Martin Keilhacker München E-Studie: Kapitel „Moderne fossile Kraftwerke: Effizienzsteigerung und CO2-Abscheidung“ Martin Keilhacker München Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009

Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009 Was wird behandelt? ● Die Rolle der fossilen Kraftwerke weltweit und in Europa/D ● CO2-Reduktion mit konventionellen Technologien ● Zukünftige Entwicklung: CO2-Abscheidg. u. -Speicherung (CCS) ● Abschätzung der bis 2030 erreichbaren Senkung der CO2-Emissionen ● Fazit Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009

Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009 Primärenergieverbrauch [%] und Stromerzeugung [%] nach Energieträgern: 2005/2006 – weltweit, EU-27 und D Welt EU-27 D 2005 2006 2006 Primärenergieverbrauch [%] Kohle 25,3 17,8 23,6 Erdöl 35,0 36,9 35,7 Erdgas 20,6 24,0 22,8 Kernenergie 6,3 14,0 12,4 Erneuerbare Energien 12,7 7,1 6,0 Gesamter PEV [EJ] 479 76,4 14,6 Stromerzeugung [%] Kohle 43 28,6 45,7 Erdöl 9 3,9 1,5 Erdgas 20 20,2 11,1 Kernenergie 15 29,5 26,3 Erneuerbare Energien 13 14,3 12,0 Ges. Stromverbrauch [TWh] 18.700 3.354 637 Bei Stromerzeugung überwiegt Kohle, gefolgt von Erdgas u. Kernenergie. EE holen auf! Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009

Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009 Anstieg des Primärenergieverbrauchs in der Stromerzeugung weltweit bis 2030 (IEA 2002) • Neubaubedarf 2020: 2500 GW 2030: 4800 GW • Schwellenländer: Zusatzbedarf • Europa: Ersatzbedarf Quelle: World Energy Outlook 2002 Weltweit im Jahr 2030 Konkurrenz Kohle-Erdgas – zusammen 65%. Rest EE u. KE. Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009

Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009 Kraftwerkszubaubedarf in der EU – Stromlücke? (nach A. Voß, Stuttgart, Vortrag DPG-Tagung Hamburg 02.03.09) Ersatzbedarf und steig. Stromverbrauch (0.5%/a) → Stromlücke von 300 GW in 2020 Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009

Development of Power Station Park to 2020 (2030) with and w/o (+20 yrs) phasing out of nuclear power Electricity demand remains constant over the years [‚dena‘ Studie (März 2008): Kraftwerks- und Netzplanung in Deutschland bis 2020 (2030)] Missing power w/o nuclear energy: 2020: 15.8 GW (2030: 27.8 GW) Missing power w/o nuclear energy: 2020 15.8 GW (2030 27.8 GW) Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009

CO2-Reduktion mit konventionellen Technologien ● Wirkungsgradsteigerung (s. Abb. 8-10) ● Ersatz von Kohle durch Erdgas – Braunkohle/ Steinkohle mit 0.40/ 0.33 kg CO2/kWhWärme → Erdgas mit 0.19 kg CO2/kWhWärme, d.h. fast Faktor 2 besser – Gas-GuD-Kraftwerke haben sehr hohen Wirkungsgrad (bis 62%) – aber: Gas hat deutlich höhere Kosten u. größeres Versorgungsrisiko Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009

Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009 Wirkungsgradsteigerung [%] bei Steinkohle-Kraftwerken (nach H. Spliethoff, TU München, Vortrag AKE 23.04.2009) 55 50 46 43 38 30 22 Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009

Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009 Entwicklungspotential von kohlebefeuerten Dampfkraftwerken (nach I. Pyc u. P. Klüsener, Siemens PG, VDE Kongress, Berlin 2004) Werkstoffentwicklung Nettowirkungsgrad Prozess- und Komponentenentwicklung ● Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009

Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009 Kohlekraftwerke: Wirkungsgradsteigerung und CO2-Reduzierung (Quelle: VGB 2009/10) Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009

Zukünftige Entwicklung: CO2-Abscheidung u. -Speicherung (CCS) ● CO2-Abscheidung: Verschiedene Verfahren (s. Abb. 12 -13) ● Langzeitige Speicherung von CO2 (s. Abb. 14 -16) ● CO2-Vermeidungskosten (s. Abb. 17) ● Zeitfenster für Umrüstung („Window of opportunity“) Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009

Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009 Verfahren zur CO2-Abscheidung (nach H. Spliethoff, TU München, Vortrag AKE 23.04.2009) WG-Verlust: WG mit CCS: (10%-14%) 28% 11.5% 37% (8%-10%) 42% Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009

Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009 CO2-Abscheidung: Verfahrensvergleich hinsichtlich Wirkungsgrad und Kosten (nach H. Spliethoff, TU München, Vortrag AKE 23.04.2009) Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009

Carbon Capture and Storage (CCS): Prinzip Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009

Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009 Kapazitäten für CO2-Speicherung weltweit, in Europa und Deutschland (nach FZ Jülich, „Zukünft. Energieversorgung. ….“, Abschlußbericht 2006, S.28) CO2-Produktion: 25 Gt/a CO2-Produktion: 0.4 Gt/a Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009

Speicherkapazitäten für CO2: Reichweite in Jahren Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009

CO2-Vermeidungskosten – Zeitfenster f. Umrüstung auf CCS Nach Untersuchungen des FZ Jülich (Abschlussbericht „Zukünft. Energieversorgung unter d. Randbedingungen einer großtechn. CO2-Abscheidung u. Speicherung“, 2006): ● CO2-Vermeidungskosten [Euro/t CO2]: 2020 2030 Kohle-KW: 35 - 50 <30 - 40 Erdgas-GuD-KW: 50 - 65 45 - 60 ● Zubaubedarf für Kohle-KW sollte um 2020 nächstes Maximum erreichen, dann erst wieder um 2045 → Argument für Verlängerung der Laufzeiten von sicheren deutschen Kernkraftwerken Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009

Abschätzung der bis 2030 erreichbaren Senkung der CO2-Emissionen ● Extrapolation d. Beobachtungen 1990-2008 – der „Trend“ ● Erhöhung d. Gasanteils (20% auf 40%) ● Teilweiser Einsatz von CCS (¼ bzw. ½ d. KW-Parks) Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009

Ausgangsdaten für 2007 mit Vergleichswerten für 1992 Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009

Spezif. CO2-Emission des Kraftwerksparks in D von 1992 bis 2007, sowie mögliche Verminderungen gegenüber Trend (für 2030) : höherer Gasanteil bzw. teilweiser Einsatz von CCS Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009

Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009 Mittlere spezif. CO2-Emission des KW-Parks in D: Ergebnisse 1990-2007, der Trend u. mögl. Besserungen gegenüber Trend (für 2030): höherer Gasanteil bzw. teilweiser Einsatz von CCS 935 Basis 1990 - 0.74 % pro Jahr 694 Trend 651 Gas verdoppelt 587 ¼ CCS 427 ½ CCS Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009

Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009 Fazit ● Kohle, und zunehmend Erdgas, werden weltweit in den nächsten Jahrzehnten weiterhin dominieren (IEA: in 2030 zus. 65 Prozent). Rest EE u. KE. ● Verfahren zur CO2-Abscheidung und langfristigen Speicherung (CCS) müssen mit höchster Priorität entwickelt und in Pilot- u. Prototypanlagen auf großtechnische Tauglichkeit getestet werden. ● Strategische Tragweite verlangt, dass möglichst frühzeitig (ca. 2020) feststeht, - ob CCS überhaupt ein gangbarer Weg ist, - und wenn ja, mit welchen Verfahren und zu welchen Kosten. ● KW mit CCS haben Wirkungsgradverlust von 8 – 12 Prozentpunkten, und benötigen 20 bis 40 Prozent mehr Brennstoff pro KWh Strom ● ‚Window of Opportunity‘ für Markteinführung von KW mit CCS um Jahr 2020 → Argument für Laufzeitverlängerung von sicheren deutschen KKW Martin Keilhacker – AKE/DPG AKE-Herbstsitzung, 22./23. Oktober 2009