III LIEKKIPÄIVÄ 31.1.2007 Teknillinen korkeakoulu, Dipoli, Otaniemi

III LIEKKIPÄIVÄ 31.1.2007 Teknillinen korkeakoulu, Dipoli, Otaniemi Happipolttokonseptit Toni Pikkarainen, VTT Copyright VTT

Taustaa CO 2 päästötön energiantuotanto Ilmakehän CO 2 pitoisuus on korkeimmalla tasollaan 650 000 vuoteen. Maailmanlaajuisesti energia alan tutkimuksen päähuomio on keskittynyt hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen ilmaston lämpenemisen hillitsemiseksi. Ilmastonmuutoksen kannalta energia alan toimilla on suuri merkitys, sillä noin kolmasosa ihmisen aiheuttamista hiilidioksidipäästöistä on peräisin fossiilisilla polttoaineilla tuotetusta energiasta. Poliittiset ohjauskeinot lähinnä Kyoton sopimus ja päästökauppa kannustavat CO 2 päästöjen vähentämiseen Hiilidioksidipäästöjä on perinteisesti voitu vähentää kolmella tavalla: pienentämällä energiankulutusta siirtymällä käyttämään CO 2 päästöttömiä energiantuotannon muotoja (esim. biopolttoaineet, vesi, tuuli ja ydinvoima) parantamalla fossiilisia polttoaineita käyttävien voimalaitosten hyötysuhdetta Uusin päästöjen vähentämiskeino on erottaa ja varastoida polttoaineen hiilidioksidi joko ennen polttamista tai polttamisen jälkeen, jolloin päästään lähes päästöttömään energiantuotantoon. 2 Lähde: R. A. Rohde

HAPPIPOLTTOKONSEPTIT TEKES RYHMÄHANKE ClimBus TEKNOLOGIAOHJELMASSA HAPPIPOLTTOKONSEPTIT ILMIÖTUTKIMUS palaminen tuhkan muodostuminen materiaalit HAPEN VALMISTUS kryogeeniset membraanit kiintoaine adsorptio POLTTO PROSESSI CFB PC CLC arina CO 2 :n VARASTOINTI kuljetus loppusijoitus seuranta CO 2 :n EROTUS kompressointi kiintoaineadsorptio nesteadsorptio KONSEPTIT simulointi optimointi demonstraation suunnittelu kilpailukyky TUTKIMUSLAITOKSET VTT (54%) TK502 (bioenergia) TK506 (prosessikemia) TK503 (polttoainejalosteet) TK106 (virtuaalimallit) LTY (17%) TKK (11%) TTY (18%) RAHOITTAJAT Foster Wheeler Metso Power PVO Fortum VAPO JE TEKES TTY VTT Projektissa tarkastellaan, kehitetään ja optimoidaan potentiaalisimpia happipolttokonsepteja ja luodaan suunnitelmat happipolttolaitoksen demonstraatioille. Projektin tuloksena saadaan tietoa happipolton asettamista vaatimuksista sekä olemassa oleville että uusille laitoksille, mikä on oleellista arvioitaessa konseptin liiketoimintapotentiaalia. 3

Päätavoitteet: teknis taloudellinen arvio eri hapen valmistustekniikoista, polttoprosesseista ja CO2:n erottamisprosesseista sekä näiden integroimisesta kokonaiskonseptiksi HAPPIPOLTTOKONSEPTIT Tavoitteet ja tulokset luoda tekninen valmius happipolton demonstraatiolaitokselle parhaan nykytietämyksen, kokeellisen tutkimuksen sekä mallinuksen ja simuloinnin avulla valmistella demonstrointisuunnitelma happipoltolle olemassa olevalle voimalaitokselle Suomessa arvioida happirikastuksen käyttöä voimalaitosten tehonlisäykseen Päätulokset: arvio happipolton liiketoimintapotentiaalista olemassa olevilla ja uusilla voimalaitoksilla Suomen energialan yritysten kilpailukyvyn parantaminen kehittämällä CO 2 päästöttömiä energiantuotantotekniikoita 2000 First oxygen combustion demonstration launching Vattenfall / Schwarze Pumpe, Germany, 30 MW th Feasibility studies Process studies Cost estimations Marketing studies Environmental impacts Commission of first oxygen combustion pilot 2003 2006 2009 2012 2015 Techno economical evaluations Burning Emissions Hydrodynamics Materials EU/USA MW size demos Technical development General research and development 4 Power plant scale demonstration EU/USA 2. phase demos Utility scale oxygen combustion power plant

Käyttämällä palamiskaasuna happea ilman sijasta, estetään typpeä laimentamasta savukaasua, jolloin CO 2 :n erottaminen on edullisempaa. Mitä on happipoltto? Ilma O 2 Kattila N 2 Savukaasun puhdistus Osittainen savukaasun kierrätys CO 2 /H 2 O Osa savukaasusta kierrätetään takaisin tulipesään palamislämpötilan hallitsemiseksi. CO 2 Lauhdutin Lähes puhdas CO 2 on erotettu savukaasusta, jonka jälkeen se paineistetaan nestemäiseksi, jolloin se voidaan kuljettaa varastoitavaksi. Höyryturbiini H 2 O Lämpötila [ C] 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 Hapen valmistuslaitos Polttoaine ILMA POLTTO Adiabaattinen palamislämpötila Kierrätetyn savukaasun osuus 20 30 40 50 60 Palamiskaasun happipitoisuus [%] G 90 80 70 60 50 40 30 20 Savukaasun kierrätys [%] Esimerkki sisään syötettävien kaasujen ja savukaasujen koostumuksesta bitumisella hiilellä Sisään syötettävä kaasu [vol %] Savukaasu [vol %] Ilmapoltto Happipoltto Ilmapoltto Happipoltto CO 2 0.00 50.81 14.75 68.79 H 2 O 0.81 20.83 6.82 28.20 SO 2 0.00 0.0114 0.0089 0.0154 O 2 20.83 28.00 3.26 2.51 N 2 78.36 0.35 75.16 0.47 Normitettu virtaus 100 69 100 70 5

Mitä on Chemical Looping Combustion (CLC)? 1 2 3 Example of an oxygen carrier: freeze granulated and sintered synthetic particles composed of 60% Fe2O3 and 40% Al2O3 Chemical looping combustion: ilmareaktorissa (1) happi sitoutuu kiinteisiin hapenkuljetuspartikkeleihin syklonissa (2) erotetaan hapenkuljetuspartikkelit happiköyhdytetystä ilmasta ja johdetaan kaasulukon kautta palamisreaktoriin (3) palamisreaktoriin (3) syötetään kaasumaista polttoainetta, joka palaa hapettuu hapenkuljetuspartikkeleiden pelkistyessä pelkistyneet hapenkuljetuspartikkelit johdetaan kaasulukon kautta takaisin ilmareaktoriin (1) savukaasut ovat lähes puhdasta hiilidioksidia ja vesihöyryä, jolloin veden poiston jälkeen CO 2 voidaan nesteyttää kompressoimalla/jäähdyttämällä varastointia/hyötykäyttöä varten 6

Plant cost [ /MWh] 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 CO2 transp. & storage Fuel O&M Investment Total 41.6 0.0 11.7 4.0 25.9 Tulosesimerkkejä: Taloudellinen arviointi Total 62.2 10.2 Total 63.4 10.3 15.1 15.4 5.0 5.0 32.0 32.7 Total 52.1 PC OxyPC OxyCFB OxyPC/ITM 4.2 14.0 5.0 28.9 Lähde: Nordpool Case tarkastelu kuvitteelliselle uudelle 2026 MWth hiililauhdevoimalalle Taloudellisessa arvioinnissa pölypolttokattila (PC), happipoltto PC (OxyPC), happipoltto CFB (OxyCFB) ja happipoltto PC, jossa hapenvalmistus membraaneilla (ITM = Ion Transport Membranes) Arvioituihin laitoksiin sisältyi happitehdas, kattila, CO 2 :n erotus ja nesteytysyksikkö, CO 2 :n kuljetusputkisto (50 km) ja CO 2 :n varastointi geologiseen muodostumaan Taloudellinen arvointi perustui pääosin kirjallisuudessa esitettyihin kustannuksiin lyhyellä 8 vuoden takaisinmaksuajalla laskettuna Varastoidun CO 2 :n hinnaksi saatiin arvioinnissa Oxy PC:lle 27.4 /t, Oxy CFB:lle 28.9 /t ja OxyPC/ITM:lle 12.7 /t Verrattuna nykyiseen päästökauppahintaan, CO 2 :n erottaminen ei olisi kannattavaa Päästökauppahinta ei kuitenkaan ole vielä vakiintunut ja tekniikan kehittyminen laskee erottamisen hintaa Lähempänä CO 2 :n varastointipaikkaa olevan voimalaitoksen CO 2 :n varastointi olisi edullisempaa Jos CO 2 :lla lisäarvoa (esim. Enhanced Oil Recovery, EOR), paranee erottamisen kannattavuus 7

Tulosesimerkkejä: happipolton mallinnus (LTY) Kiertoleijukattilan tulipesän kolmiulotteinen stationaaritilan prosessimalli Käyttötarkoitus: Tulipesäilmiöiden tutkiminen, uusien kattilakonseptien kehittäminen, kattilasuunnittelun ja skaalauksen tukeminen, markkinointi, riskianalyysit, ongelmien ratkonta Mallikehys uusien teorioiden testaukseen ja alimallien kehitykseen Ominaisuuksia: Kontrollitilavuusmenetelmä, rakenteellinen ortogonaalinen laskentahila Semi empiirinen: osa ilmiöistä mallinnetaan korrelaatiomalleilla Sisältää olennaiset alimallit tulipesäprosessin kuvaamiseksi: kiintoaineiden ja kaasujen virtausdynamiikka, polttoaineen palaminen (kuivuminen, haihtuvien muodostuminen, jäännöshiilen palaminen), kaasumaiset reaktiot, lämmönsiirto, päästömallit (SOx, NOx) Kiinteät aineet: polttoaine, tuhka, hiekka, CaCO3, CaO, CaSO4 Kuusi partikkelikokofraktiota Kaasut: O2, CO2, H2O, SO2, CH4, CO, H2, NH3, HCN, N2O, NO, Ar, N2 Mallin validointi perustuu kenttämittauksiin ja pilot/bench scaletesteihin. 8

Tulosesimerkkejä: happipolton mallinnus (LTY) Lagisza CFB, 460 MWe, 100% kuorma (Oxy Case A 100%). Sama polttoainevirta ja sama loppuhappi kuin tavanomaisella poltolla (= perustapaus). Tulipesän lämpötila nostettu > 900 C tulipesän lämpöpintoihin tehdyillä muutoksilla (korkeampi kalsinointilämpötila). Hapetin = kiertokaasun ja hapen sekoitus CO2 47% O2 24% N2 4% H2O 25% Vertailu perustapaukseen Lagisza supercritical once trough CFB, Foster Wheeler Energia Oy 9

Tulosesimerkkejä: happipolton mallinnus (LTY) Basic Case Oxycombustion 10

Tulosesimerkkejä: happipolton mallinnus (LTY) Basic Case Oxycombustion (notice scale) 11

Tulosesimerkkejä: hapen puhtauden vaikutus hyötysuhteeseen (TKK) Simuloitu Prosim ohjelmalla happipolttolaitos sisältäen: kryogeeninen hapenvalmistus yksinkertaistettu kattilaprosessi, bruttosähköteho 249 MW CO 2 :n erotus nesteyttämällä Tarkasteltiin tuotetun hapen vaikutusta laitoksen sähkontuotannon hyötysuhteeseen verrattuna referenssiin (normaali ilmapoltto ilman CO 2 :n erotusta) Sähköntuotannon hyötysuhteen lasku [% yksikköä] 15 14 13 12 11 10 9 8 40 50 60 70 80 90 100 Tuotetun hapen puhtaus [%] 15