Comparative Evaluation of Power Plants with CO2 Capture: Thermodynamic, Economic and Environmental Performance
Petrakopoulou, Fontina
CCS (CO2-Abscheidung und –Speicherung) wird im Energiesektor als Brückentechnologie zur Reduzierung des Ausstoßes von anthropogenem CO2 angesehen, welches einen ständig wachsenden Einfluss auf Klima und Umwelt hat. In dieser Dissertation werden acht Kraftwerkskonzepte mit Abscheidetechnologien im Hinblick auf ihre Effizienz, ihre Wirtschaftlichkeit sowie ihren ökologischen Fußabdruck untersucht. Es werden hier exergiebasierte Methoden benutzt, um die untersuchte Kraftwerkskonzepte mit einem Referenzkraftwerk ohne CO2-Abscheidung zu vergleichen. Während konventionelle Exergieanalysen bereits wichtige Hinweise auf effizienzverbessernde Maßnahmen liefern können, ist es hilfreich, zusätzliche Informationen über die einzelnen Kraftwerkkomponenten und ihre Wechselwirkungen zu erhalten. Diese Überlegung führte zu der Entwicklung von erweiterten exergiebasierten Methoden, in denen die Exergievernichtung und auch die damit verbundenen Kosten und Umweltauswirkungen aufgeteilt werden in vermeidbar/unvermeidbar und in endogen/exogen. Das eigentliche Verbesserungspotential der Anlage wird deutlich, wenn man den vermeidbaren Anteil der Exergievernichtung und der Kosten betrachtet. Die Aufteilung in einen endogenen und einen exogenen Anteil der Exergievernichtung liefert die Wechselwirkungsbeziehungen zwischen den einzelnen Komponenten der Anlage. Die effizientesten der untersuchten Kraftwerke mit CO2-Abscheidung sind die Oxyfuel-Kraftwerke. Eine exergoökonomische Untersuchung zeigt einen minimalen Anstieg der relativen Investitionskosten (in €/kW) von 80% für die konventionelle Abscheidemethode der chemischen Absorption und einen Anstieg von 86% für das Oxyfuel-Kraftwerk mit chemical looping combustion. Das Oxyfuel-Kraftwerk hat einen reduzierten Umwelteinfluss im Vergleich zu dem Kraftwerk ohne CO2-Abscheidung, während sich der Umwelteinfluss bei chemischer Absorption erhöht. Akzeptiert man alle hier zugrunde gelegten Annahmen und Daten zur Berechnung des Umwelteinflusses, so zeigt sich, dass eine Effizienzsteigerung in den Kraftwerken ein größeres Potential für die Verringerung des ökologischen Fußabdrucks der Kraftwerke besitzt als die CO2-Abscheidung. Mit fortschrittlichen exergiebasierten Methoden erkennt man die Wechselwirkungen der einzelnen Kraftwerkskomponenten in der Anlage, und das wirklich vorhandene Potential für kosten- und umweltbezogenen Verbesserungen wird deutlich. Generell wurden die größten thermodynamischen Ineffizienzen im Inneren der einzelnen Komponenten erzeugt. Außerdem wiesen Komponenten mit hohen Kosten und Umweltauswirkungen nur einen geringen Anteil an vermeidbarer Exergievernichtung auf. Dies bedeutet, dass es nur begrenzte Möglichkeiten zur Steigerung der Effizienz und zur Verringerung der Umweltbelastung gibt.
CCS (Carbon Capture and Sequestration) in the energy sector is seen as a bridge technology for CO2 mitigation, due to the ever-growing environmental impact of anthropogenic-emitted greenhouse gases. In this work, eight power plant concepts using CO2 capture technologies are assessed based on their efficiency, economic feasibility and environmental footprint. Exergy-based analyses are used for evaluating the considered power plants through comparison with a reference plant without CO2 capture. While conventional exergy-based analyses provide important information that can lead to improvements in plant performance, additional insight about individual components and the interactions among equipment can aid further assessment. This led to the development of advanced exergy-based analyses, in which the exergy destruction, as well as the associated costs and environmental impacts are split into avoidable/unavoidable and endogenous/exogenous parts. Based on the avoidable parts, the potential for improvement is revealed, while based on the endogenous/exogenous parts, the component interactions are obtained. Among the examined plants with CO2 capture, the most efficient are those working with oxy-fuel technology. An exergoeconomic analysis shows a minimum increase in the relative investment cost (in €/kW) of 80% for the conventional approach (chemical absorption) and an increase of 86% for the oxy-fuel plant with chemical looping combustion. The latter shows a somewhat decreased environmental impact when compared to that of the reference plant. On the contrary, the plant with chemical absorption results in a higher environmental penalty due to its high efficiency penalty. Therefore, accepting that all assumptions and data related to the calculations of the environmental impacts are reliable, efficiency improvement seems to be a more significant factor in potentially decreasing a plant’s environmental impact. With advanced exergy-based analyses, interdependencies among components are identified, and the real potential for cost- and environmental-related improvement is revealed. A common trend for all plants examined is that most thermodynamic inefficiencies are caused by the internal operation of the components. Additionally, avoidable quantities are generally found to be low for components with high costs and environmental impacts, leaving a relatively narrow window of improvement potential.
