anlage transportiert und dort abgeladen. Vom Lager aus transportiert ein Förderband die Kohle zur Aufbereitungsanlage, wo der Brennstoff besprüht und getrocknet wird. In dieser Anlage wird die Luft gereinigt und gekühlt, um Sauerstoff für die Kohlevergasung und Stickstoff zur Leistungssteigerung des Vergasergases zu gewinnen.

Der Vergaser erhält den pulverisierten Brennstoff aus der Aufbereitungsanlage und erzeugt durch die Injektion von Sauerstoff und Wasserdampf ein Synthesegas bei sehr hoher Temperatur. Die Wärme dieses Gases wird genutzt, um den Wasserkreislauf zu erweitern und Dampf zu erzeugen, der die Dampfturbine antreibt. Sobald das Synthesegas abgekühlt ist, können vorhandene feste Aschepartikel abgetrennt werden.

Das im Vergaser erzeugte Gas durchläuft vor der Verbrennung eine Entschwefelungseinheit, wo Schwefel entfernt wird. Sobald es sauber ist, wird das Gas zur Gasturbinengruppe geleitet.

Die Gasturbinengruppe

Die Gasturbinengruppe besteht aus einem Gaskompressor, der Außenluft ansaugt und für eine optimale Verbrennung aufbereitet, einer Brennkammer, in der das Gas verbrannt wird, und der Gasturbine selbst, in der sich die Verbrennungsgase ausdehnen und einen elektrischen Generator antreiben. Die erzeugte elektrische Energie wird zu Hochspannungstransformatoren im Umspannwerk geleitet, um Spannung und Stromstärke für die Hochspannungsübertragung anzupassen.

Wärmerückgewinnung und Dampfkreislauf

Im Abhitzekessel wird die Abwärme der Gasturbinenabgase genutzt, bevor diese in die Atmosphäre abgegeben werden, um Dampf bei verschiedenen Drücken zu erzeugen. Dieser Dampf wird der Dampfturbine zugeführt. Wie bereits erwähnt, wird auch im Kessel des Vergasers Dampf erzeugt. Dabei wird die hohe Temperatur des Synthesegases genutzt, um vorgewärmtes Wasser im Abhitzekessel zu verdampfen. Ähnlich wie die Gasturbine treibt die Dampfturbine einen Generator an, der Strom erzeugt. Dieser Strom wird dann zum Hochspannungs-Umspannwerk des Transportnetzes geleitet.

Kondensation und Abfallbehandlung

Der Dampf am Turbinenausgang wird durch Wärmeaustausch mit Kühlwasser kondensiert. Das Kühlwasser gibt die aufgenommene Wärme im Kühlturm ab. Die flüssigen Abfälle der Anlage werden in einer Abwasserreinigungsanlage behandelt.