Gasskraft Forelesning i faget SIG4032 NATURGASS

Transkript

1 Gasskraft Forelesning i faget SIG4032 NATURGASS Olav Professor NTNU - Institutt for Energi- og prosessteknikk 1

2 Husholdning Kraft/varme ENERGI STASJONÆRT Varme industri NATURGASS ENERGI TRANSPORT LNG/CNG PRODUKTER Hydrogen Metanol Ammoniakk Proteiner Plastråstoffer 2 figur basert på LO/DNA juli 2001

3 CO 2 -fri gasskraft? Hva er det? Gasskraft Norsk begrep for naturgassfyrt kraftverk basert på kombinert gassturbin- og dampturbinprosess ca % av naturgassens energi elektrisitet utslippet av CO 2 er ca. 350 g CO 2 per kwh el utslipp fra kullkraft er ca g CO 2 per kwh el CO 2 -fri gasskraft Teknologi som muliggjør langtids lagring av CO 2 vekk fra atmosfæren Eksos fra gasskraftverk: ca. 3-4% CO 2 Ønsker CO 2 i konsentrert form, dvs. teknologien går ut på produsere eksos med høy konsentrasjon av CO 2 innfanging, capture av CO 2 i praksis: 350 g CO 2 per kwh el til 4-60 g CO 2 per kwh el 3

4 Kraftproduksjon og forbruk i Norge TWh/år Produksjon i normalår med produksjonsapparat som i År Variasjonsområde for produksjon Prod Forbruk Forb.-kjeler Normalår 4

5 Termisk kraftproduksjon Kjemisk energi Kjernebunden energi Forbrenning Fisjon Fusjon Indre energi i energibærer Gassturbin Otto/Diesel Mekanisk energi Brenselcelle Dampturbin Termoelement Dyse Kinetisk energi Generator MHD 5 Elektrisk energi

6 Gassturbiner 6

7 Gas Turbine 7

8 Gas Turbine Classification - 1 C T G 1-shaft Gas Turbine (all GTs > 40 MW but also smaller down to 14 MW) C T T G 2-shaft Gas Turbine (i.e. LM2500) gas generator power turbine C C T T G 2-shaft Gas Turbine (LM6000) C C T T T G 3-shaft Gas Turbine (RB211, Trent) 8

9 Gas Turbine Classification - 2 Aeroderivate GT Based on jet engine design High power/weight-ratio Compact by volume High pressure ratio (up to 35) Industrial type GT or Heavy Duty GT Not designed to fly Low power/weight-ratio Medium compact to bulky Moderate pressure ratio (10-18) years ago: Aeroderivate GTs: advanced technology, high maintenance requirements Industrial type GTs: conventional technology, low maintenance requirements Now Same technology applied in both types of GTs 9

10 Gas Turbine 10

11 Turbine stage 11

12 Definitions of Turbine Inlet Temperature - TIT T1 T2 12 T1: Combustor exit temperature (not much used) T2: Temperature after first blade row in Stage 1 (mostly used) T3: Calculated mixing temperature of combustor exit stream and cooling air (ISO definition)

13 Historical Development of: Turbine Inlet Temperature Max. Metal Temperatures 13

14 Turbine Blade Cooling 14

15 Air cooling of turbine blades 15

16 Turbine blade materials Directionally Solidified Single-crystal 16

17 Gas Turbine Temperature Profile 17

18 NO X (NO og NO 2 ) 25 ppm - etablert standard for garantiverdier (naturgass) Utslippsverdier demonstrert ned mot 10 ppm SFT krever <10 ppm ved oppstart og <5 ppm i 2005 ppm=parts per million volumandel av komponent CO NO x temperatur 18

19 How to reduce NO X emissions from Gas Turbines commercially available technologies Dry Low-NO X Combustion Lean pre-mix of fuel and combustion air Offered for most Gas Turbines on natural gas ppmv achievable on gas fuel Is becoming available also for liquid fuels Water (liquid or steam) Injection into the GT combustor Water/fuel-ratio Below 25 ppmv (natural gas) or 42 ppmv (dist. oil) Selective Catalytic Reduction (SCR) Use of NH 3 to react with NO 2 (to N 2 and H 2 O) Catalyst at appr. 350 C in the steam boiler Typically used in oil fired units Below 10 ppmv achievable 19

20 How to reduce NO X emissions from Gas Turbines example Dry Low-NO X Combustion Lean pre-mix of fuel and combustion air Offered for most Gas Turbines on natural gas ppmv achievable on gas fuel Is becoming available also for liquid fuels Alstom 20

21 Dampturbinprosesser 21

22 Dampturbin-prosess 22

23 High-pressure steam turbine 23

24 Intermediate-pressure steam turbine 24

25 Steam turbine - sectional drawing 25

26 Steam turbine expansion line in enthalpy-entropy diagram GT PRO Olav expanison line high pressure Steam Turbine Expansion Path 115 bar Hot RH Net Power kw LHV Heat Rate 6575 kj/kwh 600 C HP bar 500 C HPTL LPTA1 300 C 400 C 3.81 bar expanison line low pressure ENTHALPY [kj/kg] LPTL 200 C saturation line bar Exhaust ENTROPY [kj/kg-c]

27 Steam turbine water paths 27

28 Main Cooling Methods for Power Plants Directly water-cooled Water-cooling with wet cooling tower Air-cooled condenser Water-cooling with dry cooling tower 28

29 Kombinert prosess Combined Cycle 29

30 Gasskraftverk, skjematisk fremstilling Til skorstein Kjelpumpe Avgasskjel eller dampkjel Kondensator Gassturbin Brensel Eksos Dampturbinprosess Dampavtapning Generator 30 Kompressor Turbin Brennkammer Generator Dampturbin

31 Combined Cycle Power Plant 31

32 32 η CARNOT T T 1 2 T h Hvorfor har en kombinert prosess så høy virkningsgrad? = 1 T l T h Gassturbin prosess Dampturbin prosess T l 1 2 T h T l 3 s s Carnotvirkningsgrad; en kvalitativ beskrivelse av virkningsgrad for en kraftprosess T l er temperatur for varmeavgivelse fra prosessen T h er temperatur for varmetilførsel for prosessen T h = T T l = h = T l = h s h 3 2 s 3 2 h s h s h s h 4 1 s 4 1 h 3 2 s 3 2 h 4 1 s 4 1 høy høy + lav - lav + T Kombinert prosess T h T l 1 2 s 3 T 4 h = T l = h s h 3 2 s 3 2 h s h 4 1 s 4 1 høy lav + +

33 Virkningsgrad? Beskriver utnyttelsen av energien i brenslet Brensel: gass, olje, kull Effekt E [MW] kun kraft η = P E Tap Kraft Effekt P [MW] Nedre brennverdi Lower Heating Value - LHV 33

34 Utvikling av virkningsgrad for gassturbin-anlegg Kombinerte gassturbin-/dampturbinanlegg Flyderiverte" gassturbiner Store industri-gassturbiner Virkningsgrad [%] Kombinerte gassturbin-/dampturbinanlegg "Flyderiverte" gassturbiner Store industri-gassturbiner

35 Virkningsgrad for termiske kraftverk Virkningsgrader for el.produksjon i termiske kraftverk (EU) Gjennomsnitt for europeiske kraftverk Norsk gasskraftverk Avansert kullkraftverk Dagens gjennomsnittlige europeiske kullkraftverk Kina & India

36 Samproduksjon av kraft og varme Combined Heat and Power CHP Cogeneration 36

37 Virkningsgrad? Beskriver utnyttelsen av energien i brenslet Brensel: gass, olje, kull Effekt E [MW] kun kraft η = P E Tap Kraft Effekt P [MW] kraft & varme Brensel: gass, olje, kull P + Q η = Effekt E [MW] E Tap Kraft P [MW] Varme Q [MW] 37

38 Samproduksjon av kraft og varme Kan skille mellom 3 typer systemer 1) Motor/gassturbin med varmegjenvinning fra eksos Motor Gassturbin Varm eksos Varmegjenvinner Kjel Eksos til skorstein Damp, trykksatt vann eller hetolje Kraft P Varme Q 38 Mengden varme (Q) som gjenvinnes påvirker ikke kraftproduksjonen (P) Q og P kan variere uavhengig Q kan være null

39 Samproduksjon av kraft og varme Kan skille mellom 3 typer systemer 2) Kombinert gass-/dampturbin med dampavtapning Gassturbin Varm eksos Varmegjenvinner Kjel Eksos til skorstein Kraft P Vann Dampturbin Høyttrykks damp Avtapningsdamp Damp, nær vakuum Varme Q Kondensator Kjølevann 39 Varme (Q) som tas ut reduserer kraftproduksjonen (P) i dampturbinen Q kan være null P=maks

40 Samproduksjon av kraft og varme Kan skille mellom 3 typer systemer 3) Kombinert gass-/dampturbin med mottrykk Gassturbin Varm eksos Varmegjenvinner Kjel Eksos til skorstein 40 Kraft P Vann Dampturbin Kondensator Varme (Q) som tas ut bestemmer Høyttrykks damp Damptrykk tilpasset temperaturkrav, derav begrepet mottrykk kraftproduksjonen (P) i anlegget ( låst forhold) Q=0 P=0 Trykksatt vann eller hetolje Varme Q

41 COMBINED CYCLE ENERGY FLOW POWER PRODUCTION ONLY P 57 η = = = 57% E 100 HEAT & POWER PRODUCTION P + Q η = = = E 100 P 48.5 η = = = 48.5% E % 41

42 42 CHP efficiency [%] Source: Eurostat Annual CHP Efficiencies in EU - 1 All CHP-plants? Denmark (380) Ireland (18) Greece (13) Austria (77) Belgium (153) Netherlands (2464) Italy (681) EU total (5834) UK (549) France (531) Portugal (98) Spain (166) Germany (440) Sweden (129) Finland (135)

43 CO 2 -fri gasskraft CO 2 -fri gasskraft? Teknologi som muliggjør langtids lagring av CO 2 vekk fra atmosfæren Eksos fra gasskraftverk: ca. 3-4% CO 2 Ønsker CO 2 i konsentrert form, dvs. teknologien går ut på produsere eksos med høy konsentrasjon av CO 2 innfanging, capture av CO 2 i praksis: 350 g CO 2 per kwh el til 4-60 g CO 2 per kwh el 43

44 How and why is CO 2 formed C + O = 2 CO2?H MJ/kmol CO CO 2 must be formed in order to release the heat of combustion for a carbon containing fuel for a given fuel, the amount of formed CO 2 is proportional with the chemical energy being converted to heat Solid Liquid Critical point p/atm 5.11 Triple point Gas Temperature (Kelvin)

45 Fuel characteristics for CO 2 -emission Fossil fuels consists of the combustible components Carbon (C) and Hydrogen (H) Methane: C H 1 4 The ratio between carbon and hydrogen gives the amount of CO 2 C H m n n + + O m CO + H O m n m n m m > > n n coal oil natural gas ( ) ( ) ( ) 11. > 0. 5 > coal oil natural gas 45

46 Emission of gram CO 2 per kwhe Emission of CO 2 from fossil fuels Methane (H/C=4) Distillate oil (H/C=2) Lignite (brown coal) Bituminous coal Anthrasit Efficiency [%] 46

47 C Why is the partial pressure of CO 2 in exhaust gas so low Excess air m H m CO n 2 +Φ m + n + H 2 2 O n ( O 4 2 Air N + ( Φ 1) m + 2 ) n O Φ m + n 3.77N 4 2 Gas turbine fired with natural gas: Φ=2.2-3 Exhaust: volume-% CO 2 Coal fired plant: Φ 1.2 Exhaust: volume-% CO 2 Gases has to be separated 47

48 Gas separation W W j = = R p dv 0 T 0 = y n R j 1 MW 0 j T 0 i i y i y i ln ln y i y i 3 [J] [kwh/kg j ] Air separation - oxygen (21%) theoretical minimum work, about 0.05 kwh/kg O 2 In real process: kwh/kg O 2,, 5-6 times theoretic minimum (cryogenic destillation; mechanical work for air compression). Separate CO 2 from gas turbine exhaust (3.5%) theoretical minimum work, about 0.34 kwh/kg CO 2 In real process: kwh/kg CO 2, 3.5 times theoretic minimum (chemical absorption with MEA) 10% mechanical work, 90% heat at 130 C) 48

49 CO 2 -fri gasskraft? Mest kjente teknologiprinsipper 1 Kraftverksprosess med forbrenning CO 2 - fjerning Eksosgassrensing Kull Hydrokraft Olje Naturgass Biomasse Avfall 2 3 Gassifisering Reformering Kraftverksprosess med forbrenning CH O2 CO2 + 2H2O H 2 +CO H 2 + CO 2 CO 2 - fjerning Oksygen fra luft-separasjon Vannshift Vannfjerning Oxy-fuel Kraftverksprosess med forbrenning 2H2 + O2 2H2O CO 2 lagring 49

50 GAS ABSORPTION (low pressure gas) 50 MEA =

51 SLEIPNER CO 2 CO2-LAGRING STORAGE IN I UTSIRAFORMASJONEN THE AQUIFER Sleipner A 1 MILLION TONS OF CO 2 ANNUALLY Sleipner T CO2 Injection Well A16 Utsira Formation CO 2 Sleipner Øst Production- and Injection Wells Sleipner Øst Heimdal Formation 51

52 Barrierer CO 2 -fri gasskraft Infrastruktur for CO 2 har vi ikke! CO 2 for enhanced oil recovery CO 2 into aquifers CO 2 into gas reservoirs For EOR: Store mengder CO 2 er påkrevd 10 mill. tonn CO 2 /år Store mengder påkrevd for å monne i klimasammenheng Stor økonomisk skalaeffekt 52 Capacity: Norwegian sector: 20 Gt of CO 2 20 years of all CO 2 produced in European power plants Hva må til: Etablering av fysisk infrastruktur for CO2 Internasjonalt regelverk for ansvarsforhold og verifisering Kommersielle grensesnitt mellom aktører

53 Barrierer CO 2 -fri gasskraft Minske kostnadsgapet? Produksjonskostnad øre/kwh Gasskraft med CO2- innfanging 4 øre/kwh.. og salg av CO2 for 100 NOK/tonn Konvensjonell gasskraft Gasskraft med CO2-innfanging øre/kwh 3-8 øre/kwh Konvensjonell gasskraft med CO2-avgift 100 NOK/tonn CO2 53

54 Gasskraft - økonomi 54

55 Specific cost of Gas Turbines 800 GT Genset GTW Handbook GT < 10MW 500 $/kw GT > 10MW Specific cost becomes flat, and does not follow the law of scale Power output MW 55

56 Specific cost of Combined Cycle Turnkey Combined Cycle GTW Handbook $/kw Power output MW 56

57 Combined Cycle Power Production Cost 35 Electricity Production Cost [øre/kwh] Capital cost Gas cost CO 2 -tax NOx removal, SCR Operation costs Price natural gas [øre/sm 3 ] 57 Investment Power Plant 5250 kr/kw = 2.1 billion NOK for 400 MW Economical life-time 25 years Interest 7% Equivalent annual operating hours 8000 h/a CO 2 -tax 200 NOK/tonnes (example!)

58 58