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CO2-freies KraftwerkProjekt Vattenfall
Vortrag zur Vorlesung Energiewirtschaft und Energiesysteme
Corrado Amicabile (EVT, 191507)
Struktur
Das CO2-freie Kraftwerk 1
CO2-freies KraftwerkStrukturVattenfallWarum CO2 einsparen?AuswahlkriterienCO2-freies KraftwerkDie IdeeDrei Techniken
Pre-CombustionPost-CombustionOxyfuel
Stand der Technikspez. Kosten
CO2-Transportspez. Kosten
CO2-Speicherungspez. Kosten
Schwarze PumpeZahlen & FaktenZweckZeitplan
Die KritikerDanke!Quellen & LinksKontakt
Vattenfall• Allgemein:
– fünftgrößter Energieversorger Europas
– größter Wärmeversorger Europas
– Aktivitäten in Schweden, Finnland, Deutschland und Polen
– Vattenfall operiert in allen Teilen der Elektrizitäts-Wertschöpfungskette: Erzeugung, Übertragung, Verteilung und Vertrieb (Strom und Wärme)
– rund 33.000 Beschäftigte.
– Muttergesellschaft Vattenfall AB ist zu hundert Prozent im Besitz des schwedischen Staates.
• Vattenfall in Deutschland:– ca. 17% des in Deutschland verbrauchten Stroms
– ca. 89% der Erzeugungskapazität entfallen auf Braunkohlekraftwerke
– Rest der Erzeugungskapazität Kern- und Wasserkraft
– ca. 3 Mio. direkte Stromkunden und 3,4 Mio. Netzkunden (hauptsächlich in Berlin und Hamburg)
Das CO2-freie Kraftwerk 2
CO2-freies KraftwerkStruktur
VattenfallWarum CO2 einsparen?AuswahlkriterienCO2-freies KraftwerkDie IdeeDrei Techniken
Pre-CombustionPost-CombustionOxyfuel
Stand der Technikspez. Kosten
CO2-Transportspez. Kosten
CO2-Speicherungspez. Kosten
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Hintergründe & Möglichkeiten
Abb. 1: Die Stromversorgung der WeltQuelle: Vattenfall: The Carbon Dioxide-free Power Plant (CD)
Das CO2-freie Kraftwerk 3
CO2-freies KraftwerkStruktur
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Pre-CombustionPost-CombustionOxyfuel
Stand der Technikspez. Kosten
CO2-Transportspez. Kosten
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Hintergründe der CO2-Einsparung
• Fakten & Aussichten
– Der Energiebedarf steigt!
– mittelfristig nicht durch erneuerbare Energien zu ersetzen
– Abhängigkeit von fossilen Energieträgern in Europa und der Welt• 64% des weltweit erzeugten Stroms aus Kohle, Öl und Gas
– Prognosen der International Energy Agency (IEA):• in den kommenden 20-30 Jahren werden regenerative
Energiequellen weniger als 15% des Weltverbrauchs decken• in der EU (EU-25) und der Welt (v.a. sog. Schwellenländer)
wird die Nutzung fossiler Brennstoffe weiter zunehmen• 50-60% der benötigten Wärme werden auch im Jahr 2030 auf
fossilen Brennstoffen basieren (Vgl. 55% in 2002)• in den nächsten 25 Jahren wird keine erneuerbare
Energiequelle eine signifikante Rolle spielen
→ CO2-Emissionen aus fossilen Energieträgern müssen reduziert werden!
Das CO2-freie Kraftwerk 4
CO2-freies KraftwerkStruktur
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Pre-CombustionPost-CombustionOxyfuel
Stand der Technikspez. Kosten
CO2-Transportspez. Kosten
CO2-Speicherungspez. Kosten
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Hintergründe der CO2-Einsparung
Abb. 2: IEA WEO 2004 – Referenzszenario: Nachfrage nach Strom- und Wärmeerzeugung in der Europäischen Union (EU-25).Quelle: Vattenfall: The Carbon Dioxide-free Power Plant (CD)
Das CO2-freie Kraftwerk 5
CO2-freies KraftwerkStruktur
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Pre-CombustionPost-CombustionOxyfuel
Stand der Technikspez. Kosten
CO2-Transportspez. Kosten
CO2-Speicherungspez. Kosten
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Strom- und Wärmeverbrauch in der EU bis 2030 (IEA)
Hintergründe der CO2-Einsparung
Das CO2-freie Kraftwerk 6
Braunkohle Steinkohle Erdgas
Kein
e CO
2-A
btr.
Oxyf
uel
IGCC
Post
-Com
b.
Oxyf
uel
IGCC
„Tex
aco“
Post
-Com
b.
IGCC
„She
ll“
kein
e CO
2-A
btr.
Post
-Com
b.
Ab wann lohnt es sich CO2-Abtrennung zu betreiben?
Abb. 3: geschätzte StromgestehungskostenQuelle: Vattenfall
CO2-freies KraftwerkStruktur
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Pre-CombustionPost-CombustionOxyfuel
Stand der Technikspez. Kosten
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Kein
e CO
2-A
btr.
StromgestehungskostenCO2-Preis 10€/tCO2-Preis 20€/tCO2-Preis 30€/t
Hintergründe der CO2-Einsparung
Das CO2-freie Kraftwerk 7
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Pre-CombustionPost-CombustionOxyfuel
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Preis €/t CO2
Ø-Future 2012: 23,53€
Ø 2005: 21,87€
5
10
15
20
25
30
35
04.10
.2005
13.10
.2005
20.10
.2005
27.10
.2005
03.11
.2005
10.11
.2005
17.11
.2005
24.11
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01.12
.2005
08.12
.2005
16.12
.2005
23.12
.2005
02.01
.2006
09.01
.2006
16.01
.2006
23.01
.2006
30.01
.2006
06.02
.2006
13.02
.2006
20.02
.2006
27.02
.2006
06.03
.2006
13.03
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20.03
.2006
27.03
.2006
03.04
.2006
10.04
.2006
19.04
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26.04
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04.05
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11.05
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18.05
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26.05
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02.06
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12.06
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19.06
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.2006
03.07
.2006
10.07
.2006jeweilige Handelsperiode
Ø-Future 2008: 23,53€
Zertifikat-Preis 2005
Future 2012Future 2008
CO2-Zertifiakt-Preis pro Tonne CO2
Abb. 4: Zertifikatehandel Quelle: Fachbereich Energy Systems – TU-Berlin
CO2-freies KraftwerkCO2-freies KraftwerkStruktur
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Pre-CombustionPost-CombustionOxyfuel
Stand der Technikspez. Kosten
CO2-Transportspez. Kosten
CO2-Speicherungspez. Kosten
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Die KritikerDanke!Quellen & LinksKontakt Abb. 5: Kraftwerk Schwarze Pumpe – eines der modernsten der Welt, aber nicht
CO2-frei (1600 MW)Quelle: Vattenfall
Das CO2-freie Kraftwerk 8
Die Idee: CO2-freies Kraftwerk
• Konzept: fossile Brennstoffe zur Stromerzeugung verwenden– Braunkohle– Steinkohle
• CO2-Abtrennung vor oder hinter dem Prozess und Oxyfuel– Post-Combustion capture (z.B. Absorption/DEA, MDEA und MEA,
Adsorption, Verflüssigung, Abtrennung mittels Membran)– Pre-Combustion capture (Dekarbonisierung in Kombikraftwerken
mit Kohlevergasung/IGCC, regenerativer Karbonat Prozess)– Oxyfuel-Verfahren
• Verflüssigung des CO2
• Speicherung in geeigneten Speichermedien bzw. weitere Verwendung
– Aquifere– Leere Öl- oder Gasfelder– Lösen des CO2 im Ozean
Das CO2-freie Kraftwerk 9
CO2-freies KraftwerkStruktur
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Pre-CombustionPost-CombustionOxyfuel
Stand der Technikspez. Kosten
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CO2-Abscheidungskonzepte
Das CO2-freie Kraftwerk 10
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Pre-CombustionPost-CombustionOxyfuel
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Post-Combustion
Pre-Combustion / IGCC
Oxyfuel
Abb. 6: Drei CO2-AbscheidungskonzepteQuelle: Vattenfall
Drei Techniken: Oxyfuel-Prozess
• Luftzerlegung vor der Verbrennung
• Verbrennen des jeweiligen Brennstoffs mit reinem Sauerstoff– 95 bis 99,7% O2-Anteil
• Rauchgasrezirkulation notwendig um zu hoher Verbrennungstemperatur entgegenzuwirken
– bis zu 80%→ hoher CO2-Partialdruck im Rauchgas
• Das Rauchgas enthält keinen Stickstoff
• Der Kohlendioxidgehalt beträgt im Rauchgas bis zu 75%– einfachere Abtrennung– andere Bestandteile: Wasserdampf und Störgase wie Sauerstoff
und Schwefeldioxid– größter Anteil davon Wasserdampf der durch Kondensation und
Adsorptionstrocknung abgeschieden wird
• CO2-Reinigung → Verflüssigung, Transport & Speicherung
Das CO2-freie Kraftwerk 11
CO2-freies KraftwerkStruktur
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Pre-CombustionPost-CombustionOxyfuel
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Prinzip des Oxyfuel-Prozesses
Animation 1: Der Oxfuel-ProzessesQuelle: Vattenfall
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Stand der Technik - Oxyfuel
Abb. 7: Stand der TechnikQuelle: BWK - Das Energie-Fachmagazin, Bd. 57 (2005) „Wege zum emissionsfreien Kohlekraftwerk“ – eigene Bearbeitung
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CO2-freies KraftwerkStruktur
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Pre-CombustionPost-CombustionOxyfuel
Stand der Technikspez. Kosten
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Anlagenkomponente Studien Labortests Pilotanlage Vorserie Marktreife
Luftzerlegung
O2-Vorwärmer
BK-Vortrocknung
DE inkl. Oxyfuel
Abgasrezirkulation
P-Abscheidung
SO2-Abscheidung
CO2-Reinigung
CO2-Trocknung
W-D-System
Spezifische Kosten
Stro
mge
steh
ungs
kost
en [€
/MW
he] Braunkohle Steinkohle Erdgas
Das CO2-freie Kraftwerk 14
Stromgestehungskosten für verschiedene Verfahren
Abb. 8: geschätzte StromgestehungskostenQuelle: Vattenfall
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Kein
e CO
2-A
btr.
Oxyf
uel
IGCC
Post
-Com
b.
Oxyf
uel
IGCC
„Tex
aco“
Post
-Com
b.
IGCC
„She
ll“
kein
e CO
2-A
btr.
Post
-Com
b.
Kein
e CO
2-A
btr.
ca. 13€/MWheMehrkosten
ca. 14€/MWheMehrkosten
Kostenverteilung
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Heute ca. 40€/t CO2
Ziel bis Markteinführung
Abb. 9: Kostenverteilung: Abscheidung, Transport und SpeicherungQuelle: Vattenfall
Transport
• CO2-Transport in semi-gekühlten Schiffen• Projektbeteiligung: Navion, SINTEF, Vigor und STATOIL• Das abgebildete Schiff hat eine Kapazität von 20000m3
Abb. 10: CO2-TankerQuelle: STATOIL
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Transport des CO2
• Konditionierung des CO2 für den Transport und die Speicherung
– möglichst hohe Reinheit des CO2 >95%• Möglichst geringer Gehalt an Fremdstoffen, SO2 wird toleriert
– vollständige Wasserabscheidung
– Verflüssigung des CO2 bei Umgebungsbedingungen (ca. T=30°C) bei ca. 110bar, direkt im Kraftwerk
– ein vollfunktionsfähiges CO2-Abscheidungs- und Speicherungssystem muss CO2 aus mehreren Kraftwerken entsorgen
– Untersuchung von sicheren und effizienten Transportmöglichkeitenfür große Mengen CO2
– Kombination aus Pipelines und Schiffen ist wahrscheinlich die kostengünstigste Alternative (Offshore)
• STATOIL konzipiert momentan detailliert CO2-Transportschiffe
– reines Pipeline-System für Onshore-Speicherung
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Spezifische Kosten des CO2- Transports
Das CO2-freie Kraftwerk 18
Kosten [€/t CO2]
LKW
Bahn
Pipeline
Schiff
1
5
25
1 10 100Kapazität[log Mt CO2/a]
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Abb. 11: KostenQuelle: Vattenfall, eigene Bearbeitung
Transport des CO2
Abb. 12: CO2-TransportszenariumQuelle: Vattenfall: The Carbon Dioxide-free Power Plant (CD)
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Speicherung
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Abb. 13: Sleipner FieldQuelle: STATOIL
Speicherung des CO2
Kos
ten
[€/t
CO
2]
Tiefe [m]
Gasfeld offshoreGasfeld onshoreAquifer onshoreAquifer offshore
Abb. 14: Spezifische CO2-SpeicherkostenQuelle: Vattenfall
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spez. Kosten steigen proportional zur
Speichertiefe
Speicherung des CO2
Animation 2: Die Post-CombustionQuelle: Vattenfall
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Schwarze Pumpe
Abb. 15: Das Pilotprojekt Schwarze PumpeQuelle: Vattenfall
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Pilotanlage Schwarze Pumpe
Das CO2-freie Kraftwerk Schwarze Pumpe
• Projekttyp: Pilotanlage• Planungsbeginn & Konstruktion: 2003• Baubeginn: 2006• Inbetriebnahme: wahrscheinlich Mitte 2008• Betriebsdauer: Mindestens 10 Jahre• Kosten: ca. 57 Mio. € (37 Mio. KW, ca. 20 Mio. €
Testprogramm)• Standort: Nähe 1600MW-Kraftwerk Schwarze Pumpe• Standort einer ehemaligen Pilotanlage
• Technologie: Oxyfuel• Brennstoff: getrockneter Braunkohlestaub• Leistung: 30MWth
• flüssiges CO2 am Ende des KW-Prozesses• CO2-Abscheidungsrate > 90%• Speicherung des CO2`s wenn Abtrennung
zufrieden stellend verläuft und die erforderlichenGenehmigungen erteilt sind
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Das CO2-freie Kraftwerk Schwarze Pumpe
Das CO2-freie Kraftwerk 25
• Zweck & erhoffte Erkenntnisse:→ Demonstration der Prozesskette
→ Interaktion der Komponenten
→ erreichbare CO2-Abscheidegrad
→ Validierung der Theorie und Scale-Up Kriterien
→ Untersuchung von Materialanforderungen →höhere Brennraumtemperaturen
→ Anlagenverfügbarkeit→z.B. Luftzerlegung im großtechnischen Maßstab (Air Liquide,
Frankreich)→ Langzeittests
→ Ermittlung der zu erwartenden Betriebs- und Wartungskosten
→ Optimierung des Wirkungsgrades
CO2-freies KraftwerkStruktur
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Das CO2-freie Kraftwerk Schwarze Pumpe
Abb. 16: Zeitplan für die technische EntwicklungQuelle: Vattenfall: Klimaschutz durch Innovation
Das CO2-freie Kraftwerk 26
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Die Kritiker und ihre Bedenken
• Greenpeace: Fünf Argumente gegen „CO2-freie Kraftwerke“
1. CO2-“freie“ Kraftwerke gibt es nicht– CO2 kann weder in Pre- oder Post-Combustion-Verfahren
vollständig abgeschieden werden– Restemissionen 60 – 150 gCO2/KWhe
(Braunkohle: ca. 900 gCO2/KWhe konventionell)
2. Die CO2-Technik greift zu spät, um dem Klima zu helfen– Erneuerung der Hälfte des Kraftwerksparks in den
nächsten 10 Jahren notwendig– Verfügbarkeit CO2-freies KW in frühestens 15-20 Jahren→ keinerlei Beitrag zum Klimaschutz bis 2020 (40%
Reduktion)→ irrelevant für nationales und Kyoto-Klimaschutzziel→ für langfristiges Ziel Einsatz fraglich (bis 2050: 80%
Verringerung)
Das CO2-freie Kraftwerk 27
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Die Kritiker und ihre Bedenken
Das CO2-freie Kraftwerk 28
• Greenpeace: Fünf Argumente gegen „CO2-freie Kraftwerke“
3. Keine ausreichenden CO2-Speicher in Deutschland- ohne Nutzung von Aquiferen (16 Mrd. t CO2): Zu hohe
Risiken für die Umwelt→ Speicherkapazität für 5 Jahre- inkl. Risikoreichen Aquiferen (16 Mrd. t CO2)→ 23 Jahre
4. Die Lagerung von CO2 im Untergrund ist nicht ungefährlich- mögliche Leckagen- tödliche Risiken bei plötzlichem CO2-Austritt- Bsp.: Kratersee Lake Nyos, Kamerun, Afrika, 1986
mehr als 1700 Tote durch plötzlichen CO2-Austritt
5. CO2-Abscheidung lässt den Strompreis steigen- damit regenerative Energien schon heute
konkurrenzfähig
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Ende
Abb. 17: Spatenstich CO2-Freies Kraftwerk Pilotprojekt schwarze Pumpev.l.n.r. Vattenfall-Vorstandschef Lars G. Josefsson (l.) Bundeskanzlerin Angela Merkel, Brandenburgs Ministerpräsident Matthias Platzeck und Vattenfall-Europe-Chef Klaus Rauscher
Quelle: dpa, eigene Bearbeitung
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Das CO2-freie Kraftwerk 29
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Quellenverzeichnis
• Literatur:– BWK - Das Energie-Fachmagazin, Bd. 57 (2005)
„Wege zum emissionsfreien Kohlekraftwerk“– Vattenfall – CD-Rom (2006)
„Das Projekt „CO2-freies Kraftwerk“ im Überblick– Vattenfall (März 2006), Lars Strömberg, „ENCAP Integrated Project“– Vattenfall (2006), „Oxyfuel Technology for CO2 Capture from Advanced Supercritical
Pulverised Fuel Power Plants“– Vattenfall (2006), „Klimaschutz durch Innovation“– Vattenfall (1/2006), „Curbing Climate Change“– Vattenfall (2006), „Vattenfall`s 30MWth Oxyfuel Pilot Plant Projekt“– Vattenfall (2006), „Oxyfuel Technology for CO2 Capture from Advanced Supercritical
Pulverised Fuel Power Plants“– Vattenfall (2006), „Using a Strategic Environmental Assessment Approach for Assessing– Environmental Impacts of CO2 Capture, Transport and Storage Alternatives“– Federal Ministry of Economics and Labour, (2006), „COORETEC – CO2-Reduction
Technologies – Research and Development Concept for Zero-Emission Fossil-FuelledPower Plants – Summary“
– Institut für Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen, Universität Stuttgart (Nov. 2005), „Wege zum CO2-freien Kohlekraftwerk“
– Institut für Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen, Universität Stuttgart (2005), „Oxyfuel – Gutes Klima durch geänderte Prozessführung bei der Verbrennung“
– Frank Sanders (Universität Paderborn) (9/2005), „Integration of a pressurised entrainedflow gasifier into a GateCycle model for IGCC process with CO2 capture“
– European Commision (2004), „European CO2 capture and storage projects“– CO2ncept (Feb. 2005), „Leitfaden Zertifikatehandel“– Greenpeace (2004), „Fünf Argumente gegen „CO2-freie Kohle-Kraftwerke“ “– Greenpeace (2004), „Kohlendioxid in den Untergrund?“
Das CO2-freie Kraftwerk 30
CO2-freies KraftwerkStruktur
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Pre-CombustionPost-CombustionOxyfuel
Stand der Technikspez. Kosten
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Quellenverzeichnis
• Internet:– www.vattenfall.com/next100years– www.vattenfall.com/co2free– www.vattenfall.de/co2frei– www.adecos.de/oxybasics.html– www.eex.de/– www.co2-handel.de– www.encapCO2.org– www.statoil.com/INF/SVG03595.NSF?opendatabase&lang=en
&artid=F32B3FBF4427C4DFC125713D005A4DE6– www.kwt.tu-cottbus.de/pages/projekte/oxyfuel-05.html– www.kwt.tu-cottbus.de/pages/projekte/oxyfuel-0506.html– http://www.entek.chalmers.se/~anly/symp/sympco2.html– http://www.entek.chalmers.se/forskning/nordleden_e.html– http://www.ivd.uni-stuttgart.de/deutsch/ivd_www_fh.html
Das CO2-freie Kraftwerk 31
CO2-freies KraftwerkStruktur
VattenfallWarum CO2 einsparen?AuswahlkriterienCO2-freies KraftwerkDie IdeeDrei Techniken
Pre-CombustionPost-CombustionOxyfuel
Stand der Technikspez. Kosten
CO2-Transportspez. Kosten
CO2-Speicherungspez. Kosten
Schwarze PumpeZahlen & FaktenZweckZeitplan
Die KritikerDanke!Quellen & LinksKontakt
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Das CO2-freie Kraftwerk 32
CO2-freies KraftwerkStruktur
VattenfallWarum CO2 einsparen?AuswahlkriterienCO2-freies KraftwerkDie IdeeDrei Techniken
Pre-CombustionPost-CombustionOxyfuel
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Rückfragen & Anregungen:
Fragen und Anregungen zu diesem Vortrag an:Corrado Amicabile – Student der Energie- und VerfahrenstechnikTU-Berlincorrado@lilit.net
Ihr Kontakt für Informationen, Fragen und Anregungen zum Thema „CO2-freies Kraftwerk“ bei Vattenfall:
www.vattenfall.de/CO2frei
Moritz KöpckeVattenfall Utveckling AB
SE - 16287 StockholmPhone +46 (0)8 699 85 01moritz.kopcke@vattenfall.com
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