GÁTHY BENJÁMIN TDK DOLGOZAT

GÁTHY BENJÁMIN TDK DOLGOZAT 0

BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR ENERGETIKAI GÉPEK ÉS RENDSZEREK TANSZÉK TDK DOLGOZAT 1

BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR ENERGETIKAI GÉPEK ÉS RENSZEREK TANSZÉK GÁTHY BENJÁMIN TDK DOLGOZAT Oxyfuel tüzelés modellezése a hazai tüzelőanyag bázison Konzulens: Buzea Klaudia Doktorandusz Budapest, 2015 2

TARTALOMJEGYZÉK Előszó... 5 Jelölések jegyzéke... 6 1. Bevezetés... 7 1.1. Célkitűzések... 7 1.2. Áttekintés... 7 2. Szén-dioxid leválasztási technológiák... 8 2.1. Széntüzelés jövője... 9 2.2. CCS technológiák csoportosítása... 10 2.2.1. Tüzelés utáni leválasztás... 12 2.2.2. Tüzelés előtti leválasztás... 14 2.2.3. Oxyfuel tüzelés... 15 2.3. Technológiák összehasonlítása... 17 2.3.1. Leválasztás korlátai... 17 2.3.2. Megvalósult projektek... 18 2.4. Szén-dioxid szállítása... 20 2.5. CO2 tárolás... 22 3. Oxyfuel tüzelési tecnhológiák... 27 3.1. Tiszta oxigén melletti tüzelés... 27 3.1.1. Oxigén szeparáció... 28 3.1.1.1. Kriogén eljárás... 29 3.1.1.2. Membrános leválasztás... 30 3.1.1.3. Chemical-looping eljárás... 31 3.1.2. Szén-dioxid leválasztás... 32 3.1.3. Erőmű modell... 33 3.2. Levegő-oxigén keverék melletti tüzelés... 34 3.2.1. OXYCFB 300 Compostilla... 36 3.2.2. Erőmű modell... 37 4. Összefoglalás... 39 4.1. Eredmények... 39 3

4.2. Következtetések... 39 5. Felhasznált források... 40 6. Summary... 42 4

ELŐSZÓ Az egyetemi tanulmányaim során az energetika számos területével találkoztam, mely mind érdemes, hogy mélyebben foglalkozzak velük. Ezek közül is legjobban az elavultnak tekintett, de annál inkább primer energiaforrásként jelenlévő széntüzelés ragadta meg a figyelmem. Ezen munkámmal és későbbi szakdolgozatommal olyan pontjára akartam az szén-dioxid leválasztó technológiáknak mutatni, mely az energetikai trendek peremére szorult, ám jómagam annál több potenciált látok benne. Szeretnék a jövőben még inkább elmerülni a szén-dioxid leválasztás és tárolás témakörében. * * * Mindenekelőtt szeretnék köszönetet mondani konzulensemnek Buzea Klaudia doktorandusznak, hogy bölcsességével, iránymutatást és rengeteg segítséget adott a munkám során, és szeretném megköszönni Dr. Gács Iván docens úrnak, hogy elvállalta dolgozatom bírálását. Budapest, 2015. október 26. Gáthy Benjámin 5

JELÖLÉSEK JEGYZÉKE A táblázatban a többször előforduló jelölések magyar és angol nyelvű elnevezése, valamint a fizikai mennyiségek esetén annak mértékegysége található. Az egyes mennyiségek jelölése ahol lehetséges megegyezik hazai és a nemzetközi szakirodalomban elfogadott jelölésekkel. A ritkán alkalmazott jelölések magyarázata első előfordulási helyüknél található. Jelölés ASU CCS CFB CLC CLOU CPU ig-clc EOR EGR ECBM FGCC HP IP IGCC LP MEA OECD TSA Angol rövidítések Megnevezés Air Separation Unit Carbon Capture and Storage Circulating Fluidised Bed Chemical-looping combustion Chemical-looping with oxygen uncoupling Compression and Purification Unit in-situ gasicafction CLC Enhanced Oil Recovery Enhanced Gas Recovery Enhances Coal Bed Methane Flue Gas Cooler Condenser High Pressure Intermediate Pressure Integrated Gasification Combined Cycle Low Pressure mono-etanol-amin Organisation for Economic Co-operation and Development Temperature Swing Adsorption 6

1. BEVEZETÉS 1.1. Célkitűzések A légszennyezés, illetve az üvegházhatású gázkibocsátás mértéke soha nem látott méreteket ölt, és ennek legnagyobb részéért az ipar, az energetika, és a közlekedés a felelős. Az ipari létesítmények füstgáz és egyéb szennyezőanyag-kibocsátására vonatkozó szigorú szabályok sikeres eredményeket mutatnak fel a kén-dioxid, nitrogén-oxidok kibocsátása terén, de a széndioxid esetében nincsenek ilyen sikerek. A globális felmelegedés kérdése vitatott ugyan, de a közvélemény döntő többsége a létezése mellett foglal állást. Továbbá az sem vitatott, hogy a világon jelenleg egy általános felmelegedési folyamat van. A tudományos és politikai vélekedés egyaránt egyetért abban, hogy szükséges lépéseket tenni a szén-dioxid kibocsátás csökkentése érdekében. Ezen célok eléréséhez, olyan módszerek, technológiák kidolgozására van szükség, mely gazdaságos, környezetbarát és energiahatékony is egyben. Az energetika a leginkább érintett területek közé tartozik. 1.2. Áttekintés Az erőművek és más ipari létesítmények esetében szén-dioxid leválasztására és tárolására (Carbon Capture and Storage, CCS) kifejlesztett eljárások három csoportba oszthatók: tüzelés utáni leválasztás (post-combustion), tüzelés előtti leválasztás (pre-combustion), tiszta oxigén jelenlétében történő tüzelés, vagyis oxyfuel tüzelés. Ezen dolgozat általánosságban bemutatja a CCS technológiákat, majd az oxyfuel technológiával, és ezen belül is a flexi-burn tüzeléssel, ezek előnyeivel és hátrányaival egyaránt részletesen foglalkozik. Mindezen tapasztalatok segítik egy-egy 500 MW-s blokk modelljének kidolgozását, de jelenleg e munka csak előzetes feltevéseket, elvárásokat tud megfogalmazni. Ennek oka az, hogy a hőséma modell paraméterezéshez szükséges adatok (például a tüzelőanyag összetétele) nem áll még rendelkezésre. A hőséma modell paraméterezést követően válik lehetővé a tervezési és részterhelési állapotok vizsgálata, mely már e dolgozatba nem fért bele, de szakdolgozatként leadásra kerül. 7

2. SZÉN-DIOXID LEVÁLASZTÁSI TECHNOLÓGIÁK A szén, mint primer energiaforrás, használata közel 3000 éves múltra tekint vissza. Már az ókori Kínában is fűtöttek szénnel, de széleskörű elterjedését az ipari forradalom jelentette. A gőzgépek megjelenését követően rohamosan nőtt a világ szénfelhasználása, és egészen a mai napig meghatározó energiaforrásként szolgál a villamosenergia- és hőtermelésben egyaránt. A 20. század során egyre nagyobb figyelmet kapott a környezetszennyezés, és annak következtében létrejövő klímaváltozás, melynek hosszú távú következményei még ma sem ismertek egészen. A széntüzelés környezetszennyező hatása az ipari forradalom óta ismeretes, mikor a szélcsendes időjárás következtében napokon át tartó szmog ereszkedett az iparosodó területekre, városokra, mely komoly légúti megbetegedéseket okozott, összesen több ezer ember halálát okozva. Ezért ma már szigorú előírások szabályozzák a kibocsátott füstgáz minőségét. A szén-dioxidot, mint üvegházhatást okozó gázt tartjuk számon. A világ általánosan elfogadott vélekedése értelmében az üvegházhatás felelős főként a globális felmelegedésért és a klímaváltozásért. A 2-1. ábra a NASA által mért, és a jégsapkákban megőrzött légköri összetétel alapján becsült, szén-dioxid koncentráció változását szemlélteti az elmúlt 650 000 évben. A II. világháborút követően átléptük az emberiség története során tapasztalt legmagasabb légköri szén-dioxid értéket, és 2013-ban a 400 ppm határt is. Egyes kutatók szerint 450 ppm értékre tehető az küszöb, ahonnan már nem megfordítható a globális felmelegedés. 2-1. ábra: Légköri szén-dioxid koncentráció [1] 8

A globális felmelegedés megfékezésére több törekvés is indult. Ilyen az ENSZ által kidolgozott, 1997-ben elfogadott Kiotói Egyezményt a mai napig az Egyesült Államokon kívül minden más ország aláírta. Az egyezmény keretében az Európai Unió tagországai 8%-os kibocsátás csökkentést vállaltak az üvegházhatású gázok terén az 1990-es évhez képest. A volt Szovjet Unió tagországai választhattak eltérő referenciaévet, Magyarország az 1985-1987-es kibocsátások átlagát választotta. Ekkor a kibocsátásunk 13 millió tonnával több volt, mint 1990- ben. Azonban a törekvések ellenére évente átlagosan 2 ppm/év mértékben emelkedik a légkör szén-dioxid szintje, melyhez energiaszektor 25-30%-kal járul hozzá. Tüzelőanyag felhasználás (földgáz, kőolaj és szén) szerint csoportosítva a kibocsátott szén-dioxid mennyiségét látható, hogy a széntüzelés következtében a légkörbe jutott mennyiség kb. 12 000 Mt/év [2], ami a teljes mennyiség 43,9%-a. Ennek a kibocsátott mennyiségnek a forrása pedig szinte csak a szénbázisú erőművekből származik, ez tehát az egyik legfontosabb területe a kibocsátás csökkentésnek. 2.1. Széntüzelés jövője Joggal merül föl a kérdés, ha a széntüzelés ennyire káros a környezetre, akkor miért nem mellőzzük ezt a fajta energiatermelési módot, és keresünk más alternatívát? Ennek számos oka van, egyrészt gazdasági eredetű, másrészt nincs kiváltó alternatíva. A széntüzelés erőművi technológiája megbízható, kipróbált. A Föld szénkészlete viszonylag elosztott, az OECD országai 43,2%-kal rendelkeznek, míg a nem OECD tagok 56,8%-al. [3] Jelentős készletek vannak Kazahsztánban, Indiában, Indonéziában, de Ukrajnában, Németországban is. Minőségét tekintve az antracit 31 MJ/kg fűtőértékétől egészen a lignit 7-8 MJ/kg-os fűtőértékéig terjedhet, és ennek következtében a venezuelai kiváló minőségű feketeszén Venezuela egyik legfőbb exportcikke, annak ellenére, hogy készlete mindösszesen alig 0,1%-a világ szénkészletének. Magyarország részesedése a világszénkészletéből 0,2%-ot éri el, mely leginkább lignit, de ez is a jelenlegi felhasználás mellett még 100 évre elegendő tartalékot jelent. [3] Túl azon, hogy a világon jól diverzifikált készletek találhatók, a másik fő érv, mely a széntüzelés létjogosultságát megalapozza, hogy a technológia üzemeltetéséhez nincs szükség olyan magas fokú szakmai ismeretekre, mint a nukleáris technológia esetében. További előnye az is, hogy a szén a többi fosszilis energiaforrással szemben, a könnyen beszerezhető és tárolható tüzelőanyag. A kőolaj és földgáz esetében a vezetékes szállítás nagyban befolyásolja a költségeket, illetve erősen függővé teszi a vásárlót a kitermelő ország által diktált ártól. 9

Harmadik fontos érv inkább a fentebb leírtak következtében alakult ki. Ma a világ energiafelhasználásának 30%-a szénforrású. Régiók szerint pedig kimagasló az ázsiai és a csendes-óciáni térség, ahol ez az arány 52%. Ebben a régióban található Kína és India is, ahol 67,5%-ban illetve 54%-ban szén alapú a felhasznált energia. [3] Ezen térségben vannak a legnagyobb ütemben fejlődő, iparosodó országok is, ahol a lakosság fő megélhetése és az ország GDP termelésének fő mozgató eleme a termelő szektor, és a gépgyártás. Azért, hogy ezt fejlődő tendenciát megtartsák, olcsó energiaforrásra van szükségük, mely biztos rendelkezésre állást nyújt. Alternatívaként a nukleáris és a megújuló technológiák szolgálnak. Előző technológia hátránya a hosszú létesítési idő, a szakemberek hiánya, de ennek ellenére folyamatos bővülés van prognosztizálva az ázsiai térségben (világszinten pedig stagnálás várható). Itt épülnek a világon legnagyobb számban új nukleáris blokkok. Kínában jelenleg is 24 blokk épül, a jelenlegi 26 mellé, míg Indiában 6 épül, és további 20-at terveznek, ebből 8 már véglegesített. [4] A megújuló energiák egyik legnagyobb problémája pedig az energiatermelés bizonytalansága. Jelenleg nem megoldott az energia ilyen nagyságrendbeli gazdaságos tárolása, mely alapszintű energiaforrássá tehetné a nap- és a szélenergiát. Az ez irányba folyó kutatások pedig 30 évet jósolnak a probléma megoldására. [5] Addig, míg a szén, mint energiaforrás, teljes mértékben mellőzhetővé válik, még biztosan több, mint 50 évet várni kell. Azonban ez idő alatt sem megengedhető a környezet és a légkör további terhelése, így szükséges olyan technológiai újítás, ahol a szén-dioxidot a füstgázból eltávolítják, és valamilyen céllal elraktározzák, vagy felhasználják. Ezen technológiák gyűjtőneve a Carbon Capture and Storage, rövidítve CCS. A 2008-as válságot megelőzően számos kísérleti (pilot) projekt keretében vizsgálták a megfelelő tüzelési feltételeket, égőtér-kialakításokat, és egyéb paramétereket, annak érdekében, hogy később kereskedelmi méretű erőművekben is alkalmazhatóak legyenek a technológiák. Azonban a világválság következtében ezen tervezett létesítmények méretét csökkentették, vagy elhalasztották, több esetben végleg törölték a projektet. 2.2. CCS technológiák csoportosítása A széntüzelés, földgáz és biomassza tüzelés következtében keletkező füstgázt többféle eljárás mentén is szén-dioxid mentessé lehet tenni. A folyamat három fő részre osztható: CO2 10

leválasztásra, szállításra és tárolásra, vagy felhasználásra. Az energiatermelés mellett érintettek az ipari ágazatok is, ahol valamilyen céllal széntüzelést alkalmaznak. A főbb szén-dioxid leválasztó eljárások a következők: tüzelés utáni leválasztás (post-combustion), tüzelés előtti leválasztás (pre-combustion), oxyfuel tüzelés. A leválasztási eljárások lehetnek kémiai vagy fizikai folyamatok, melyekről általánosságban elmondható, hogy a csökkentik az erőmű hatásfokát a megnövekedett önfogyasztás miatt. A kémiai eljárások további hátránya a fizikaival szemben a magasabb üzemeltetési költség is. Az alábbi 2-1. táblázat csoportosítja az egyes eljárásokat a leválasztási technológiáknak megfelelően. 2-1. táblázat: A CO2 leválasztó rendszerek csoportosítása [6] Leválasztási Tüzelés utáni Tüzelés előtti Oxyfuel tüzelés eljárás leválasztás leválasztás Fő feladat CO2/N2 CO2/H2 O2/N2 Abszorpció Kémiai Kémiai Fizikai Fizikai Fiziko-kémiai nincs Adszorpció Fizikai Fizikai Kémiai Kémiai Fizikai Kriogén technológia Cseppfolyósítás Cseppfolyósítás Desztilláció Membránok Polimer alapú Kerámia alapú Polimer alapú Kerámia alapú Polimer alapú A leválasztott szén-dioxidot vízmentesítik, majd felkomprimálják a szállítási nyomásra. A szállítás maga történhet vezetékesen és tartályhajóval egyaránt. A tárolásra is számos megoldás létezik, mint például a földkéregbe sajtolás, vagy a tenger alatti leülepítés, de más kötött formában is felhasználható a leválasztott szén-dioxid. Az erőművi és más ipari alkalmazásokban már használt és kitapasztalt rendszernek számít a tüzelés utáni leválasztás, míg a tüzelés előtti leválasztást inkább csak új erőművek esetében 11

használnak. A harmadik technológia, a tiszta oxigén jelenlétében történő égetés alkalmazása eddig csak más ipari megoldásoknál volt használatos, mint például a lángvágás. Mindhárom szén-dioxid leválasztó módszer esetében számolni kell a hagyományos folyamatba beiktatott többlet eljárásokkal, melynek következtében az erőmű hatásfoka romlik. A megtermelt villamos energia önköltsége pedig növekszik a beépített extra berendezések miatt. A következő szakaszokban az egyes technológiák részletesebb bemutatása kerül sorra. 2.2.1. TÜZELÉS UTÁNI LEVÁLASZTÁS A CCS technológiák közül a tüzelés utáni leválasztás a legkönnyebben integrálható meglévő széntüzelésű erőművekhez, ipari létesítményekhez. Ennek a megoldásnak egyik legnagyobb előnye, hogy meghibásodás esetén sem kell leállítani a létesítményt. Elterjedésének azonban gátat szab a technológia nagy energia- és helyigénye. 2-2. ábra: Tüzelés utáni leválasztás rendszere [7] A 2-2. ábra a tüzelés utáni leválasztás elvét szemlélteti. A leválasztó rendszerhez a szükséges hőt az erőmű gőzmegcsapolásaival lehet biztosítani. Ennek mértéke eltérő a választott leválasztási eljárástól függően, de többségében a ma ilyen technológiával üzemelő erőművek, ipari létesítmények esetében kémiai úton, MEA bázisú oldószeres (monoetanol-amin) eljárással történik a CO2 leválasztása, melynek sematikus ábráját a 2-3. ábra mutatja be. 12

2-3. ábra: MEA oldószeres leválasztás [8] A füstgázt először le kell hűteni, mielőtt az abszorberbe lehetne vezetni, hogy ott a MEA oldószerrel reakcióba léphessen. Az abszorberben a füstgázból az oldószer leválasztja a széndioxidot, mely a tálca alján összegyűlik, míg füstgáz az torony tetején távozik. Innen átkerül az szén-dioxidban dús oldószer a deszorberbe, ahol gőzzel kerül érintkezésbe, mely elegendő hőt biztosít a kötések felbontásához. A CO2 a gőzzel együtt a kolonna felső részén távozik, míg az oldószer az alsó részen át. A gőzt egy kondenzátorban le kell választani, így a CO2 komprimálható lesz a szállításhoz. A folyamathoz szükséges hőt minimalizálni lehet belső hőcserélők beiktatásával. A deszorberből távozó MEA hőmérskélete 100-120 C között van, míg a deszorberbe érkező CO2 dús oldat hőmérséklete 50 C körül van. [6] A legtöbb energiát a regenerálóba vagyis a deszorberbe vezetett gőz viszi el. A technológia kényes a kén-dioxid, kén-trioxid és szilárdpor koncentrációra, illetve füstgáz hőmérsékletre, mely befolyásolja az abszorber CO2 megkötését. Az eljárás során erős korrózív anyagok is keletkeznek, melyeket folyamatosan el kell távolítani a rendszerből, illetve a MEA degradációjára is ügyelni kell. Másfajta kémiai leválasztó eljárás, melyet az Alstom vállalat fejlesztett ki, az ammóniával történő CO2 leválasztás [9]. A folyamat hasonló az előbbi MEA oldószeres eljáráshoz, de eltérő nyomáson és hőmérsékleten történnek a reakciók. Ennél a folyamatnál egészen 1-2 C-ig le kell hűteni a füstgázt az ammóniával történő érintkezés előtt, emiatt a sűrűsége megnő, míg a 13

fajtérfogata kisebb lesz. Ez kedvezően hat a berendezések méretére, illetve az alacsony hőmérsékleteken zajló reakciók csökkentik a szükséges energiát, így az önfogyasztást is. 2.2.2. TÜZELÉS ELŐTTI LEVÁLASZTÁS A CCS technológiák közül a tüzelés előtti leválasztás egy összetettebb eljárás, mint a tüzelés utáni leválasztás. A szén elgázosításával szintézisgáz keletkezik, amit gőzzel érintkeztetve, végeredményképp CO2 és H2 keletkezik. A CO2-t különválasztják a H2-től és elszállítják, míg a hidrogén egy kombinált ciklusú erőmű tüzelőanyaga lesz, ami a legkedvezőbb hőkörfolyamati hatásfokot tekintve. Hátrányként a szén elgázosítása esetén keletkező tüzelőanyag veszteség jelentkezik, de jelentős a folyamat energiaigénye is, mert az elgázosításhoz szükséges tiszta oxigént a levegőtől el kell szeparálni. További probléma a tiszta H2 magas hőmérsékletű égése, melyhez új szerkezeti anyagok fejlesztése szükséges. Az ilyen leválasztási eljárással működő erőművek gyűjtőneve az IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle), ahol az integrated az erőművi folyamatba iktatott szénelgázosító szakaszt jelenti. Elméletben földgáz elgázosító rendszert is lehet építeni, de földgáz esetén a hatásfok javulás kisebb mértékű, mint amennyivel a rendszer bonyolultabbá válik. [6] 2-4. ábra: IGCC erőmű sémája [7] Az 2-4. ábra egy IGCC erőmű kapcsolási sémáját mutatja be. Első lépésként szükséges egy levegőszeparátor, mely a nitrogént leválasztja az oxigéntől. A levegőszeparátor kriogén eljárás vagy Linde-Frankl féle levegőbontás útján történhet [6]. A tiszta oxigént a tüzelőanyaggal 14

reagáltatjuk, melynek eredményeképp CO és H2 keletkezik. A gázáramot gőzzel keverik, hogy a szén-monoxid teljesen eloxidálódjon. A létrejövő CO2 és H2 keveréket szétválasztják, és a hidrogént a gázturbinához, míg a szén-dioxidot a kompresszor állomáshoz viszik. A folyamatnak számos érzékeny pontja van, mint például az elgázosító és a szén-dioxid leválasztó, vagy a gázturbina és a tüzelőanyag-változás kapcsolata. Előbbi esetében az elgázosításnál használt katalizátor anyagok vagy eljárások (kettős elgázosítás, Fischer-Tropsch szintézis) hatással van az alkalmazható CO2 leválasztó technológiára. A kémiai abszorberes eljárások érzékenyek a kéntartalomra, így azt előzetesen el kell távolítani a szintézisgázból. Az elgázosítás során keletkeznek melléktermékek is, mint a metán vagy svélezés esetén, ammónia, kátrány és fenol is jelen lehet a termékgázban [6]. A gázturbina működése a földgázt hasznosító turbinákhoz nagyon hasonló, így külön speciális technológiát a kombinált ciklus nem igényel. Azonban a termékgáz fűtőértéke nagyban függ a tüzelőanyag összetételétől. Az elgázosítás csak akkor ad stabil gázparaméterű termékgázt, ha az elgázosító tüzelőanyaga sem változik jelentősen (10-15% biomassza tartalmat elvisel) [6]. A tiszta H2 magas égési hőmérséklete miatt füstgáz recirkuláció szükséges. 2.2.3. OXYFUEL TÜZELÉS A CCS technológiák közül a tiszta oxigén jelenlétében történő fosszilis tüzelőanyagok égését nevezik oxyfuel tüzelésnek (2-5. ábra). Az oxyfuel rendszerek esetében szükséges a füstgáz egy részének visszakeringtetése, ugyanis tűztér hőmérséklete meghaladhatja a 3000-3500 Cot. E fölötti hőmérséklettartományban a tűztér szerkezeti anyaga károsodást szenvedne, ez okból kifolyólag alkalmaznak víz vagy vízgőz bekeverést is a recirkuláltatott füstgázba. A füstgáz főleg szén-dioxidot tartalmaz, némi vízgőz és oxigén mellett, ezért a szén-dioxid leválasztás hatásfoka elérheti a 100%-ot a gőz kondenzálása után. Egy másik előnye az alacsony károsanyag-kibocsátás is [6]. 15

2-5. ábra: Az oxyfuel tüzelés sémája [7] Az oxyfuel tüzelés fontos eleme és egyben legnagyobb hátránya a tiszta oxigén elszeparálása a levegőből, vagy más oxigénben gazdag anyagból. Ezen folyamat energiaigénye generálja a technológia költségének jelentős részét, illetve erőművi alkalmazás esetén, ez okozza a legnagyobb mértékű hatásfok romlást a megnövekedett önfogyasztás miatt. Az oxyfuel tüzelés egyik speciális változata az úgynevezett flexi-burn tüzelés. Ebben az esetben a tiszta oxigénnel való üzemelés mellett lehetőség van levegővel kevert tüzelés megvalósítására is. Ez irányú kutatásokat cirkulációs fluidágyas kazánokkal (CFB) valósítottak meg (pl. spanyolországi ciudeni telephelyen), ahol bizonyították, mindkét üzemelési mód melletti szén-dioxid hatásos leválasztását. Továbbá a kutatások másik eredménye az üzemanyag rugalmassága, miszerint az antracittól egészen a biomasszáig kísérleteztek sikeresen CFB kazán flexi-burn tüzelés megvalósítása mellett. E technológia is igényli a füstgáz-recirkulációt, de pilot méretekben (0,1-30 MW) jól tartható volt a kazán hőmérséklete és a szennyezőanyag-kibocsátás mértéke is. [10] Mindkét esetben a technológia alkalmazható retrofit program keretében felújított kazán esetében is, de költséges beruházásnak tekinthető. A két eljárás részletesebb bemutatása az 3. fejezetben található. 16

2.3. Technológiák összehasonlítása A fentebb rövid ismertetésre került a három fő CCS technológia. Mindhárom esetében számolni kell jelentős beruházás költséggel, megnövekedett önfogyasztással és ennek következtében hatásfokromlással is. Az egyes technológiák előnyei, hátrányai is eltérőek, emiatt az alkalmazhatóságuk is eltérő, illetve műszaki korlátok akadályozzák a széleskörű elterjedést. 2-2. táblázat: CCS technológiák összehasonlítása [6] Tüzelés utáni Tüzelés előtti leválasztás leválasztás Oxyfuel tüzelés Hatásfokromlás 6-10 % 4-10 % 8-12 % Szűrendő gáz CO2 tartalma 12-15 v/v% 15-40 v/v% 95-98 v/v% Leválasztás rugalmassága részben rugalmas rugalmatlan rugalmas Erőműhöz illeszthetőség Retrofit program, Retrofit program, Újonnan épülő és újonnan épülő és újonnan épülő egység esetében egység esetében egység esetében Kereskedelmi méretű projekt Számos példa Számos példa Nincs A fenti 2-2. táblázat a CCS technológiákat hasonlítja össze, de az egyes eljárások külön előnyökkel és hátrányokkal járnak, melyek ilyen formában nem hasonlíthatóak össze. 2.3.1. LEVÁLASZTÁS KORLÁTAI A tüzelés utáni leválasztás egyik már korábban említett előnye, hogy meglévő blokkokhoz méretezhető, és annak működésére nincs számottevő hatással. Meghibásodás esetén kikerülhető a leválasztó egység az erőmű leállása nélkül. Erre kisebb karbantartások miatt szükség is van, és a jelenlegi szabályozás ezt lehetővé is teszi, ugyanis negyedévente kell elszámolni a kibocsátott károsanyag mennyiségével. Az egyik legnagyobb probléma a leválasztó nagy helyigénye. Meglévő erőművek esetében nagyon szűk mozgástérre van lehetőség egy új berendezés beépítésére. Emiatt a beruházás költsége az erőmű beruházási költségét jelentősen növeli, mérettől függően 30-40%-kal is [6]. Jelentős javulást lehetne elérni, ha olyan eljárással történne a leválasztás, mely kisebb beruházással járna, kisebb anyag degradációval, és kevesebb önfogyasztásra elhasznált hővel. 17

A tüzelés előtti leválasztás fő előnyének tekinthető a tüzelőanyag minőségére való érzéketlenség (magas nedvesség és hamutartalom), de nem elhanyagolható az a tény, hogy kombinált ciklusú erőmű megvalósítását is lehetővé teszi. Az olcsóbb tüzelőanyag és a magas körfolyamati hatásfokkal együtt a legköltséghatékonyabb CCS eljárásnak tekinthető. A korlátot a H2 égési hőmérséklete jelenti, melyet N2 visszacirkuláltatásával lehet értékhatáron belül tartani. Jobb szerkezeti anyagok használatával növekedhet a gázturbina hatásfoka, azonban jelentős fejlődést nem lehet ez irányban elérni. Az elgázosító metódusok közül a legtöbb tiszta oxigént igényel, melynek előállítása energiaigényes. Ezen a téren a kriogén alapú eljárások kiváltását célzó membrános leválasztás hozhat áttörést. Az oxyfuel esetében a leválasztás a legkönnyebben kivitelezhető a füstgáz nagy CO2 tartalmának köszönhetően. A recirkuláltatott levegőnek köszönhetően pedig az egyéb füstgáztisztító berendezések mérete is jelentősen csökkenthető, összehasonlítva a hagyományos leválasztás nélküli széntüzelésű erőművekkel. A tüzeléshez szükséges körülbelül 95%-os tisztaságú O2 előállítása a legfőbb probléma. Erőművi szinten, olyan jelentős mennyiségű oxigénre van szükség, melyet kriogén alapú eljárással gazdaságosan kivitelezni jelenleg nem lehet. Ezen területen intenzív kutatások zajlanak membrános és egyéb másodlagos O2 szeparációs eljárások kapcsán. Ezek a módszerek a dolgozat az 3.1.1. szakaszában kerülnek részletesebb bemutatásra. 2.3.2. MEGVALÓSULT PROJEKTEK Jelenleg a világon 55 nagyméretű CCS projektet tartanak számon. Ebből 22 már üzemel, vagy építés alatt van. Az USA és Kína együttesen 31 projektben érdekeltek, míg Európa 8 projekten dolgozik, illetve Kanada még további 7 projekttel járul hozzá az előzőekhez. Az eddig telepített CCS leválasztó technológiák részaránya alapján 43% tüzelés utáni, 28% tüzelés előtti és 6% oxyfuel technológián alapul. A maradék egyéb (főleg vegyipari) eljárásokat takar [11]. Az Egyesült Államokban és Európában energiatermelés szempontjából IGCC típusú erőművek épülnek, de míg Európában a geológiai tárolást preferálják, addig a tengeren túl szinte kizárólag (91%-os részarányban) a fokozott olajkihozatalt részesítik előnyben (EOR - Enhanced Oil Recovery). A nagyerőművi kereskedelmi üzemű projektek közül a két legfontosabb: a kanadai Boundary Dam (post-combustion), melyet 2015-ben már üzembe is helyezték, és a Mississipi állambeli Kemper County Energy Facility (pre-combustion), melyet 2016 első felében fogják átadni. 18

A dolgozat szempontjából fontos még az európai White Rose projekt (oxyfuel), melynek munkálatai még tartanak. Az alábbi 2-3. táblázat tartalmazza ezen projektek jellemző paramétereit. 2-3. táblázat: Fontosabb erőművi CCS projektet jellemzői [11] Energiatermelés, Leválasztási Tárolási Megkötött Várható Projekt Helyszín MW eljárás technológia CO 2, Mt/év befejezés státusza Boundary postcombustion geológiai EOR és Kanada 120 1,0 2015 üzemel Dam Kemper precombustion alatt befejezés USA 582 EOR 3,0 2016 County White 2019- előkészítés UK 448 oxyfuel geológiai 2,0 Rose 2020 alatt Az Európai Unió energiastratégiájában fontos szerepet játszanak a tisztaszén technológiák, azonban jelenleg csak az Egyesült Királyságon belül találhatóak futó projektek. Itt is a legnagyobb jelentőséggel az Alstom Power által fejlesztett White Rose Projekt bír. Az utóbbi hónapokban a projekt megvalósítása akadályokba ütközött a kormány pénzügyi támogatásának megvonása miatt. A fenti három projekt mellett számos más terv is létezik Európán belül és azon kívül is. Ilyen volt a spanyol OXYCFB 300 Compostilla projekt is, ahol egy flexi-burn tüzelésű kazánt terveztek. A 2008-as gazdasági világválság a CCS projekteket kifejezetten rosszul érintette, több tervet töröltek szerte a világon, másokat elhalasztottak, ez alól az Compostilla projekt sem volt kivétel. 2013-ban a projekt pihentetése mellett döntött a spanyol kormány. Ez a pilot erőmű adhatna működési tapasztalatokat egy CFB kazánnal működő oxyfuel technológiát megvalósító CCS erőműveknek. Az alábbi 2-6. ábra a 2014-ben még számon tartott nagyméretű projekteket mutatja. Az egyes körök területe a létesítmény által megkötött szén-dioxid mennyiségét és annak tárolási módját szemlélteti. Mint az ábrán is látható a közeljövőben szinte kizárólag észak-amerikai és távolkeleti beruházások várhatóak. 19

2-6. ábra: Ipari és energetikai CCS projektek állapota [11] Mint ahogyan a 2-6. ábra alapján is látható, ahol lehetséges EOR rendszerrel együtt valósítják meg a CCS technológiát, mivel az átvett CO2 mennyiségért a kőolajipari vállalatok fizetnek is, ami kedvezően hat a beruházás megtérülésére. 2.4. Szén-dioxid szállítása A szén-dioxid leválasztó technológiáknak nem lenne létjogosultsága, amennyiben nem lenne alternatíva a tárolására, vagy részben nem lehetne hasznosítani ipari méretekben. Ehhez azonban szükséges a keletkezés helyétől eltérő távolságra szállítani. Ebben az alfejezetben a leválasztott gáz szállításának feltételei kerülnek bemutatásra. Az erőműben a leválasztott szén-dioxidot a szállításának megfelelően előkészítik. A szállítási módra több lehetőség is kínálkozik [6]: gáz halmazállapotban csővezetéken keresztül, gáz halmazállapotban tankerhajóval, folyékony halmazállapotban csővezetéken keresztül, folyékony halmazállapotban hajóval, folyékony halmazállapotban közúton tartálykocsival. A szén-dioxid halmazállapot-fázis diagramját a 2-7.ábra szemlélteti. 20

2-7. ábra: CO2 fázisdiagram [12] A csővezetéki szállítás az ipar számára már régóta bevált és biztonságos mód a nagy mennyiségű közegek szállítására, mint akár a CO2 szállítás is. Az első szén-dioxid szállító csővezeték az egyesült államokbeli Reef-kanyonban építették 1972-ben, a mai napig 5 millió tonna szén-dioxidot szállít évente. A szén-dioxid szállításnál fontos, hogy ne tartalmazzon nedvességet, hogy szállítás közben ne okozzon korróziót a vezetéken, ezért vonják ki még lehetőleg az előállítás helyén a nedvességet a szén-dioxidból. Az addig tartó szakaszt korrózióálló anyagból, jellemzően acélötvözetből kell építeni. A könnyű szállíthatóság érdekében a széndioxidot folyadék állapotban vagy szuperkritikus folyadék állapotban kell szállítani, mely hasonlatos a kőolajszállításhoz. Ahhoz, hogy a CCS technológia számára is hatékonyan alkalmazható legyen ez a szállítási módszer elengedhetetlen a csővezeték infrastruktúra megfelelő fejlesztése. A kilométerenkénti csővezetéken történő szállítás költsége nagyon sok tényezőtől függ, például hogy szárazföldi vagy tengeri szállítás valósítható-e meg, a terepviszonyoktól, a mérettől, a csővezeték anyagától, a szállítási nyomástól, a kompresszor állomásoktól, a terep lakottságától, földjogi használattól és egyéb tényezőktől. Egy lakott és egy lakatlan területen létesített csővezeték hálózat költsége közötti különbség akár tizenötszörös is lehet. [6] A hajón történő szállítást hűtött tankokban vagy komprimált földgáz szállítására alkalmas tartályokban lehet megvalósítani. Ez a szállítási mód lehetővé teszi kisebb forrásokból a szén- 21

dioxid összegyűjtését és az infrastruktúra kiépítés költségének csökkentését. Azonban a tartályos szállítás nagyságrendje kilotonnás kategóriába esik, ami nem éri meg a rövid távolságon való szállítást. Jellemzően a nagytávolságú 1000 km feletti távolságokra válik kifizetődővé. [6] A szállíthatóság fontos lépése, és egyben az egyik leginkább energiaigényes egysége a fogaskerék kompresszor. Ennek feladata a CO2 szuperkritikus nyomásra emelése, mely köztes hűtéssel egészen 200 barig mehet. A folyamatos fejlesztéseknek köszönhetően, ma már léteznek 480 000 m 3 /h térfogatáramot szállítani képes kompresszorok is, de ennek megfelelően energiaigényük is 60 MW [13]. Ez az erőművi hatásfokot összességében 2-3%-kal is lerontja. [6] 2.5. CO 2 tárolás A CCS technológiák szerves része a tárolás. A keletkezett szén-dioxid mennyisége erőművi szinten olyan nagy, hogy egy iparág (például vegyipar, vagy az élelmiszeripar) sem tudja felhasználni. Megoldásként egyedül a hosszútávú tárolás jöhet szóba. Ezekre több alternatíva is kínálkozik, melyek egy részét a 2-8.ábra szemlélteti [6]: kimerült kőolaj és földgázmezők, porózus kőzetek, sósvizes kőzetrétegbe történő sajtolás, kimerülőben lévő kőolaj és földgázmezők, metán kinyerése szénrétegekből (ECBM), tenger alatti tárolás, kőzetté alakítás. A továbbiakban ezen pontok kerülnek ismertetésre, de részletesebben a geológiai tárolás potenciális jelentőségét veszi alapul a dolgozat. [13] 22

2-8. ábra: A különböző geológiai tárolási típusok [8] A kőolaj- és földgázmezők már bizonyították az évmilliók folyamán, hogy tárolás szempontjából biztonságos megoldások. Geológiailag ezen mezők mély vizsgálatokon estek át, így szerkezetük részletesen ismert. A problémát a próbafúrások jelenthetik, melyeken a CO2 kitörhet a felszín irányába. Az összes próbafúrás eltömítése költséges lehet, de szükséges biztonsági okokból kifolyólag. A kőolaj- és földgázkitermelés segítésére is alkalmazható a CO2 deponálása. A kimerülőben lévő tározók rétegnyomásának növelésére gyakran alkalmaznak különböző közegeket, melyek nem oldódnak, vagy könnyen leválaszthatók a kitermelt fosszilis nyersanyagból. Ezen módszerek a fokozott olajkihozatal (EOR - Enhanced Oil Recovery) és a fokozott földgázkihozatal (EGR - Enhanced Gas Recovery). Az Egyesült Államok kőolaj kitermelésének 31%-át EOR eljárással hozták felszínre. Kőolaj esetében akár 25-100%-ig terjedő többletkihozatal is elérhető egy-egy mező esetében, ami az egész rétegben megtalálható kőolajkészlet 8-15%-a is lehet. [6] Az EOR rendszernek is vannak korlátai: kőolaj sűrűsége nagyobb legyen, mint 910 kg/m 3, 600 m-nél mélyebben található olajmezőnél alkalmazható, ahol 20-30%-a minimum jelen van a mező tartalmának, gazdaságilag megtérülővé csak az előbbi két tényező teljesülése esetén válik. Az EGR eljárás az EOR-hez képest még nem rendelkezik bizonyított előnyökkel, de újabb kutatás szerint gazdaságilag is megtérülő szintet érhet el a technológia, főként a szén-dioxid kvóta árak növekedése mellett [14]. A folyamat alapja, hogy a metánnál sűrűbb a szén-dioxid, 23

így képes a metán alá süllyedni, és kiszorítani a tárolóból. Azonban a két gáz keveredése elkerülhetetlen, de mindössze 10% körüli szén-dioxid található a felszínre érkező metánban. Az EGR rendszerek nagy előnye lehet, hogy nagyobb mennyiségű tárolás lehetséges és geológiailag is stabilabb rétegben történik. Egyelőre az EGR eljárás már 80-90%-ban kitermelt gázmezők további gázkinyerésénél kerül szóba, ami a teljes gázmennyiségre nézve 5-15% többletgázt jelent. Az ECBM technológia során a CO2-t olyan nem kitermelhető szénrétegekbe sajtolják be, ahol nagymennyiségű metán kötődik a szénhez. A szén kétszer nagyobb adszorpciós tulajdonsággal rendelkezik a szén-dioxidra nézve, mint metánra. Ígéretes módszernek tűnik, főként az USA-ban és Kanadában tett kísérletek alapján. Az alkalmazásnak számos korlátja van [6]: lehetőség szerint egy nagyobb szénrétegnek kell jelen lennie, több kisebb helyett, a szénrétegnek vertikálisan elhatároltnak kell lennie, míg horizontálisan egybefüggőnek, közeli szén-dioxid forrás, és magas metán tartalom, a szén minimális permeabilitása 1-5 milidarcy (geológiában a permeabilitás az egyes kőzetek folyadék áteresztőképességek mérőszáma, a legtöbb szénréteg ennél kevésbé permeábilis). A legtöbb szénréteg ennél kisebb áteresztő képességgel rendelkezik, így csak azon rétegek jöhetnek számításba, melyek 2000 méternél mélyebben fekszenek, mert itt a nyomás és a hőmérséklet elegendően magas ahhoz, hogy a permeabilitás elérje a minimum értéket. [6] A porózus mészkő kőzetekbe való tárolást a Sleipner projekt keretében valósítottak meg Norvégiában, ahol éves szinten 1 millió tonna CO2 letárolását oldják meg. A Jeges- tengeren kitermelt földgáz nagy mennyiségű CO2 tartalmát leválasztják, és az Utsira sósvizes kőzetrétegbe injektálják (ezen vízkészletek nem alkalmasak emberi fogyasztásra). A technológia biztonságosságát sokan kétségbe vonják, illetve azt is nehezen lehet megbecsülni, hogy egy rétegnek mekkora a biztonságos kapacitása. Egyesek mindössze 2%-os kihasználtságot feltételeznek, míg más kutatók szerint akár az üregek 68%-át is biztonságosan meg lehet tölteni szén-dioxiddal. A problémát a kőzetréteg megrepedése jelenti, ugyanis instabillá válhat a besajtolás miatt a réteg, és egy esetleges beszakadás miatt könnyen megsüllyedhet akár a felszín is. Egy esetleges kitörés káros hatásától azonban nem kell tartani, mert a CO2 kémiailag nem veszélyes gáz (színtelen, szagtalan, levegőnél sűrűbb gáz, nem éghető). 24

Összességében a geológiai tárolás rendelkezik a földön a legnagyobb kapacitásokkal, becslések alapján akár 100 000 Gt CO2 tárolásra is van lehetőség a biztonságot is figyelembe véve. [6] Az Európai Unió a geológiai tárolás lehetőségének eldöntését tagországi hatáskörbe helyezte, de szigorú irányelv rendszert dolgozott ki, mely alapján értékelni kell egy mező tárolásra való alkalmasságát. A 2009/31/EK CCS irányelvben rögzítette ezen kritérium területeket: biztosítani kell a geológiai tároló biztonságosságát, rendszeres monitoring, a szivárgás megelőzés és felszámolásra kidolgozott protokoll, a tározó bezárása utáni felelősség kérdése, elkülönített felelősségi alap létrehozása. A kérdéses tárolók kapcsán modellezést kell végezni, az Unió szakember testületének is igazolnia kell a tároló alkalmasságát. Akkor válik alkalmassá egy terület tárolásra, ha a kritériumok biztosítottak, nincs szivárgási veszély, az egészségügyi és környezetei károsító hatásának kockázata nagyon kicsi. A végső engedélyt a tagállam hatósága adhatja meg, de egy tagállam dönthet úgy is, hogy az ország területén nem lehet szén-dioxid tárolást megvalósítani. Ilyen ország például Ausztria. [15] Magyarország kedvező geológiai kőzetekkel, illetve tároló mezőkkel rendelkezik a széndioxid megkötés megvalósítását tekintve. A magyar szabályozásba 2012 májusában került be a szén-dioxid geológiai tárolásának vizsgálata az Uniós irányelvnek megfelelően. A Nemzeti Fejlesztési Minisztérium rendelete értelmében a Magyar Bányászati és Földtani Hivatal a kötelezett a tárolókapacitások felmérésére, melyek eredményét az alábbi 2-4. táblázat mutatja. 25

2-4. táblázat: Magyarország szén-dioxid tároló kapacitása [16] bányatelek tárolókapacitás részmedence, tárolókapacitás [Mt] sósvíz rezervoárok [Mt] Babócsa IV. 3,40 Nyugat-kisalföldi 48,10 Domaszék I 4,08 Kelet-kisalföldi 45,40 Fegyvernek I 3,23 Zala-délbalatoni 66,10 Füzesgyarmat II 20,65 Somogy-Drávavölgyi 72,80 Kenderes I. 13,75 Közép-dunai 2,06 Kübekháza I 10,00 Északalföldi 66,10 Méhkerék I 9,55 Kiskunsági 52,90 Mezőtúr IV 11,44 Nagykunsági 150,00 Nagykörű I 5,29 Hajdúsági 40,70 Pusztamérges I 5,44 Bihari 63,40 Szarvas I 3,90 Szegedi 55,50 Tázlár I 5,85 Békési 97,90 Tótkomlós III 3,00 Összesen 99,58 [Mt] 760,96 [Mt] Egy másik alternatíva a tenger alatti tárolás, melynek környezetre gyakorolt hatásáról nem készült tanulmány. Az elv lényege, hogy tankerhajóval a mély vízrétegbe fecskendezve a CO2 nehezebbé válik a víznél is. Ez azért történik, mert a szén-dioxid kompresszibilis anyag, így 300 bar felett a sűrűsége nagyobb, mint a vízé és lesüllyed a tenger aljára. Bár környezeti hatása nem tisztázott, engedélyezett a tárolás e módja. [6] Legköltségesebb megoldásként a szén-dioxid kőzetté alakítására, másképp karbonát képzésére, van lehetőség. Fémoxidokkal reagálva stabil és környezetbarát eljárásként szilárd kőzetek jön létre. A folyamat energiaigényes és lassú, ezért más iparibeli alkalmazásra van lehetőség. Alább láthatók a reakcióegyenletek: Mg2SiO4 + 2CO2 2MgCO3 + SiO2 (2.1) Mg3Si2O5(OH)4 + 3CO2 3MgCO3 + 2SiO2 + 2H2O (2.2) CaSiO3 + CO2 CaCO3 + SiO2 (2.3) Összesességében, világ és hazai viszonylatban is a geológiai tárolás tekinthető követendő útnak. Költségeit tekintve az EOR eljárás útján betárolt CO2 nullszaldós, vagy megtérülő beruházás is lehet, míg az EGR esetén ez még nem egyértelmű. Azonban geológiai tárolás mellett sem számottevő a tárolási költség mérete az erőművi beruházás, és a kibocsátott széndioxid után fizetendő ár mellett. 26

3. OXYFUEL TÜZELÉSI TECNHOLÓGIÁK Ezen fejezet a 2.2.3 szakaszban már korábban bemutatott oxyfuel technológiák közül két lehetséges módot, az tiszta oxigén melletti tüzelést, és a levegővel kevert tüzelést vizsgálja részletesebben. A dolgozat hazai lignit tüzelőanyag bázison alapuló erőműmodellt készít elő, és előzetes eredményeket határoz meg. A kapott eredményeket később más projektek modelljeivel, mint például a spanyolországi Compostilla OXYCFB 300 projekttel lehet összehasonlítani. Azonban befejezett Large-Scale projekt még nem áll rendelkezésre, mely teljes referenciaként szolgálhat. 3.1. Tiszta oxigén melletti tüzelés Ebben az alfejezetben a tiszta oxigén melletti tüzelés modellezésének előkészítésére és részegységeinek részletesebb technológiai bemutatására kerül sor. A modell egy 500 MW-os szénportüzelésű erőmű, melynek sematikus kapcsolását az 3-1. ábra mutatja be. A szén paraméterei a hazai lignit tüzelőanyagéval egyeznek meg. A modell a Cycle-Tempo hősémaszámító szoftver felhasználásával készül, mellyel a körfolyamat paramétereit és az berendezések hatásfokra gyakorolt hatását mutatja meg a program. 3-1. ábra: Oxyfuel tüzelés kapcsolási sémája A modell Rankine-Clausius körfolyamatot valósít meg, egyszeres újrahevítéssel. Négy kisnyomású tápvízelőmelegítő és négy nagynyomású tápvízelőmelegítő van, előbbit a kisnyomású, ikerházas kivitelű turbina megcsapolásairól látjuk el gőzzel, míg utóbbit a nagyés középnyomású turbinaszakaszokról. A nagynyomású turbina után két megcsapolás található, 27

a középnyomású szakasz előtt egy újrahevítés történik. A nagy és középnyomású szakasz látja el a főáramú soros nagynyomású tápvízelőmelegítő rendszert is gőzzel. A középnyomású szakasz látja el a főtápvíz szivattyú segédturbináját és a gáztalanító tartályt a szükséges mennyiségű gőzzel. Ugyaninnen kapja a CO2 leválasztó technológia és az oxigén szeparátor hűtő is szükséges gőzt. A segédturbina fáradt munkaközege közvetlen a kondenzátorba kerül. A középnyomás után a főgőzáram a kisnyomású részekre kerül. A kisnyomású turbináról történik a kisnyomású tápvízelőmelegítő rendszer gőzellátása is. A tápvízelőmelegítő hagyományosnak tekinthető kapcsolásban helyezkedik el, a kaszkád és előrekeveréses vegyes kapcsolás kombinációjaként. A kazán egy kéthuzamú Benson típusú szuperkritikus szénportüzeléses konstrukció. Az oxyfuel tüzelés esetében nagymennyiségű visszakeringtetett füstgázáram van a célból, hogy a tüzelés paraméterei jól kontrolálhatóak legyenek, továbbá a szerkezeti anyagokat is védje a túlhevüléstől. E tekintetben van a legnagyobb eltérés a hagyományos szénportüzelés és a modellezett kazán között. A visszakeringtetés előnyeit az 3.1.2-es szakasz mutatja be részletesen. Az oxyfuel tüzelés legfontosabb sajátossága az oxigén leválasztó rendszer. Ezen terület szorul a legnagyobb fejlesztésre. A jelenleg kereskedelmi méretben alkalmazható kriogén eljárással történő oxigén szeparálás energiaigényessége sarokkövét jelenti a beruházásnak. Egy egyszerűbb és megbízhatóbb technológia, mint például a membrános leválasztás megoldást jelenthet erre a problémára. Az ezzel kapcsolatos kutatásokat az 3.1.1. szakasz mutatja be. 3.1.1. OXIGÉN SZEPARÁCIÓ A szükséges oxigén leválasztása történhet levegőből, illetve kémiai úton más szilárd anyagból kinyerve is. Az előbbi folyamatot a levegő szeparátor egység (ASU, Air Separation Unit) végzi. Minden levegőből történő oxigén kinyerésnél hátrányként felmerül a magas üzemeltetési költség, illetve a felhasználatlan nitrogénnel keletkező veszteség. A szilárd oxigénhordó anyagból való leválasztási eljárást nevezi a szakirodalom chemical-looping-nak. [6] Ezen másodgenerációs technológia erőművi szintű alkalmazása még kidolgozás alatt áll. A hátrányok az egyes chemical-looping eljárások között eltérőek lehetnek, de általánosságban a szilárd anyag regenerálása miatt többlet energia szükséges, mely érzékenyen érinti az erőművi hatásfokot. 28

3.1.1.1. Kriogén eljárás A kriogén eljárás alapja, hogy a levegő komponenseit alkotó gázok cseppfolyósodási hőmérséklete eltérő, és ezek alapján desztillációs folyamat során szétválasztható. Az erőművi technológiai folyamatot az 3-2. ábra szemlélteti. 3-2. ábra: Kriogén eljárás erőművi sémája [17] A levegőt a kompresszor 50-60 bar-os nyomásra sűríti, ezt követően eltávolítják a nedvességtartalmat. A levegő nitrogén és oxigén tartalma mellett egyéb gáz összetevői, mint a szén-dioxid és a nitrogén-oxidok ezután szintén leválasztásra kerülnek, ugyanis azok veszélyesek lehetnek a berendezések működése szempontjából. A szétválasztás után a nitrogént és az oxigént átvezetik a főhőcserélőn, majd onnan a magas nyomású frakcionáló oszlopra. A kettős desztilláló tornyon való áthaladás végén, a kolonna alján a folyékony oxigén összegyűlik, míg a nitrogén és egyéb gázok az oszlop tetején távoznak. A desztillálás során értékes argon nemesgáz szeparálásra is van lehetőség. Ezzel az eljárással nagy tisztaságú 99% feletti oxigéntartalom is elérhető. [6] Az eljárás hátránya, hogy nagyon költséges eljárásnak bizonyul a kriogén technológia erőművi alkalmazása. További technikai akadály a kompresszor levegőnyelési képessége megszabja a blokk maximális teljesítményét. A kompresszorok centrifugál vagy axiál típusúak lehetnek. Előbbivel körülbelül 5000 t/nap, míg utóbbival 8000 t/nap oxigén termelés érhető el. A 3-1.táblázatban ekkora oxigén kihozatal melletti kompresszorfogyasztást látható. 29

3-1. táblázat: Kompresszorkombinációk önfogyasztása [6] Termelt O2 [t/nap] kompresszor opciók becsült fogyasztás [MW] 3000-4000 1-2 sor centrifugál vagy 1 axiál 22-33 4000-5500 1-2 sor centrifugál vagy 1 axiál 30-45 5500-7000 2 sor centrifugál vagy 1 sor axiál 41-58 7000-10000 2 sor centrifugál vagy 2 sor axiál 53-82 A centrifugálkompresszorokról elmondható, hogy alacsonyabb költségűek. Ekkora méretű kompresszorok hajtása hagyományosan gőzturbinákkal történik, azonban a gőzturbinák indításához kell egy kezdő gőzmennyiség, melyet a kazán még nem állít elő. Ez gyorsgőzfejlesztő vagy egy nagyvízterű kazán telepítését teszi szükségessé. Összességében a kriogén technológia energiaigényét nagyban befolyásolja a fentebb említett kompresszor választás, illetve a közbeeső berendezések alkalmazása. Az elérhető 99% tisztaságú oxigénnél kisebb koncentráció is elegendő az oxyfuel tüzelés megvalósításához, erre szakirodalom 95%-os mennyiséget tekint optimálisnak. Ez a koncentráció azonban az argon nemesgáz leválasztásához kevés, így ennek eladásából nem származik az erőműnek többletbevétele. Kriogén technológia alkalmazása esetén a termelt argon felhasználására épülő egyéb ipari létesítmény létesítése teszi csak megtérülővé az argon-leválasztást. A technológia energiaigénye 200-160 kwh/tonna fajlagos energiaszükséglet közé tehető, míg az erőművi hatásfokot tekintve 8-12% hatásfokcsökkenést okoz [6]. Ez nagyban függ attól, hogy szuperkritikus (~280 bar, ~600 C) vagy ultra-szuperkritikus (~330 bar, ~650 C) gőzparaméterekhez illesztjük. 3.1.1.2. Membrános leválasztás A membrán technológia alkalmazása egyre nagyobb teret nyer az ipari alkalmazások esetében. Az elvi működése egyszerű, a membránfal két oldalán különböző parciális nyomáson van az oxigén, ezért a magasabb nyomás felőli oldalról az alacsonyabb nyomású oldal felé kiegyenlítődés fog történni. A membrán fala egyfelől elszeparálja a két különböző nyomású részt egymástól, másrészt meggátolja a levegőből egyéb gázkomponensek nagyfokú áthaladását a fal alacsonyabb nyomású oldalára. A működési elv alább a 3-3. ábrán található. 30

3-3. ábra: Membrán működésének elve [8] Ezzel az eljárással 100% tisztaságú oxigén is elérhető feltéve, hogy a berendezésbe nem tör be hamis levegő. Az oxigénáram intenzitását a membrán fal vastagságával, annak minél magasabb hőmérsékletével, és a két oldal közti nyomásgradiens növelésével lehet fokozni. Erre a legalkalmasabb anyagok a kerámia fémoxid kompozitok, melyek kibírják a magas 700 C-os hőmérsékletet is. A membrán felületén az oxigén ionizálódik az adszorberen, majd átkerül a másik oldalra, ahol leadja az elektronjait a szénnek. A permeátum (alacsony nyomású) oldalt tekintve két különböző típus létezik [6]: 3 végű üzemmód: a permeátum oldalon vákuum van jelen, mely elszállítja az oxigént a membránfelülettől, 4 végű üzemmód: öblítőgázzal távolítják el a membránról az oxigént, jellemzően a füstgázzal. Utóbbi esetében nem valószínű az erőművi alkalmazás elterjedése, ugyanis a füstgázt tisztítani kell a portól és más szennyező anyagoktól, mert a membrán felületét károsítja, így csökkentve annak oxigén átbocsátási képességét. Továbbá a füstgáz regenerálása során magas 1000 C-os hőmérséklet szükséges, mely szintén többletköltséget jelent. Elemzések szerint az erőművi alkalmazás szükségessége a membrán minimum 10 ml/(min m 2 ) oxigén áteresztés elérése. Jelenleg ez az érték 1-3 ml/(min m 2 ) között mozog. A jövőbeli fejlesztések bizalomra adnak okot, és elérhető lesz a 98 kwh/tonna O2 érték, de további csökkenésre lehet számítani. [6] 3.1.1.3. Chemical-looping eljárás A chemical-looping egy általános gyűjtőneve azon körfolyamatoknak, mikor az oxigént egy szilárd hordozóközegről választják le, majd a hordozó közeget regenerálják, mely így újra oxigénben dús lesz. Az egyes eljárások különbözőek a tekintetben, hogy tüzeléshez oxigént szabadítanak fel, vagy hidrogéntermelést valósítanak meg. Az oxigén termelést további négy 31

csoportba lehet osztani, ebből három égethető szilárd tüzelőanyag jelenlétében, ezeket együttesen CLC (chemical-looping combustion) eljárásoknak nevezik (a többi eljárással jelen dolgozat nem foglalkozik részletesen) [6]: Syngas-CLC: Szintézis gázt állítunk elő az szilárd tüzelőanyag (szén, biomassza) elgázosításával. ig-clc: Az elgázosítás a tűztérben történik, ahova CO2 és vízgőzt is vezetnek az elgázosításhoz, illetve ez szolgálhat fluidizáló közegként is. CLOU: Az oxigénközvetítő közeg a tűztérben redukálódik, ezzel a hagyományos tüzeléshez hasonlatos égés jön létre. A szilárd tüzelőanyagú CLC eljárásokra együttesen kimondható, hogy üzemeltetése körülményes. Figyelemmel kell lenni a tervezés során a megválasztott oxigénhordozó közeg fajtájára, és a tűztérben lezajlódó egyéb kémiai reakciókra. A közvetítéshez használt anyagok nikkel-bázisú, réz-bázisú, vas-alapú és egyéb fémoxidok lehetnek. Az egyes anyagok más-más sebességű kémiai reakciókat eredményeznek, továbbá a redoxi-reakció megismétlődésében is jelentős eltérés mutatkozik. A tűztérben eltöltött idő fontos az egyes reakciók egymásra hatása miatt, ami szintén közvetítő anyag függő. A CLOU eljárás során speciális közvetítő közegre van szükség, hogy levegő reaktorban újra oxidálható legyen. Adagolását úgy kell optimalizálni, hogy ne okozzon oxigén többletet a füstgázban, de ne is valósuljon meg tökéletlen égés. [6] Egyelőre egyik eljárás sem kiforrott annyira, hogy valós erőművi alkalmazhatóságról lehessen beszélni. 3.1.2. SZÉN-DIOXID LEVÁLASZTÁS A kazánban füstgázában található szén-dioxid aránya 95-98 v/v%. Leválasztása ennek okán igen kedvezően megvalósítható, azonban a kazán stabilitásának érdekében szükséges a füstgáz recirkuláltatása, mielőtt a CO2 leválasztás megtörténne. A recirkuláltatásra azért van szükség, mert az tiszta oxigénben való tüzelés következménye a nagy tűztérhőmérséklet (3000-3500 C), amit a jelenlegi szerkezeti anyagok nem bírnak felvenni. Az alacsonyabb tűztérhőmérséklet csökkenti a NOx képződés veszélyét is. Tiszta oxigén melletti tüzelés esetében csak kevés NOx keletkezik, mely a tüzelőanyagban kötött nitrogén mennyiségétől és a tüzelés módjától függ. A recirkuláltatás a SO2 képződésre nincs számottevő hatással. [6] 32