Gasskraft Forelesning i faget SIG4032 NATURGASS

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

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

CO 2 -fri gasskraft? Hva er det? Gasskraft Norsk begrep for naturgassfyrt kraftverk basert på kombinert gassturbin- og dampturbinprosess ca. 56-60% av naturgassens energi elektrisitet utslippet av CO 2 er ca. 350 g CO 2 per kwh el utslipp fra kullkraft er ca. 750-1100 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

Kraftproduksjon og forbruk i Norge 150 140 130 120 110 100 90 80 70 TWh/år Produksjon i normalår med produksjonsapparat som i 2000 1975 1980 1985 1990 1995 2000 År Variasjonsområde for produksjon Prod Forbruk Forb.-kjeler Normalår 4

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

Gassturbiner 6

Gas Turbine 7

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

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) 10-20 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

Gas Turbine 10

Turbine stage 11

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)

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

Turbine Blade Cooling 14

Air cooling of turbine blades 15

Turbine blade materials Directionally Solidified Single-crystal 16

Gas Turbine Temperature Profile 17

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

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 10-25 ppmv achievable on gas fuel Is becoming available also for liquid fuels Water (liquid or steam) Injection into the GT combustor Water/fuel-ratio 1-1.6 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

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 10-25 ppmv achievable on gas fuel Is becoming available also for liquid fuels Alstom 20

Dampturbinprosesser 21

Dampturbin-prosess 22

High-pressure steam turbine 23

Intermediate-pressure steam turbine 24

Steam turbine - sectional drawing 25

Steam turbine expansion line in enthalpy-entropy diagram GT PRO 10.1.1 Olav 3800 3700 3600 expanison line high pressure Steam Turbine Expansion Path 115 bar Hot RH Net Power 411537 kw LHV Heat Rate 6575 kj/kwh 600 C 3500 3400 HP 31.23 bar 500 C 3300 3200 3100 3000 HPTL LPTA1 300 C 400 C 3.81 bar expanison line low pressure ENTHALPY [kj/kg] 2900 2800 2700 2600.95 LPTL 200 C saturation line 2500.9 0.025 bar 2400 2300 2200.8.85 Exhaust 2100 2000 26 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 ENTROPY [kj/kg-c]

Steam turbine water paths 27

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

Kombinert prosess Combined Cycle 29

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

Combined Cycle Power Plant 31

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 4 3 4 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 + +

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

Utvikling av virkningsgrad for gassturbin-anlegg 70 65 Kombinerte gassturbin-/dampturbinanlegg Flyderiverte" gassturbiner Store industri-gassturbiner Virkningsgrad [%] 60 55 50 45 40 35 30 25 Kombinerte gassturbin-/dampturbinanlegg "Flyderiverte" gassturbiner Store industri-gassturbiner 20 1954 1958 1962 1966 1970 1974 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002 2006 34

Virkningsgrad for termiske kraftverk 60 58 56 54 52 50 48 46 44 42 40 38 36 34 32 30 28 26 Virkningsgrader for el.produksjon i termiske kraftverk (EU) Gjennomsnitt for europeiske kraftverk Norsk gasskraftverk Avansert kullkraftverk Dagens gjennomsnittlige europeiske kullkraftverk Kina & India 24 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 35

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

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

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

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

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

COMBINED CYCLE ENERGY FLOW POWER PRODUCTION ONLY P 57 η = = = 57% E 100 HEAT & POWER PRODUCTION P + Q 48.5 + 41 η = = = E 100 P 48.5 η = = = 48.5% E 100 89.5% 41

42 CHP efficiency [%] 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 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)

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

How and why is CO 2 formed C + O = 2 CO2?H -. 5 393 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 2 72.8 Solid Liquid Critical point p/atm 5.11 Triple point Gas 44 216.8 304.2 Temperature (Kelvin)

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 4 2 2 2 2 m n m m > > n n coal oil natural gas ( ) ( ) ( ) 11. > 0. 5 > 0. 25 coal oil natural gas 45

Emission of gram CO 2 per kwhe 1300 1200 1100 1000 900 800 Emission of CO 2 from fossil fuels Methane (H/C=4) Distillate oil (H/C=2) Lignite (brown coal) Bituminous coal Anthrasit 700 600 500 400 300 200 100 0 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Efficiency [%] 46

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 + 3.77N + ( Φ 1) m + 2 ) n O 4 2 + Φ m + n 3.77N 4 2 Gas turbine fired with natural gas: Φ=2.2-3 Exhaust: 3.2-4.2 volume-% CO 2 Coal fired plant: Φ 1.2 Exhaust: 12-14 volume-% CO 2 Gases has to be separated 47

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] 10 3600 [kwh/kg j ] Air separation - oxygen (21%) theoretical minimum work, about 0.05 kwh/kg O 2 In real process: 0.25-0.3 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: 1.1-1.2 kwh/kg CO 2, 3.5 times theoretic minimum (chemical absorption with MEA) 10% mechanical work, 90% heat at 130 C) 48

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 4 + 2 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

GAS ABSORPTION (low pressure gas) 50 MEA =

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

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

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 10-15 øre/kwh 3-8 øre/kwh Konvensjonell gasskraft med CO2-avgift 100 NOK/tonn CO2 53

Gasskraft - økonomi 54

Specific cost of Gas Turbines 800 GT Genset GTW Handbook 1997 700 600 GT < 10MW 500 $/kw 400 300 GT > 10MW Specific cost becomes flat, and does not follow the law of scale 200 100 0 1 10 100 1000 Power output MW 55

Specific cost of Combined Cycle Turnkey Combined Cycle GTW Handbook 1997 1000 900 800 700 600 $/kw 500 400 300 200 100 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Power output MW 56

Combined Cycle Power Production Cost 35 Electricity Production Cost [øre/kwh] 30 25 20 15 10 5 0 Capital cost Gas cost CO 2 -tax NOx removal, SCR Operation costs 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 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