Tror vi fortsatt på -fri gasskraft? Status på forskningsfronten Foredrag på SINTEFs seminar om Klarer vi våre Kyoto-forpliktelser 31. mai 2001 Olav Bolland NTNU Institutt for Termisk energi og vannkraft www.tev.ntnu.no/olav.bolland/pdf/sintef_seminar_mai_2001.pdf
-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 er ca. 350 g per kwh el utslipp fra kullkraft er ca. 750-1100 g per kwh el -fri gasskraft Teknologi som muliggjør langtids lagring av vekk fra atmosfæren Eksos fra gasskraftverk: ca. 3-4% Ønsker i konsentrert form, dvs. teknologien går ut på produsere eksos med høy konsentrasjon av innfanging, capture av i praksis: 350 g per kwh el til 4-60 g per kwh el
Myndighetenes satsing på -fri gasskraft Klimatek for 2001: ca. 47 millioner, hvorav 20 er øremerket -fri gasskraft Grunnleggende forskningsaktivitet støttes 100% Industriprosjekter støttes inntil 50%, men typisk noe lavere Klimateks prosjektportefølje for -fri i 2001 vil omfatte rundt 55 millioner for 2001 Temaet -fri gasskraft støttes også fra andre programmer i NFR, slik at NFRs totale portefølje er rundt 60 millioner for 2001 I tillegg kommer prosjekter med internasjonal finansiering, for eksempel fra EU Et estimat for den årlige innsatsen er ca. 70-80 millioner
-fri gasskraft? Mest kjente teknologiprinsipper 1 Kraftverksprosess med forbrenning - fjerning Eksosgassrensing Kull Hydrokraft Olje Naturgass Biomasse Avfall 2 3 Gassifisering Reformering Kraftverksprosess med forbrenning CH4 + O2 CO2 + H2O H 2 +CO H 2 + - fjerning Oksygen fra luft-separasjon Vannshift Vannfjerning Aker Maritime Kraftverksprosess med forbrenning 2H2 + O2 2H2O lagring
Prosjekter: Saline Aquifer Storage (SACS) offshore demonstrasjon på Sleipnerfeltet SACS finansieres av: Statoil, BP, ExxonMobil, Norsk Hydro, Vattenfall, EU THERMIE og 5. rammeprogram Arbeidet i SACS prosjektet utføres hovedsakelig av: BGS, BRGM, GEUS, IFP, NITG-TNO, SINTEF Petroleumsforskning SLEIPNER CO2-LAGRING I UTSIRAFORMASJONEN Sleipner T Sleipner A CO2 Injection Well A16 Utsira Formation Sleipner Øst Production- and Injection Wells Sleipner Øst Heimdal Formation figur fra Olav Kårstad Statoil
Prosjekter - 2 CCP Capture Project ca. 180 millioner, høst 2000 til ut 2003 ca. lik fokus på alle tre hovedprinsipper for -fri gasskraft Norsk delprosjekt NorCap 70 millioner (2001-2003), hvorav 29 millioner fra Klimatek Hovedsakelig fokus på eksosgassrensing 9 oljeselskaper
Prosjekter - 3 Kværner membrankontaktor/absorpsjon har vært aktiv siden 1993 utviklet teknologi for fjerning av H 2 S og fra naturgass, og fra eksosgass Testanlegg Kårstø Gass med Membran Absorpsjonsvæske CCP/Norcap
Prosjekter - 4 Aker Maritime HiOx - pilotanlegg 35 millioner (2001-2002), hvorav 14 millioner fra Klimatek Hovedmål: etablere/utvikle det teknisk/økonomiske underlaget for bygging av et pilotanlegg som kan demonstrere teknologien Flue gas recycle Compressor Gas Combustion Flue gas HiOx turbine Steam turbine cycle Water/ separation Water Oxygen N 2 Separation 20-70 MW injection
Prosjekter - 5 SINTEF/NTNU grunnleggende forskning 28 millioner kr., fra Klimatek, 2001 til ut 2004 Delprosjekter innen 1) Eksosgassrensing ved absorpsjon, inkludert bruk av membraner 2) Forbrenning (oxy-fuel og hydrogen-rikt brensel) 3) Membranteknologi 4) Kraftprosesser og systemanalyse Sammen med andre finansieringskilder, for eksempel Energi for Fremtiden (NFR), har NTNU og SINTEF ca. 10-12 stipendiater og ca. 10 forskere innen -fri gasskraft
Prosjekter 5 1 SINTEF/NTNU grunnleggende forskning 1) Eksosgassrensing ved absorpsjon, inkludert bruk av membraner a) Molekyl-modellering design av stoff med ønsket egenskap b) Screening av absorbenter, dvs. forskjellige aminer og andre stoffer c) Testing av absorpsjonsmidler i pilotanlegg d) Termodynamiske modeller inn i ikke-likevekts masse transport absorber modeller Testanlegg Trondheim Treated exhaust gas Prinsipp for eksosgassrensing ved hjelp av absorpsjon to disposal Compression Cooler Cooler Absorber Desorber Reflux Feed gas Reboiler Rich solvent Lean solvent
Prosjekter 5 2 SINTEF/NTNU grunnleggende forskning 2) Forbrenning (oxy-fuel og hydrogen-rikt brensel) Φ>2 O 2 Beregnings nettverk Fuel O 2 Φ~0.98 Aktiviteter Eksperimentelle målinger av oxy-fuel jetflammer. Laser-baserte målinger Utvikling av simuleringsmodeller Prototype testing av oxy-fuel brennere NO X hydrogen
Prosjekter 5 3 SINTEF/NTNU grunnleggende forskning 3) Membranteknologi Integrated Integrated CO membrane 2 membrane reactor reactor and and gas gas turbine turbine Low Low emission emission power power generation generation Low P N 2, H 2 O Membrane 600C CH 4 + H 2 O High P H 2 + H 2 O 700C Heat Electrical power N 2 H 2 O CH 4 H 2 O 600C Integrated Integrated steam steam reforming reforming hydrogen hydrogen membrane membrane reactor reactor and and gas gas turbine turbine Low Low CO emission 2 emission power power generation generation H 2 O 30 bar 1 bar H 2 10 bar H 2 H 2 Heat 700C Electrical power recovery/ sequestration CH 4 +2H 2 O=4H 2 +
Prosjekter 5 4 SINTEF/NTNU grunnleggende forskning 4) Kraftprosesser og systemanalyse Transiente simuleringer for å lære mer om driftstekniske aspekter (oppstart, nedstengning, lastendringer) Nye/tilpassede prosesser med -innfangning To stack Modeller for turbiner og kompressorer med -rik gass intake Steam boiler Fuel Exhaust Condenser Gas Combustor Compressor Turbine Absorption of Desorption of Exhaust with reduced separation unit Oxygen intake Fuel Combustor Turbine Compressor Turbine HX Absorption process Steam Compression of Steam turbine to storage to storage Compression of Cooling water H 2 O Recuperator Excess water
-fri gasskraft? Mindre kjente og nye teknologiprinsipper - 1 Chemical Looping Combustion - CLC Compression Combustion Expansion C Ox T 14% O 2 Me CH 4 Re MeO T + H 2 O Compression Disposal
-fri gasskraft? Mindre kjente og nye teknologiprinsipper - 2 Metallurgisk konvertering av naturgass Water vapour & Nitrogen Carbon Dioxide ~300 MW ~250 MW Methane Supply Oxygen Supply ~600 MJ AIR ~500 MJ ( g) + 1 O ( g) CO( g) + H ( g) CH4 2 2 2 2 2 H 2( g) CO(g) CARBURISER 60 MW must be supplied DECARBURISER Total virkningsgrad for el.-produksjon er ca. 50% CH ( g 4 ) 30 m N 3 s O 2 ( g) figur fra Leiv Kolbeinsen SINTEF Materialteknologi
-fri gasskraft? Mindre kjente og nye teknologiprinsipper - 3 Karbonatsmelte Los Alamos National Laboratory IFEs konsept Transportation Methane CH 4 Naturalgas H 2 Low temp. fuel cells Up to 90% energy as power CH 4 +2H 2 O + CaO fi 4H 2 + CaCO 3 CaCO 3 fi CaO + WASTE HEAT 1000 o C SOFC Ca. 70% energy as power For deposition or industrial use
-fri gasskraft? Mindre kjente og nye teknologiprinsipper - 4 Høytemperatur brenselcelle - SOFC Recuperator Gas Turbine Generator Exhaust Stack Inlet in out Fuel cell section After-burning section in out Fuel Processing System Seal Exhaust gas SOFC Module Switchgear Exhaust Leak path SOFC Power Conditioning System Instrumentation and Controls Fuel from pre-reformer Fuel Anode Ni - Cermet Electrolyte ZrO 2 Cathode LaMnO 3 Courtesy Shell International Exploration and Production BV
-fri gasskraft - når kommer det? Kyoto-avtalen: Bush & Cheney sår alvorlig tvil om Kyoto-avtalens fremtid Andre nasjoner: liten evne til handling Gasskraftverk med -fjerning alltid dyrere enn uten fjerning Hva må til: F&U kan på sikt redusere merkostnaden for -fjerning, men ikke tilstrekkelig bør ha en verdi (salg til trykkstøtte i oljeproduksjon) Endring i holdning internasjonalt til utslipp av, og at dette reflekteres i f.eks høye kvotepriser Vellykket F&U er ikke tilstrekkelig, politiske grep må til