wasserstoffeinsatz in der zementindustrie - bilanzierung€¦ · 324 nm³ / 0,029 t h 2 1 t klinker...
TRANSCRIPT
An-Institut der
An-Institut der
Wasserstoffeinsatz in der Zementindustrie
- Bilanzierung
S. Meschede, M. Vogt, S. Haep
Vereinfachte Bilanzierung
Meschede, Vogt, Haep28.02.2020 2
3500 MJ/t Klinker
Drehrohrofen
Kalzinator
Zyklonvorwärmer
Trocknung
1 t Klinker324 Nm³ / 0,029 t H2
Heizwert H2 (0° C / 1 bar):
10,8 MJ/Nm³ bzw. 120 MJ/kg
Elektrolyse
H2O H2 + ½ O2
609 Nm³ / 752 t N2
272 Nm³ / 0,53 t CO2
0,336 t H2O
771 Nm³ / 0,983 t Luft
(ʎ = 1)
1,52 t Rohmaterial
5% Feuchte162 Nm³ / 0,228 t O2
0,26 t H2O 1,62 MWhel
Temperaturverläufe
Meschede, Vogt, Haep28.02.2020 3
Umweltbundesamt
Merkblatt über die besten
verfügbare Techniken in der
Zement-, Kalk- und
Magnesiumoxidindustrie, 2010
Meschede, Vogt, Haep28.02.2020 4
Wasserstoffverbrennung - Annahmen
Wasserstoffverbrennung - Annahmen
Meschede, Vogt, Haep28.02.2020 5
Wärmebedarf gesamt:
3500 MJ/tKlinker bzw.
324 Nm³/tKlinker
D = 4 m
L = 60 m
ሶ𝑚 = 1500 tKlinker/Tag
T = 300 °C
0,53 tCO2, Rohstoff/tKlinker
(0,31 tCO2, Brennstoff/tKlinker)
TGas,max = 2000 °C
H2, Aufteilung:
60% / 40 %
T = 25 °C
Quelle Rohstoff-CO2
Kalzinator: 90%
Drehrohrofen: 10%
TGas,max = 1100 °C
Luftzahl: 1,1
Staub
vernachlässigt
Keine Falschluft
Aspen Plus® - Simulation
Meschede, Vogt, Haep28.02.2020 6
3500 MJ/tKlinker bzw.
324 Nm³/tKlinker
CALCBURN
KILNHEAT
SPLIT3
HEATER
SPLIT1
SPLIT2
KILNBURN
CALCHEAT PREHEAT
T1-MEAN
T2-MEAN
CONDENSE
MIXER
H2
OXIDANT1100
1100KILN-OUT
35
EXHAUST
35
RE-GRATE
850
AIR-IN
35
CO2
FRAC0,1
FRAC0,9
25
H2-IN
300
25H2-CALC
25
H2-KILN
850
AIR-CALC
850AIR-KILN
2000
900
1550
100035WATER
1200
CLINKIN
100
CLINKOUT
GRATE-IN
35
RE-KILN
35
RE-CALC
GRATE
Rezirkulation für max.
2000 °C im Drehrohrofen
Rezirkulation für max.
1100 °C im Kalzinator
Wärmerückgewinnung
Bei einem Wasserstoffbedarf von 324 Nm³/tKlinker wäre eine Elektrolyseleistung von ca. 100 MW erforderlich
(≈ 5 kWh/Nm³)
Die erforderliche Strommenge für die Elektrolyse beträgt dann ca. 888 GWh/a
Das entspricht in etwa der jährlich erzeugten elektrischen Energie von 150 Windkraftanlagen (Onshore, 3 MW / 2000
Volllaststunden)
Adiabate Verbrennungstemperatur
Meschede, Vogt, Haep28.02.2020 7
2700
2800
2900
3000
3100
3200
3300
3400
3500
3600
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Tem
pera
tur
/ °C
Sauerstoffanteil im Oxidationsmittel / -
Annahmen:
Tein = 1000 °C
Luftzahl = 1
Rohgaszusammensetzung
Meschede, Vogt, Haep28.02.2020 8
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Mola
nte
il im
Abga
s / -
Sauerstoffanteil im Oxidationsmittel / -
CO2 H2O
N2 O2
NOx / CO Emissionen
Meschede, Vogt, Haep28.02.2020 9
0
100
200
300
400
500
600
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Abga
skonzentr
atio
n /
mg N
m-3
Sauerstoffanteil im Oxidationsmittel / -
NOx CO
Abgasrezirkulation
Meschede, Vogt, Haep28.02.2020 10
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Rezir
kula
tionsverh
ältn
is / -
Sauerstoffanteil im Oxidationsmittel / -
Drehrohrofen
Rostkühler
Kalzinator
Gasströmung im Drehrohrofen
Meschede, Vogt, Haep28.02.2020 11
10
11
12
13
14
15
16
17
40
45
50
55
60
65
70
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Verw
eilz
eit / s
Volu
menstr
om
/ N
m³
s-1
Sauerstoffanteil im Oxidationsmittel / -
An-Institut der
An-Institut der
CO2 – Nutzung und Integration erneuerbarer
Energien in der Kalkindustrie
S. Meschede, M. Vogt, S. Haep
Ausgangssituation: CO2-Emissionen (UBA)
Meschede, Vogt, Haep28.02.2020 13
94,0%
5,7%
0,3%
Sektoren: 1053 Mio. t
Energiebedingt Industrie
Landwirtschaft
1990
41,8%
13,5%
39,2%
5,5%
Industrie: 60 Mio. t
Metallindustrie Chemieindustrie
Mineralindustrie Nicht-energetischeBrennstoffprodukte
65,0%25,5%
3,3%
6,2%
Mineralisch: 24 Mio. t
Zement Kalk
Glas Andere
(6 Mio. t)
2016
38,1%
12,5%
43,7%
5,7%
Industrie: 45 Mio. t
Metallindustrie Chemieindustrie
Mineralindustrie Nicht-energetischeBrennstoffprodukte
94,1%
5,6%
0,3%
Sektoren: 802 Mio. t
Energiebedingt Industrie
Landwirtschaft
64,6%25,2%
4,7%
5,6%
Mineralisch: 20 Mio. t
Zement Kalk
Glas Andere
(5 Mio. t)
Kalk - Verarbeitung
Meschede, Vogt, Haep28.02.2020 14
1) Rohmaterial (CaCO3) 2) Aufbereitung 3) Kalzinierung (Entsäuerung)
• CaCO3 → CaO + CO2
• T = 900 – 1200 °C
• ∆H0 = 178 kJ molCaO-1
• Brechen
• Waschen
• Sieben
• Klassieren
Luft
Erdgas
AbgasCaCO3
CaO
„Branntkalk“
Schachtofen
25-180 mm
CaCO3
+ KohleAbgas
Luft
CaO
„Branntkalk“
Erdgas
CO2
CO2
5) Kalklöschen
• CaO + H2O → Ca(OH)2
• ∆H0 = -64 kJ molCa(OH)2
-1
• „Löschkalk“
Schotter
25 %
SplitSand
Verwendung
Mörtel
Lauge
4) Feinkalk• Mahlwerk
25 %
Stahl
Soda
Kosmetik
Abwasser
Gips
Chemie…
Bewertungskonzept
Meschede, Vogt, Haep28.02.2020 15
Methodenentwicklung zur Bewertung von CO2-Minderungspotenzialen in
der Kalkindustrie (Energieträger gebundenes CO2 + Mineralisches CO2)
Ziel: Szenarienentwicklung und -bewertung
Technologie S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S…
NT-Elektrolyse X X X …
HT-Elektrolyse X X X …
Co-Elektrolyse X X …
E-Heizung X …
Methanisierung X X X …
Chemische Konversionspfade X X …
Biologische Konversionspfade X …
… … … … … … … … … … …
Brennstoff CO2 X X X X X X X X X …
Mineralisches CO2 X X X X X X …
Szenario
Kalkbrennen – CO2-Kreislauf: NT-Elektrolyse
Meschede, Vogt, Haep28.02.2020 16
Kalk
Brennen
CO2 ↑
NT-Elektrolyse
H2O(l) H2 + ½ O2
Ent-
staubung
Trennung
von NOX
CO2-
TrennungKoks
Erdgas
900-1200 °C
Luft
CaCO3
Abgas
CaO
N2/NOx/CO2/
H2O/Staub
Staub NOx CO2
Methanisierung
4 H2 + CO2 CH4 + 2 H2O
Strom
H2OH2
Brennstoff CO2
CO2/O2
CH4
O2
N2/H2O
Abgasrückführung (Optional)
T↑
Kühler (Optional)
(Luft)
CO2+
Mineralisches CO2
170 °C
Kalkbrennen – CO2-Kreislauf: NT-Elektrolyse
Meschede, Vogt, Haep28.02.2020 17
Kalk
Brennen
CO2 ↑
NT-Elektrolyse
H2O(l) H2 + ½ O2
Ent-
staubung
Trennung
von NOX
CO2-
Trennung
900-1200 °CCO2+CaCO3
Abgas
CaO
CO2/H2O/
Staub
Staub NOx CO2
Methanisierung
4 H2 + CO2 CH4 + 2 H2O
Strom
H2OH2
Brennstoff CO2
CO2/O2
CH4
O2
N2/H2O
Mineralisches CO2
Abgasrückführung (Optional)Kühler (Optional)
170 °C
Kalkbrennen – CO2-Kreislauf: NT-Elektrolyse
Meschede, Vogt, Haep28.02.2020 18
Kalk
Brennen
CO2 ↑
NT-Elektrolyse
H2O(l) H2 + ½ O2
Ent-
staubung
900-1200 °CCO2+CaCO3
Abgas
CaO StaubCO2
Methanisierung
4 H2 + CO2 CH4 + 2 H2O
Strom
H2OH2
Brennstoff CO2
CH4
H2O
Abgasrückführung (Optional)Kühler (Optional)
Kondensation
O2
CO2/O2
Mineralisches CO2
CO2/H2O/
Staub
170 °C
Kalkbrennen – CO2-Kreislauf: HT-Elektrolyse
Meschede, Vogt, Haep28.02.2020 19
Kalk
Brennen
CO2 ↑
HT-Elektrolyse
H2O(g) H2 + ½ O2
Ent-
staubung
900-1200 °CCO2+CaCO3
Abgas
CaO Staub CO2
Strom
H2O(g)H2
Brennstoff CO2
CH4
Abgasrückführung (Optional)Kühler (Optional)
H2O(l)
Purge
O2
CO2/O2
Wärmeintegration
Mineralisches CO2
Kondensation
H2O
Methanisierung
4 H2 + CO2 CH4 + 2 H2O
CO2/H2O/
Staub
170 °C
Kalkbrennen – CO2-Kreislauf: Co-Elektrolyse
Meschede, Vogt, Haep28.02.2020 20
Kalk
Brennen
CO2 ↑
Co-Elektrolyse
CO2 CO + ½ O2
H2O(g) H2 + ½ O2
Ent-
staubung
900-1200 °CCO2+CaCO3
Abgas
CaO Staub
Brennstoff CO2
CH4
CO2/H2O
Abgasrückführung (Optional)Kühler (Optional)
CO2/H2O/O2
H2O/CO2/O2
WärmeintegrationMethanisierung
4 H2 + CO2 CH4 + 2 H2O
3 H2 + CO CH4 + H2O
Mineralisches CO2
Purge
Strom
CO2/H2O/CO/H2
CO2/H2O/
Staub
H2O(g) H2O(l)
170 °C
Kalkbrennen – H2-Kreislauf: HT-Elektrolyse
Meschede, Vogt, Haep28.02.2020 21
Kalk
Brennen
CO2 ↑
HT-Elektrolyse
H2O(g) H2 + ½ O2
Ent-
staubung
900-1200 °CCO2+CaCO3
Abgas
CaO Staub
CO2/H2O
Strom
H2O(g)H2
Abgasrückführung (Optional)Kühler (Optional)
H2O(l)
Purge
O2
CO2/H2O/O2
Wärmeintegration
CO2/H2O/
Staub
170 °C
CO2/H2O/H2
StromDampfturbine?Wärme
Was passiert mit mineralischem CO2?
Meschede, Vogt, Haep28.02.2020 22
ElektrolyseH2O
CO2 Synthese
H2
CH4
CH3OH
CH2O
C2H4
C3H6
CxH2x+2
H3C-O-CH3
H3C-O-(CH2O)n-CH3
HCOOH
HOOCOOH
C2H5OH
H2NC=CNH2
…
Strom
AbbindenCa(OH)2 PCC (CaCO3)
„Precipitated Calcium
Carbonate“
Szenarienbewertung
Meschede, Vogt, Haep28.02.2020 23
Kennzahlen S1 S2 S3 S... SX
Strombedarf kWh/tCaO ? ? ? ? ?
Wärmebedarf kWh/tCaO ? ? ? ? ?
Einsparung Brennstoff kWh/tCaO ? ? ? ? ?
Elektrolyse Speisewasser m³/tCaO ? ? ? ? ?
Elektrolyse Wirkungsgrad - ? ? ? ? ?
Einsparung Zertifikate €/tCaO ? ? ? ? ?
CAPEX € ? ? ? ? ?
OPEX €/tCaO ? ? ? ? ?
Strompreis(entwicklung) Ct/kWhel ? ? ? ? ?
… … ? ? ? ? ?
… … ? ? ? ? ?
Szenario
Szenarienbewertung
Meschede, Vogt, Haep28.02.2020 24
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Grad und Flexibilität derBrennstoffsubistitution
CO2-Einsparung
ProzesskomplexitätProduktqualität
Wirtschaftliches Risiko
Szenario 1
Szenario 2
Szenario 3
Szenario X
Meschede, Vogt, Haep28.02.2020 25
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!