Zusammenfassung
Im Fallbeispiel China wird der Schwerpunkt auf JI-Projekte im Kraftwerkssektor gelegt. Im Abschnitt 6.2 wird daher ein ausführlicher Exkurs über den neuesten Stand der Kraftwerkstechnik und über zukünftige Entwicklungsperspektiven gemacht, der auch für das Fallbeispiel Indien Gültigkeit besitzt.
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Literatur
Die Energieerzeugung aus nachhaltig angebauter Biomasse kann als CO2-neutral bezeichnet werden, weil nur die CO2-Emissionen bei der Energieerzeugung freigesetzt werden, die zuvor durch Photosynthese beim Entstehen der Biomasse der Atmosphäre entnommen wurden.
Zum Vergleich: Ein Kohlekraftwerk hat eine Leistungsdichte von 500 kW pro Quadratmeter, die Windenergie von weniger als 3 kW pro Quadratmeter, die Solarstrahlung von weniger als 1,35 und die Biomasseproduktion von ca. 0,0002 kW pro Quadratmeter (Langner, 1991:902).
Würden die externen Kosten der konventionellen Energieversorgung berücksichtigt, kämen den regenerativen Energieträgern sicherlich eine größere Bedeutung zu.
Zu diesem Wert können keine Angaben gemacht werden, weil er je nach eingesetzter Braunkohleart stark variiert.
Vollständige Umsetzung bedeutet in diesem Zusammenhang, daß als Verbrennungsprodukte der Kohlenwasserstoffe nur Kohlendioxid, Wasser und Energie auftreten.
Die indirekte Emissionsbestimmung ist nur möglich, solange keine Rückhaltemaßnahmen zur Verminderung des CO2 eingesetzt werden. Um auch dann die Emissionen indirekt bestimmen zu können, wäre es erforderlich, durch entsprechende direkte Messungen anlagenspezifische CO2-Koeffizienten zu ermitteln. Die Methoden der direkten Emissionsmessung finden sich in Dreyhaupt, 1994: 703f.
Die angegeben Minderungskosten basieren im Fall der Steinkohle auf den Importkohlepreisen. Die spezifischen Minderungskosten werden entscheidend durch die Relation der Energieträgerpreise beeinflußt. Die Entwicklung der Energieträgerpreise ist mit erheblichen Unsicherheiten behaftet. Insbesondere die Nachfragesteigerungen beim Erdgas können die Energiepreisrelation erheblich beeinflussen. Hierin liegt ein großes ökonomisches Risiko einer auf Erdgas setzenden Minderungsstrategie.
Die nachgewiesenen Reserven für Steinkohle betragen 712 Gt SKE, für Braunkohle 158 Gt SKE, für Erdöl 197 SKE und für Erdgas 155 SKE (WEC, 1993a: 88).
In der Realität sind Dampfkraftprozesse wesentlich komplexer als die Darstellung in Abbildung 13. Die Darstellung des Clausius-Rankine-Kreisprozesses hilft jedoch, die Arbeitsweise von Wärmekraftwerken grundsätzlich zu verstehen. Zudem enthält der Ranki-neprozeß alle wichtigen Komponenten eines realen Dampfkraftprozesses. Dadurch können alle Verbesserungsmaßnahmen der Komponenten und auch in der Prozeßführung deutlich gemacht werden.
Man unterscheidet bei der Verdampfung von Wasser vier Zustände. Der Ausgangszustand zu Beginn der Erwärmung ist reines Wasser ohne eine Dampfphase. Ab einer vom Druck abhängigen Temperatur (Siedetemperatur) beginnt das Wasser zu verdampfen. Im Dampferzeuger liegen dann zwei Phasen vor, erzeugter Dampf und noch nicht verdampftes Wasser. Dieser Dampfzustand wird als Naßdampf bezeichnet. Die Temperatur und der Dampfdruck im Dampferzeuger bleiben während der Verdampfung solange konstant, bis das gesamte Wasser vollständig verdampft ist. Ist gerade alles Wasser verdampft und liegt folglich nur noch Dampf vor, dann ist der sogenannte Sättigungszustand des Dampfes erreicht. Der trocken gesättigte Dampf wird entsprechend als Sattdampf bezeichnet. Sättigungsdruck und Sättigungstemperatur stehen über die Dampfdruckkurve des Wassers in Verbindung. Daher liegt mit der Temperatur zugleich auch der Druck fest. Wird der Sattdampf nun durch Wärmezufuhr weiter erhitzt, erhält man überhitzten Dampf, dieser wird als Frischdampf bezeichnet.
Die eigentlich treibende Kraft beim Kondensationsvorgang ist die Schrumpfung des riesigen Abdampfvolumens, die einen großen Unterdruck im Kondensator schafft. Dadurch wirkt der Kondensator als eine kontinuierlich arbeitende riesige Saugpumpe. Ein Kondensator eines 700 MW Steinkohlekraftwerks (elektrische Leistung) muß eine Wärmeleistung von über 1059 MW abfuhren, dazu ist eine Wärme abgebende Fläche von 50000 m2 erforderlich.
Eine Bewertung energetischer Prozesse geschieht mit Hilfe des energetischen Wirkungsgrades. Der energetische Wirkungsgrad der Energieumwandlung ist definiert als Verhältnis von energetischem Nutzen zu energetischem Aufwand. Bei Kraftwerken wird der Wirkungsgrad daher als Verhältnis von elektrischer Leistung zu eingesetzter Brennstoffleistung (Heizwert) definiert. Bei einem Dampfkraftwerk errechnet sich der Gesamtwirkungsgrad hges aus dem Produkt der Teilwirkungsgrade. Wird der Eigenbedarf der Anlage berücksichtigt, spricht man von Gesamtwirkungsgrad oder auch Nettowirkungsgrad der Anlage. Der Bruttowirkungsgrad entspricht dem Gesamtwirkungsgrad ohne Berücksichtigung des Eigenbedarfs der Anlage.
Dies gilt vor allem für Kraftwerke, die in Entwicklungsländern betrieben werden.
Zur Bewertung eines Dampfkraftwerkes dient der Gesamtwirkungsgrad hges = hD * hth * hi * hel * hm * hejgen.
Kondensationstemperatur und -druck sind über die Dampfdruckkurve des Wassers gekoppelt.
Dies macht die Erstellung von Wärmelastplänen erforderlich, die Aussagen über die Erwärmung von Gewässern machen. Die Wärmelastpläne müssen auch bei der Standortbestimmung für den Bau weiterer Kraftwerke berücksichtigt werden. In Deutschland und in anderen Ländern kommt dieses Verfahren deshalb nicht mehr in Frage.
Die Schwadenbildung hat schon zur Verweigerung von Baugenehmigungen für Naßkühltürme in der Bundesrepublik geführt.
Beim Oberflächenkondensator erfolgt die Niederschlagung des Turbinenabdampfes, je nach Kühlungsart, an oder in durchströmten Rippenrohrbündeln.
Häufig reicht der Naturzug zur Kühlung nicht aus. Dann wird der Einsatz von Ventilatoren erforderlich, deren Eigenverbrauch den Nettowirkungsgrad der Anlage verschlechtert.
Sinnvoll ist dieses Verfahren bei Anlagen bis maximal 200 MW elektrischer Leistung.
Beim sogenannten Misch- oder auch Einspritzkondensator wird die Kondensation durch Einspritzen von feinverteiltem Kühlwasser in den Abdampf der Turbine erreicht. Durch dieses Verfahren können je nach Kondensatordruck größere Wärmedurchgangszahlen erreicht werden als beim Oberflächenkondensator. Höhere Wärmedurchgangszahlen ermöglichen eine schnellere Wärmeabfuhr. Da die Phasengrenzfläche pro Volumeneinheit ebenfalls größer ist, sind die Abmessungen von Mischkondensatoren kleiner als die von Oberflächenkondensatoren. Daher sind auch Ein- und Umbauten zur Erhöhung der Kontaktflächen im Kondensator relativ billig.
Die Wärmeübergangskoeffizienten können durch verbesserte Anströmbedingungen der Rohre erreicht werden. Die Anströmbedingungen lassen sich auf der Kühlmittelseite leicht verbessern durch Erhöhung der Kühlmittelgeschwindigkeit und der Kühlmenge und durch Vermeidung sowie Entfernung von Schmutzschichten. Schwieriger ist die Verbesserung der Rohranströmrichtung (eindeutige Dampfströmung hin zum Kühlerbündel). Weiterhin ist ein besserer Wärmeübergang vom Dampf an die Rohre durch eine gleichmäßige Dampfversorgung aller Rohre und durch einwandfreien Kondensatablauf von oben nach unten zu erreichen.
Der Teil der insgesamt in einem Körper enthaltenen Energie, der in der jeweiligen Umgebung in eine beliebige andere Energieform umgewandelt werden kann, wird als Exergie bezeichnet, die nicht beliebig umwandelbare Energie als Anergic Die Exergie ist ein Maß für die Nutzarbeit (technische Arbeitsfähigkeit), die bei einem Kreisprozeß gewonnen werden kann. Bei Kreisprozessen ist die gewinnbare Nutzarbeit um so größer, je mehr sich die einzelnen zusammenhängenden Zustandsänderungen der völligen Umkehrbarkeit nähern, je geringer also die Verluste durch Irreversibilitäten sind. Innere Exergieverluste entstehen durch Reibung, durch endliche Temperaturdifferenzen bei der Wärmeübertragung, durch Mischung von Stoffströmen und bei chemischen Reaktionen (Verbrennung). Äußere Exergieverluste entstehen durch Wärmeverluste an die Umgebung. Die Exergieverluste durch Irreversibilitäten sind um so höher, je größer die Temperaturdifferenzen bei der Wärmeübertragung oder bei der Mischung von Stoffströmen sind.
Je größer die Anzahl der Stufen, um so geringer werden die Temperaturunterschiede und damit auch die Nichtumkehrbarkeiten beim Wärmeaustausch. Es lohnt sich aber kaum, über acht Vorwärmstufen hinaus zu gehen. Für jede Stufenzahl findet man ein ausgeprägtes Optimum der Wirkungsgradverbesserung, abhängig von der Speisewassertemperatur; es verschiebt sich mit steigender Stufenzahl zu höheren Kesseleintrittstemperaturen. Die durch die achte Vorwärmstufe erreichte zusätzliche Wirkungsgradverbesserung ist in der Regel gerade noch wirtschaftlich (Grenznutzen = Grenzkosten).
In der Regel werden statt einer Turbine, wie in Abbildung 13, drei verschiedene Turbinen eingesetzt. Es wird unterschieden zwischen einer Hochdruck-, einer Mitteldruck- und einer Niederdruckturbine. Je nach Bauart der Turbinen sind diese nochmals in sich gestuft.
Als Werkstoffgrenze gilt in erster Linie die 100000-Stunden-Zeitstandfestigkeit. Die Zeitstandfestigkeit bei einer bestimmten Prüftemperatur ist die Beanspruchung (Spannung) eines Werkstoffes, die nach einer bestimmten Beanspruchungsdauer zum Bruch der Probe führt. Die in den Turbinen und sonstigen Komponenten eingesetzten Werkstoffe eines Dampfkraftprozesses sind so zu wählen, daß die Werkstoffgrenzen unter Berücksichtigung von bestimmten Sicherheiten nicht überschritten werden.
Welcher Werkstoff mit welchen Werkstoffkennwerten in einem bestimmten Kraftwerk noch wirtschaftlich eingesetzt werden kann, wird im Rahmen einer Optimierungsrechnung durch den Kraftwerksbauer anhand der vorliegenden Rahmenbedingungen ermittelt (Kugeler, 1993: 353ff.; Weinzierl, 1992: 177f.; Oeljeklaus, 1995: 245f. und Kallmeyer, 1995: 10ff.
Bei Dampfkraftprozessen besteht die Gefahr, durch die Expansion und die dadurch bedingte Abkühlung des Dampfes zu stark in das Naßdampfgebiet zu gelangen. Der Wassergehalt in den letzten Stufen der Turbine sollte in jedem Fall unter 15% gehalten werden. Höhere Endwerte des Wassergehaltes könnten an den Turbinenschaufeln zu starken Erosionsschäden fuhren.
Die Anordnung erfolgt so, daß die Verluste durch Irreversibilitäten beim Wärmeübergang minimal werden.
In technischen Verbrennungsprozessen wird immer mit einem Luftüberschuß, gekennzeichnet durch Wert 1>1, gearbeitet, um sicher zu gehen, daß der Brennstoff vollständig (rückstandsfrei) verbrennt. Der Luftüberschuß 1 ist definiert als das Verhältnis von tatsächlicher Luftmenge zu theoretisch für die Verbrennung erforderlicher Luftmenge.
Ursprünglich war der Dampferzeuger nur ein beheizter Dampfkessel, also ein beheizter Behälter. In vielen Ländern werden diese Dampfkessel noch verwendet. Daher wird hier das Wort Kessel statt Dampferzeuger verwendet.
Der innere Wirkungsgrad und der mechanische Wirkungsgrad der Turbine sind hier einfachheitshalber zusammengefaßt. Im mechanischen Wirkungsgrad der Turbine spiegeln sich die Reibungsverluste in der Turbine wider. Der innere Wirkungsgrad ist stark von der Turbinenlast und dem Zustand des Dampfes abhängig. Im inneren Wirkungsgrad spiegeln sich die thermischen Verluste der Turbine wieder, weshalb er auch häufig in den thermischen Wirkungsgrad des gesamten Kraftwerks eingeht.
Die erläuterte Behinderung von regenerativer Speisewasservorwärmung und Zwischenüberhitzung sind hier als Beispiel zu nennen.
Als Hochtemperaturkraftwerk werden Kraftwerke bezeichnet, die austenitische Werkstoffe (z.B. P 91) verwenden, um höchste Frischdampfparameter zu erreichen. Beim Hochtemperaturkraftwerk Lübek liegt die Frischdampftemperatur bei 560 C° bei einem Druck von 250 bar. Der Block hat eine einfache Zwischenüberhitzung (560 C°/60 bar).
Der Nutzungsgrad oder auch Brennstoffnutzungsgrad eines Kraftwerkes ist definiert als das Verhältnis von elektrischer und thermischer Leistung des Kraftwerks zur Brennstoffleistung (meist Heizwert) des eingesetzten Brennstoffes.
Dies ist aufgrund der 100jährigen Erfahrung mit konventionellen Dampfkraftwerken möglich. Allerdings könnte die drohende Konkurrenz zwischen Konventionellen- und Kombi-Kraftwerken für den Verzicht auf die doppelte Sicherheitsauslegung verantwortlich sein.
Dieser Kostenverlauf läßt sich beispielhaft für die regenerative Speisewasservorwärmung erläutern. Die erste in den Clausius-Rankine-Prozeß eingebrachte Vorwärmstufe ist, weil es sich um eine Niederdruckanzapfung handelt, sehr kostengünstig und kann eine Anhebung des thermischen Wirkungsgrades um bis zu 6% erbringen. Dagegen erbringt die neunte Vorwärmstufe nur eine zusätzliche Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades von 0,1%. Zudem muß die neunte Vorwärmstufe aufgrund der schon recht hochliegenden Vorwärmendtemperatur eine Hochdruckanzapfung sein, die sehr viel teurer ist als eine Niederdruckanzapfung.
Der Gaserhitzer entspricht dem Dampferzeuger beim Clausius-Rankine-Prozeß.
Zum Anfahren einer Gasturbine wird der dafür ausgelegte Generator als Anlaßmotor benutzt. Die Gasturbine muß mit einem Anlasser betätigt werden, weil der Verdichter, der die komprimierte Luft in der Brennkammer bereitstellt, im Betrieb direkt von der Gasturbine angetrieben wird. Ab einer bestimmten Turbinendrehzahl wird der Verdichterantrieb schließlich von der Gasturbine übernommen. Dies ist der Grund für die Verbindungslinie (Wellenstrang) zwischen Verdichter, Gasturbine und Generator in Abbildung 14.
Die Firma Siemens bezeichnet kombinierte Gas- und Dampfprozesse ohne beziehungsweise mit nur geringer Zusatzfeuerung mit dem geschützten Namen GuD. Diese Abkürzung hat sich bei Technikern als gängige Bezeichnung für diesen Prozeß durchgesetzt.
Im Zusammenhang mit dem GuD-Prozeß wird der GT-Prozeß auch als „topping cycle“ und der DT-Prozeß als „bottoming cycle“ bezeichnet.
Die Abhitzekesselvariante ohne Zusatzfeuerung ist lediglich ein Wärmetauscher mit vorwiegend konvektiver Wärmeübertragung.
Dieser Wert ergibt sich, wenn man für das Kombikraftwerk mit integrierter Kohlevergasung sämtliche Kosten für die Kohlevergasung abzieht und nochmals 300 Mio DM für die Entstickung und Entschwefelung des Rauchgases dazu addiert (vgl. Tabelle 14).
Leider werden in der Literatur die erläuterten Bezeichnungen nicht immer korrekt verwendet. Daher kommt es häufiger vor, daß keine Unterscheidung zwischen einem Erdgas/Kohle-Kombi und einem Erdgas/Kohle-Verbundkraftwerk erfolgt.
Eine gute Darstellung der Problematik bei der Steigerung des Wirkungsgrades bei bestehenden Anlagen durch Vorschalten einer Gasturbine findet sich in Schulz, 1992: 131ff.. Eine theoretische Betrachtung findet sich in Loth, 1993: 56ff.
Näheres zur CO2-Wäsche findet sich in Pruschek (1992 und 1993) und Oelieklaus (1995).
Die Anwendung der Rostfeuerung ist auf Kessel mit einer Leistung von 100 MW thermisch beschränkt. Sie besitzt somit für die in dieser Arbeit wichtigen Technologien zur Verstromung fossiler Energieträger nur untergeordnete Bedeutung.
Beim Zyklon werden Abgase durch tangentiales Einblasen in Rotationsbewegung versetzt. Durch die entstehenden Zentrifugalkräfte werden auch kleinste Staubteilchen abgeschieden.
Die zur Erniedrigung verschiedener Schadstoffemissionen notwendigen Randbedingungen sind komplex. Die Mechanismen ihrer Bildung stehen nicht selten im Konflikt zueinander. So steigt die Stickoxidbildung mit der Temperatur an, wogegen die Lachgas- und Kohlenmonoxidbildung mit steigender Temperatur sinken (Loth, 1993: 7ff.).
Die spezifischen Investitionskosten beziehen sich immer auf die elektrische Nettoleistung eines Kraftwerks. Dies soll hier aber zusätzlich deutlich gemacht werden, um zu vermeiden, daß die spezifischen Investitionskosten auf die thermische Leistung bezogen werden.
Die Alkali-Freisetzung kann zu Schäden an den Gasturbinenschaufeln führen.
Beim Kraftwerksneubau in westlichen Industrieländern sind die Investitionskosten, vermutlich aufgrund der hohen Gewinnspannen in der Energieversorgung, in der Regel sogar von nachgeordneter Bedeutung. In der Bundesrepublik Deutschland und in einigen anderen Industrieländern besteht außerdem die Möglichkeit, höhere Investitionskosten an den Verbraucher weiterzugeben. Daher sind die Eignung eines bestimmten Kraftwerktyps nach Art und Leistung für die am Standort vorliegenden Rahmenbedingungen sowie die Versorgungssicherheit, die sich im technisch-wirtschaftlichen Risiko der Anlage widerspiegelt, entscheidender (Energiespektrum, 1993: 27).
So äußerte sich auch Wolfgang Schemenau, Vice Präsident von ABB-Kraftwerke-Verkauf in einem Gespräch gegenüber dem ZEW, daß am 11.10.1994 geführt und protokolliert wurde.
An dieser Stelle drängt sich die Frage auf, warum die Chinesen entsprechende Maßnahmen nicht selbständig durchfuhren, wenn diese selbst aufgrund der niedrigen Primärenergiekosten wirtschaftlich sind. Dafür sind zwei Gründe denkbar: Erstens konzentrieren sich vermutlich sämtliche Kraftwerkbaukapazitäten in China auf die Schließung der Energieangebotslücke durch den Zubau mit nach heutigen Maßstäben wenig effizienten Kraftwerken. Zweitens muß im Fall der Umrüstung eines bestehenden Kraftwerkblocks dieser, während der Umbauphase, etwa zwei Jahre stillgelegt werden. Diese Maßnahme hat in China mit hoher Wahrscheinlichkeit die Konsequenz, daß Produktionskapazitäten an anderer Stelle zum Stillstand kommen. Dies wäre aber auch ein Hindernis für die Durchführung eines solchen Projekts im Rahmen von JI. Die Lösung dieses Problems ist im Rahmen dieser Arbeit leider nicht möglich.
Beim Effizienzniveau der Bundesrepublik Deutschland geht man von 3,2 Mio t CO2 pro GW installierte fossile Kraftwerkskapazität aus (Kallmeyer, 1995: 11).
Der spezifische Kohleverbrauch dieser veralteten Anlagen liegt bei über 600 g pro kWh SKE. Dies entspricht 1800 g CO2 pro kWh SKE. Bei fortschrittlichen Kraftwerken liegt der spezifische CO2-Ausstoß zwischen 740 und 800 g CO2 pro kWh SKE.
Dieser Eindruck wurde auf einem am 14.06.1996 vom Institut für Industriebetriebslehre der Technischen Hochschule Karlsruhe durchgeführten JI-Workshop gewonnen.
Die chinesische Regierung wird vor allem auf die Nutzung der chinesischen Kohlereserven bestehen, um nicht teure Energieträger wie Erdgas importieren zu müssen.
Beim Übergang vom Referenzfall- zum JI-Kraftwerk; die CO2-Minderungsangabe bezieht sich auf eine beispielhafte Auslegung im unteren Grundlastbereich. Dabei wird angenommen, daß das JI-Kraftwerk trotz seiner hohen Effizienz aufgrund der gegenüber heimischer Technik höheren Flexibilität auch zum Lastausgleich beiträgt.
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Bräuer, W., Kopp, O., Rösch, R. (1999). JI im chinesischen Kraftwerkssektor. In: Ökonomische Aspekte internationaler Klimapolitik. Umwelt und Ressourcenökonomie. Physica, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-662-41516-0_6
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