Vorhabensziel ist die Entwicklung und Bewertung eines Referenzkonzeptes für eine hocheffiziente Energieanlage auf Basis eines integrierten Gas-Dampf-Prozesses. Der Prozess verfügt über eine hohe Wärmelastvariabilität und bietet die Möglichkeit zur Nutzung industrieller Abwärme. Zugleich ist er wirtschaftlicher gegenüber heutigen ausgeführten KWK-Anlagen. Der Prozess nutzt die Möglichkeit, Wasserdampf, der im Abhitzekessel erzeugt wird oder in einem externen Prozess anfällt, an geeigneten Stellen vor dem Turbineneintritt zu injizieren. Die Möglichkeit, zwischen Wärmeauskopplung und innerer Wiedereinspeisung zu wechseln, ist ein wesentlicher Vorteil des Prozesses. Prozessanalyse und -simulation sollen effektive Schaltungen und Variationsmöglichkeiten aufzeigen. Es werden für einzelne Komponenten technische Lösungen erarbeitet, wobei der Schwerpunkt auf der Gasturbine liegt. Die energiewirtschaftliche Bewertung vergleicht Konkurrenztechnologien und bewertet die ökonomische Einsatzfähigkeit. Die Ergebnisse sollen bei dezentralen und hybriden Energieanlagen umgesetzt werden. Zwischenschritte sind eine Versuchsanlage an der TUD (kleiner als 1 MW) und eine Demoanlage größerer Leistung.
Die Chemiewerk Bad Köstritz GmbH ist ein mittelständischer Hersteller von anorganischen Spezialchemikalien. Für die chemischen Herstellungsprozesse im Werk wird Dampf benötigt, für dessen Erzeugung Erdgas verbrannt wird. Zur Herstellung von Thiosulfaten und Sulfiten kommen flüssiges Schwefeldioxid und Schwefel zum Einsatz. Um Kieselsole und -gele herzustellen, wird konzentrierte Schwefelsäure verwendet. Bisher werden die benötigten Rohstoffe von externen Lieferanten bezogen und am Standort gelagert. Gegenstand des Vorhabens ist die Umsetzung eines innovativen Verfahrenskonzepts, mit welchem auf Basis von flüssigem Schwefel die weiteren benötigten Rohstoffe nach Bedarf am Standort hergestellt werden können. Im Zentrum steht die Errichtung einer Anlage zur Verbrennung von flüssigem Schwefel, der als Abprodukt bei Entschwefelungsprozessen in Raffinerien oder Kraftwerken anfällt. Das bei der Verbrennung entstehende Schwefeldioxid (SO 2 ) wird mit einem Abhitzekessel abgekühlt. Ein Teil davon wird im Anschluss mit Hilfe einer Adsorptionskälteanlage verflüssigt. Der andere Teil des SO 2 wird in einem Konverter mittels eines Katalysators zu Schwefeltrioxid (SO 3 ) oxidiert und anschließend in einem Adsorber in konzentrierte Schwefelsäure umgewandelt, das Verhältnis SO 2 zu H 2 SO 4 (Schwefelsäure) kann dem Bedarf der Produktion flexibel angepasst werden. Mit der bei den Prozessen entstehenden Wärme wird Dampf erzeugt, welcher für den Antrieb des Gebläses für die Verbrennungsluft, zum Betrieb der Adsorptionskälteanlage und mittels einer Turbine zur Stromerzeugung genutzt wird. Der restliche Dampf wird in das vorhandene Dampfnetz des Werks eingespeist. Der erzeugte Strom wird zum Betrieb der Anlage und darüber hinaus für den Eigenbedarf am Standort verwendet. Das innovative Verfahrenskonzept geht deutlich über den Stand der Technik in der Chemiebranche hinaus und hat Modellcharakter. Es zeigt auf, wie an einem Standort aus einem einzigen Rohstoff verschiedene Produkte wirtschaftlich, bedarfsgerecht und gleichzeitig umweltfreundlich hergestellt werden können. Die Reduzierung der Anzahl der Rohstofftransporte trägt zur Umweltentlastung bei. Das Verfahren erzeugt keine Abfälle und Abwässer. Mit der konsequenten Abwärmenutzung zur Dampferzeugung können ca. 50 Prozent des Grundbedarfs an Dampf des Werks gedeckt und dadurch etwa die Hälfte des bisher zur Dampferzeugung genutzten Erdgases eingespart werden. Gegenüber dem gegenwärtigen Produktionsverfahren können insgesamt ca. 3.400 Tonnen CO 2 -Emissionen jährlich vermieden werden, was einer Minderung um etwa 33 Prozent entspricht.
Branche: Chemische und pharmazeutische Erzeugnisse, Gummi- und Kunststoffwaren
Umweltbereich: Ressourcen
Fördernehmer: Chemiewerk Bad Köstritz GmbH
Bundesland: Thüringen
Laufzeit: seit 2019
Status: Laufend
Die Chemiewerk Bad Köstritz GmbH ist ein mittelständischer Hersteller von anorganischen Spezialchemikalien. Für die chemischen Herstellungsprozesse im Werk wird Dampf benötigt, für dessen Erzeugung Erdgas verbrannt wird. Zur Herstellung von Thiosulfaten und Sulfiten kommen flüssiges Schwefeldioxid und Schwefel zum Einsatz. Um Kieselsole und -gele herzustellen, wird konzentrierte Schwefelsäure verwendet. Bisher werden die benötigten Rohstoffe von externen Lieferanten bezogen und am Standort gelagert.
Gegenstand des Vorhabens ist die Umsetzung eines innovativen Verfahrenskonzepts, mit welchem auf Basis von flüssigem Schwefel die weiteren benötigten Rohstoffe nach Bedarf am Standort hergestellt werden können. Im Zentrum steht die Errichtung einer Anlage zur Verbrennung von flüssigem Schwefel, der als Abprodukt bei Entschwefelungsprozessen in Raffinerien oder Kraftwerken anfällt. Das bei der Verbrennung entstehende Schwefeldioxid (SO2) wird mit einem Abhitzekessel abgekühlt. Ein Teil davon wird im Anschluss mit Hilfe einer Adsorptionskälteanlage verflüssigt. Der andere Teil des SO2 wird in einem Konverter mittels eines Katalysators zu Schwefeltrioxid (SO3) oxidiert und anschließend in einem Adsorber in konzentrierte Schwefelsäure umgewandelt, das Verhältnis SO2 zu H2SO4 (Schwefelsäure) kann dem Bedarf der Produktion flexibel angepasst werden. Mit der bei den Prozessen entstehenden Wärme wird Dampf erzeugt, welcher für den Antrieb des Gebläses für die Verbrennungsluft, zum Betrieb der Adsorptionskälteanlage und mittels einer Turbine zur Stromerzeugung genutzt wird. Der restliche Dampf wird in das vorhandene Dampfnetz des Werks eingespeist. Der erzeugte Strom wird zum Betrieb der Anlage und darüber hinaus für den Eigenbedarf am Standort verwendet.
Das innovative Verfahrenskonzept geht deutlich über den Stand der Technik in der Chemiebranche hinaus und hat Modellcharakter. Es zeigt auf, wie an einem Standort aus einem einzigen Rohstoff verschiedene Produkte wirtschaftlich, bedarfsgerecht und gleichzeitig umweltfreundlich hergestellt werden können. Die Reduzierung der Anzahl der Rohstofftransporte trägt zur Umweltentlastung bei. Das Verfahren erzeugt keine Abfälle und Abwässer. Mit der konsequenten Abwärmenutzung zur Dampferzeugung können ca. 50 Prozent des Grundbedarfs an Dampf des Werks gedeckt und dadurch etwa die Hälfte des bisher zur Dampferzeugung genutzten Erdgases eingespart werden. Gegenüber dem gegenwärtigen Produktionsverfahren können insgesamt ca. 3.400 Tonnen CO2-Emissionen jährlich vermieden werden, was einer Minderung um etwa 33 Prozent entspricht.
Als Stand-der-Technik wird in der Wirbelschichtverbrennung von Biomasse Quarzsand als Bettmaterial eingesetzt. Ziel des OxyCar-FBC Projekts ist es Mineralien und Abfallprodukte aus der Stahlerzeugung, die reich an Metalloxiden (hauptsächlich Fe und Mn) sind hinsichtlich ihrer Eignung als aktives Bettmaterial in der Wirbelschichtverbrennung von Biomasse zu untersuchen. Solche Sauerstoffträger können durch brennbare Gase reduziert und durch die Verbrennungsluft oxidiert werden. Dabei soll vor allem das Potential zur Steigerung des Wirkungsgrades und zur Reduktion von Emissionen bestimmt werden.
Im Rahmen des Projektes werden drei Anwendungen mit kurzfristigen bzw. mittel-/langfristigen Verwertungspotential untersucht:
1) Oxygen-Carrier-Aided-Combustion (OCAC): Die Metalloxide werden direkt als Bettmaterial in herkömmlichen Wirbelschichten eingesetzt um die Effizienz der Verbrennung zu erhöhen und Emissionen (NOx, CO) zu reduzieren.
2) Chemical-Looping Combustion mit CO2-Abscheidung: Metalloxide werden auf eine innovative Weise eingesetzt um CO2 inhärent aus dem Verbrennungsprozess nahezu ohne Energieaufwand abzuscheiden.
3) Chemical-Looping Combustion ohne CO2-Abscheidung: Wie Nr. 2, allerdings ohne einen hochreinen CO2-Strom zu erhalten. Ziel ist es erhöhte Dampfparameter zu erreichen und Emissionen wie z.B. NOx zu reduzieren.
Alle drei Technologien sind stark miteinander verbunden und basieren auf der Wirbelschicht-technik und deren Kombination mit Abhitzekesseln. Es ist beabsichtigt, Emissionen von Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplungen zu reduzieren und deren Wirkungsgrad bzw. Wirtschaftlichkeit zu erhöhen. Langfristig soll zusätzlich eine Technologie bereitstehen, mit der ein hochkonzentrierter CO2-Strom zu weiteren Verwendung (bio-based economy) oder Speicherung (BECCS) bereitgestellt werden kann. Die erwähnten Materialien sind hinsichtlich ihrer Eignung für die Wirbelschichtverbrennung von Biomasse noch unerforscht. Das betrifft vor allem ihrer Reaktivität, Lebensdauer und das Potential zur Emissionsreduktion. Diese Punkte werden im vorliegenden Projekt umfangreich an diversen Versuchsanlagen unter relevanten Bedingungen untersucht.
Die vielversprechendsten Materialien werden in kommerziellen Wirbelschichtfeuerungen (10 MW und bei Erfolg 100 MW) hinsichtlich ihrer Eignung für OCAC untersucht. Dadurch wird ein signifikanter Schritt im Vergleich zum Stand-der-Technik hinsichtlich der Verfügbarkeit und Performance von Sauerstoffträgern für kommerzielle Wirbelschichtfeuerungen gemacht. Abschließend werden die drei Untersuchten Technologien in techno-ökonomischen Untersuchungen auf ihre Wirtschaftlichkeit untersucht. Diese Untersuchungen werden von einem Anlagenbauer mit langjähriger Erfahrung im Bereich Biomasse-KWKs durchgeführt und stellen eine signifikante Verbesserung zum Stand der Technik dar.