Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Abscheidung von Kohlendioxid nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und auf eine Vorrichtung zur Abscheidung von Kohlendioxid nach dem Oberbegriff von Anspruch 3 sowie eine Vorrichtung zur Kondensation von CO ₂ in Gasgemischen mit einem Druck zwischen 6 und 15 bar nach dem Oberbegriff von Anspruch 5.

Die Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung dient der Entlastung der Atmosphäre von klimaschädigenden CO ₂ -Emissionen aus Abgasen, indem das CO ₂ durch Kondensation aus den Abgasen entfernt und das abgeschiedene CO ₂ entweder nachfolgend unterirdisch eingelagert wird (CCS-Verfahren - Carbon Capture and Storage) oder einer anderweitigen Verwendung wie z. B. der Nutzung für CO ₂ - basierte Kunststoffe zugeführt wird. Das Verfahren der Turbo-Abgas-CO ₂ - Abscheidung gehört zu den physikalischen Verfahren zur Abscheidung von CO ₂ aus Abgasen.

Ein 400MW GuD-Kraftwerk (Gas und Dampf-Kombikraftwerk) emittiert ca. 1,2 Mio. t CO ₂ pro Jahr (ein gleichwertiges Kohlekraftwerk emittiert 3,3 Mio. t CO ₂ pro Jahr). Im Mittel kann eine Waldfläche von 1 ha Größe ca. 4 t CO ₂ pro Jahr absorbieren. Allein dieses eine 400MW-GuD-Kraftwerk würde also eine Fläche von 300.000 ha Wald zur Kompensation des emittierten CO2S benötigen. Ganz Deutschland hat eine Waldfläche von 1,2 Mio. ha, die nur zur CO ₂ -Kompensation von 4 dieser Kraftwerke ausreichen würde. Der Gesamtenergieverbrauch pro Jahr lag 2017 in Deutschland bei 2.591 TWh wovon 37,8% aus regenerativer Energieproduktion stammt. Für die restlichen 1.600 TWh würde man 457 400MW-Kraftwerke zur Strom Produktion benötigen. Diese würden 550 (GuD) - 1.500 (Kohle) Mio. t CO ₂ pro Jahr emittieren und das allein in Deutschland, auf das lediglich 2,4% des Weltenergieverbrauchs entfällt. Die Stromerzeugung mit regenerativen Energiequellen ist in Deutschland von 36% in 2017 auf 37,8% in 2018 gestiegen. Auf die Energieproduktion mit fossilen Brennstoffen kann daher mittel- bis langfristig nicht verzichtet werden. Um eine Klimakatastrophe wirklich abzumildern bzw. zu verhindern gibt es also keine Alternative zur Abscheidung und unterirdischer Lagerung des CO ₂ aus Verbrennungsgasen. Diese Abscheidung muss mit einem Minimum an eingesetzter Energie erfolgen. Dies ist mit der hier zum Patent eingereichten Turbo-Abgas-CO ₂ - Abscheidung gegeben, die abhängig von der Art des Abgases 50-70 % weniger Energie als die bisher untersuchten CCS-Verfahren verbraucht.

Verwendung findet die Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung in allen Prozessen, bei denen Abgas anfällt, wie z. B.

• bei der Abtrennung des CO ₂ in den Abgasen von Biomasse-Kraftwerken,

• der Abtrennung des CO ₂ in den Abgasen von GuD-Kraftwerken,

• der Abtrennung des CO ₂ in den Abgasen von Kohlekraftwerken,

• der Abtrennung des CO ₂ in den Abgasen von Heizkesseln,

• der Abtrennung des CO ₂ in den Abgasen von Verbrennungsmotoren,

• der Abtrennung des CO ₂ in den Abgasen von Gasturbinen und

• der Abtrennung des CO ₂ in den Abgasen von Industriebrennern.

Einen aktuellen Überblick über den Stand der Forschung und Entwicklung zur Abscheidung und Speicherung von CO ₂ aus Abgasen gibt der Technologiebericht 2.3 CO ₂ -Abscheidung und Speicherung - CCS“ des Forschungszentrums Jülich vom 17. Dezember 2017. Für die CO ₂ Abscheidung aus Abgasen nach der Verbrennung (Post-Combustion Verfahren) sind gemäß dieser Untersuchung ausschließlich chemische Absorptionsverfahren in der Forschung und Entwicklung sowie in einem sehr frühen Forschungsstadium membranbasierte Verfahren (S. 9 des Berichts).

Hauptprobleme bei der chemischen Absorption sind die Zersetzung der Lösungsmittel in Anwesenheit von Sauerstoff und anderen Fremdstoffen (z. B. Staub), hohe Raten der Lösungsmitteldegradierung durch Reaktionen mit Schwefeldioxid oder Stickoxid und der hohe Energieverbrauch bei der notwendigen Regenerierung des Lösungsmittels (S. 17 des Berichts).

Physikalische Verfahren gelten bislang im Gegensatz zu den bisher eingesetzten Verfahren zur CO ₂ -Abscheidung und Speicherung als unwirtschaftlich, da bei den bisher in Erwägung gezogenen physikalischen Verfahren zur kryogenen CO ₂ - Abscheidung bedingt durch hohe Kondensationsdrücke und niedrige Konden- sationstemperaturen zu viel Energie für die eingesetzten Kältemaschinen und Verdichter benötigt würde. Bei dieser Betrachtung wurden jedoch Energierück- gewinnungsmöglichkeiten und die Einlagerung des CO ₂ vernachlässigt.

Zur unterirdischen Speicherung kommen aus Sicherheitsaspekten nur Speicher mit einer Mindesttiefe von 800 m in Frage. Um in einer solchen Tiefe eine Einlagerung vornehmen zu können muss sich das CO ₂ aufgrund des dort herrschenden Drucks und zur maximalen Ausnutzung des vorhandenen Lagervolumens im superkritischen Aggregatzustand befinden. Hierzu ist ein Mindestdruck von 74 bar bei 31 °C notwendig. Da jedoch alle bisher eingesetzten CCS-Abscheideverfahren CO ₂ bei Normaldruck abscheiden, muss es vor der Einlagerung auf 74 bar komprimiert werden. Hierzu wäre z.B. für das in einem 400MW GuD-Kraftwerk anfallende CO ₂ eine mindestens zweistufige Gas-Turboverdichter Kaskade notwendig, die einen Energieverbrauch von mindestens 16MW hätte. Damit wird bei allen bisher untersuchten CCS-Verfahren allein für die Aufbereitung des CO ₂ zur Einlagerung fast so viel Energie verbraucht wie beim kompletten, hier zum Patent eingereichten „Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidungsverfahren“.

Darüber hinaus entstehen für die notwendigen Turbo Verdichter Anlagekosten, die ca. 50% der Kosten einer „Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung“-Anlage betragen.

Aufgabe der Erfindung der Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung ist es demnach, ein Verfahren zur vollständigen, sortenreinen Abscheidung von CO ₂ aus Abgasen zu entwickeln, das als physikalisches Verfahren ohne Lösungsmittel und die damit verbundenen Probleme betrieben werden kann und das zusätzlich einen deutlich geringen Energieaufwand für das Abscheiden und Aufbereiten zur Lagerung des CO ₂ erfordert als die bislang in der Erprobung befindlichen CCS-Verfahren.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Abscheidung von Kohlendioxid mit den Verfahrensschritten des Anspruchs 1.

Weitere vorteilhafte Verfahrensschritte, welche das Verfahren nach Anspruch 1 optimieren ergeben sich aus dem Unteranspruch 2.

Aufgabe der Erfindung ist auch, eine Vorrichtung zur Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung von flüssigem CO2 ₂ bei Kondensationsdruck aus von Partikeln gereinigtem Abgas verfügbar zu machen, die geeignet ist, CO ₂ vollständig sortenrein aus Abgasen ohne Lösungsmittel und mit geringem Energieaufwand abzuscheiden

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Turbo-Abgas-CO ₂ - Abscheidung von flüssigem CO ₂ bei Kondensationsdruck aus von Partikeln gereinigtem Abgas nach Anspruch 3.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung zur Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung ergibt sich aus dem Unteranspruch 4.

Aufgabe der Erfindung ist ferner, eine Vorrichtung zur Kondensation von CO ₂ in Gasgemischen mit einem Druck zwischen 6 und 15 bar bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Kondensation von CO ₂ in Gasgemischen mit einem Druck zwischen 6 und 15 bar mit den Merkmalen des Anspruchs 5.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung zur Kondensation von CO ₂ in Gasgemischen mit einem Druck zwischen 6 und 15 bar werden anhand der Unteransprüche 6 bis 8 benannt.

Die nachfolgenden Figuren dienen der Veranschaulichung von Ausführungsformen der Erfindung. Die einzelnen Figuren zeigen:

Figur 1 Verfahren der Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung mit CO ₂ -Entnahme in flüssiger Form;

Figur 2 Verfahren der Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung mit CO ₂ -Entnahme bei überkritischem Druck;

Figur 3 Schema Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung mit CO ₂ -Entnahme in flüssiger Form;

Figur 4 Schema Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung mit überkritischem Druck- Entnahme zur unterirdischen Einlagerung; Figur 5 Verfahren der Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung mit überkritischem Druck Entnahme zur unterirdischen Einlagerung mit 2-stufiger Abgasverdichtung;

Figur 6 Energieflussdiagramm Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung mit Hochdruck- CO ₂ -Entnahme und 2-stufiger Abgasverdichtung;

Figur 7 Schema der CO ₂ -Kondensation nach einer Ausführungsform mit direkter Kühlung und einstufiger Entspannungsturbine;

Figur 8 Schema der CO ₂ -Kondensation nach einer weiteren Ausführungsform mit direkter Kühlung und mehrstufiger Entspannungsturbine;

Figur 9 Schema des CO ₂ -Kondensation nach einer weiteren Ausführungsform mit indirekter Kühlung.

Das Verfahren der Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung nutzt bei der Abscheidung von CO ₂ aus Abgas, das von Partikeln gereinigt ist, die folgenden Verfahrensschritte:

• Abgaskühlung auf Umgebungstemperatur

• Abgasverdichtung auf den CO ₂ -Verflüssigungsdruck mit Rückkühlung auf Umgebungstemperatur

• Abgaskühlung auf die CO ₂ -Kondensationstemperatur

• Gaszerlegung durch CO ₂ -Kondensation und -Abscheidung

• Arbeit leistende Entspannung von zerlegten Gasen

• Aufbereitung des CO ₂ für die nachfolgende Lagerung bzw. Verwendung.

Die Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung ist dadurch gekennzeichnet, dass für die Verdichtung und Kühlung der Abgase Turbomaschinen und Wärmetauscher eingesetzt werden. Der Energiebedarf wird dadurch begrenzt, dass die für die Verdichtung des Abgases zunächst aufgewendete Energie in späteren Verfahrensschritten durch Expansion der zerlegten Gase in Gasturbinen in Teilen wieder zurückgewonnen wird und gleichzeitig durch die Expansion der zerlegten Gase die im Verfahren benötigte Kälte erzeugt wird. Es geht hierbei zwar zwischen Verdichtung und Entspannung Energie durch die inneren Verluste in den Turboverdichtern und Gasturbinen verloren, jedoch lassen sich diese Verluste dadurch begrenzen, dass bei hochwertigen modernen Gasturbinen und Turboverdichtern isentrope Wirkungsgrade von besser als 90% Stand der Technik sind.

Aus der zentralen Bedeutung der Turbomaschinen beim Abscheiden des CO ₂ und zur Unterscheidung von den chemischen CO ₂ -Abscheideverfahren wurde die Bezeichnung „Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung“ für das Verfahren entwickelt.

Die Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung hat 2 Verfahrensvarianten, bei denen das CO ₂ in jeweils einem anderen physikalischen Zustand des aus dem Verfahren ent- nommenen wird:

• Verfahrensvariante 1: Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung mit CO ₂ -Entnahme flüssig bei Kondensationsdruck,

• Verfahrensvariante 2: Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung mit CO ₂ -Entnahme bei überkritischem Druck zur unterirdischen Lagerung.

Das größte Anwendungspotential liegt bei der Verfahrensvariante 2, da mit dieser Verfahrensvariante das CO ₂ aus Kraftwerksprozessen in energieeffizientester Weise aufbereitet wird um die entstehenden riesigen CO ₂ -Mengen unterirdisch einzulagern und klimaschädigenden CO ₂ -Kraftwerksemissionen in die Atmosphäre zukünftig ganz zu vermeiden.

Kraftwerke, betrieben mit fossilen Brennstoffen würden dadurch klimaneutral, Biomasse-Kraftwerke würden klimapositiv, da die Biomasse wird während ihres Wachstums der Atmosphäre CO ₂ entzieht.

Der Prozess der Klimaerwärmung durch atmosphärisches-CO ₂ wird umgekehrt!

Beschreibung Variante 1 (Figur 1 und 3)

Die Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung mit Entnahme des CO ₂ in flüssiger Form gliedert sich in folgende Verfahrensschritte:

1. Vorstufe Abgasreinigung

Das zu behandelnde Abgas 10 muss vor der Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung von Partikeln, wie Staub, Flugasche und Rußpartikeln gereinigt werden. Die Partikelbelastung des Abgases 10 ist sehr stark abhängig vom vorgelagerten Verbrennungsprozess.

In Abhängigkeit von der Art und Intensität der Partikelbelastung kommen in der Abgasreinigungsstufe 20 unterschiedliche Filter- und Abscheidetechniken zum Einsatz, wie z. B. Elektrofilter, Fliehkraftabscheider, Gewebefilter oder Wäscher.

Entsprechend der Anforderungen der Fiersteller von Turbomaschinen kann eine sehr gründliche Entfernung der Partikel aus dem Abgas erforderlich sein. Es gibt für die Abgase aus allen Verbrennungsprozessen geeignete Techniken für die Reinigung als vorgelagerte Stufe zur Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung. Dies ist jedoch nicht Teil des Verfahrens, daher ist eine vertiefte Beschreibung der Abgasreinigung hier nicht erforderlich. Verfahrensschritt A

Im Verfahrensschritt A wird das von Partikeln gereinigte Abgas 10a in dem Abgaskühler a 21a gekühlt. Dabei kondensiert ein großer Teil des im Abgas enthaltenen Wasserdampfs und wird als Kondensat 14a abgeschieden.

Die Temperatur, mit der das Abgas in die Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung eintritt, weist in Abhängigkeit des vorgelagerten Verbrennungsprozesses ein breites Temperaturspektrum auf (z. B. 50 °C bei einem Motor-BFIKW und mehreren hundert °C hinter einer einstufigen Gasturbine), so dass die Wärmemenge, die im Verfahrensschritt a abgeführt werden muss, sehr unterschiedlich ist.

Die Abkühlung im Abgaskühler a 21a erfolgt mit Kühlwasser und ist begrenzt durch die Temperatur des zur Verfügung stehenden Kühlwassers 16, das in der Regel mittels eines Kühlturms 21 gewonnen werden muss. Bei manchen Standorten kann auch Kühlwasser aus dem Meer oder aus Flüssen zur Verfügung stehen. Mit dieser Abgaskühlung lässt sich in Abhängigkeit von Standort und Jahreszeit eine Abkühlung des Abgases auf einen Temperaturbereich zwischen +5 °C und +30 °C erreichen. Verfahrensschritt B

Im Verfahrensschritt B wird das gekühlte und getrocknete Abgas 11a, bestehend aus N ₂ , CO ₂ , Ar und Resten von H ₂ O im Abgasturboverdichter 22 auf einen Druck oberhalb von 5,16 bar verdichtet und anschließend im Abgaskühler b 21b zurückgekühlt. Bei Einsatz von Kühlwasser 16 lässt sich bei der Rückkühlung wieder der oben beschriebene Temperaturbereich zwischen +5 °C und +30 °C erreichen. Dabei kondensiert der größte Teil des im Abgas enthaltenen Wasserdampfs und wird als Kondensat 14b abgeschieden.

Im Abgasturboverdichter 22 muss die Höhe der Verdichtung so hoch gewählt werden, dass bei Expansion und Erwärmung des Gasgemischs b 12 die erforderliche Kälte für das Verfahren erzeugt werden kann. Die durchgeführte Berechnung mehrerer Ausführungsbeispiele ergab, dass eine Verdichtung auf 6 bis 15 bar hierfür ausreichend ist.

Bei höherer Verdichtung kann nachfolgend zwar das CO ₂ bereits bei höheren Temperaturen verflüssigt werden, aber durch den dafür notwendigen höheren Energieaufwand für die zusätzliche Verdichtung des Abgases verschlechtert sich die Wirtschaftlichkeit.

Zur Abgasverdichtung wird über 90% der für die Turbo-Abgas-CO ₂ - Abscheidung notwendigen Energie verbraucht. Ein niedrigerer Energieaufwand für die Abgasverdichtung lässt sich durch eine mehrstufige Verdichtung mit Zwischenkühlung erreichen. Mit der Anzahl der Verdichtungsstufen sinkt der Energieaufwand für die Verdichtung des Abgases. Im Gegenzug ist ein höherer Investitionsaufwand für die zusätzlichen Verdichtungsstufen erforderlich.

Bei der einstufigen Verdichtung in den Figuren 3 und 4 muss für den Verdichter 22 die Antriebsenergie 30 aufgewendet werden. Bei einer zweistufigen Verdichtung in Figur 5 ist für die 1. Verdichterstufe 22a die Antriebsenergie 30a und für die 2. Verdichterstufe 22b die Antriebsenergie 30b erforderlich. Gleiches gilt analog, wenn auf noch mehr Verdichtungsstufen aufgeteilt wird. Die Summe der Antriebsenergie 30 a, 30b der zweistufigen Verdichtung ist dabei kleiner als die Antriebsenergie (30) der einstufigen Verdichtung.

Bei Auslegung der Turbo-CO ₂ -Abscheidung für konkrete Anwendungsfälle kann mittels einer Wirtschaftlichkeitsberechnung aus den reduzierten Energiekosten bei mehreren Verdichterstufen und den dadurch steigenden Investitionskosten ein projektspezifisches Optimum ermittelt werden. Verfahrensschritt C

Das verdichtete und zurück gekühlte Gasgemisch a 11b wird im Verfahrensschritt C in dem Mehrkomponentenwärmetauscher 23 auf die Kondensationstemperatur des CO ₂ abgekühlt.

Das Abgas 11c weist bei Austritt aus dem(n) Abgaskühler(n) 21 als gesättigtes, feuchtes Abgas immer noch einen erheblichen Wassergehalt auf, der bei 25°C und 7 bar ca. 2,8 g pro kg Gas beträgt.

Daher ist bei der Abkühlung des Abgases 11c unter den Gefrierpunkt von Wasser eine selbstreinigende Wärmetauscherkomponente 23a zur Kühlung des Abgases erforderlich, weil bei dieser Abkühlung der noch im Gasgemisch 11c enthaltene Wasserdampf auskondensiert bzw. ausfriert, sich an den Wänden der Wärmetauscherkomponente 23a ablagert und ohne Reinigungs- maßnahmen die Wärmetauscherkomponente 23a verstopfen würde. In der selbstreinigenden Wärmetauscherkomponente 23a wird durch periodisches Umschalten der Strömung mit den Motorklappen 23b, 23c und den Rückschlagklappen 23d, 23e das an den Wänden des Wärmetauschers abgelagerte Eis und das kondensierte Wasser von dem in die Atmosphäre abgeleiteten Gasgemisch b 12f aufgenommen und der Wärmetauscher so wieder vollständig gereinigt.

Selbstreinigende Wärmetauscher sind bekannte Bauelemente aus Luftzerlegungsanlagen. Grundsätzlich sind für die Turbo-Abgas-CO ₂ - Abscheidung alle aus den Luftzerlegungsanlagen bekannten Bauarten der selbstreinigenden Wärmetauscher geeignet. z.B. Kreuzstromgegenströmer, steingefüllte Regeneratoren mit eingebauten Rohrschlangen oder Rekuperatoren in Kompaktbauweise (vielfach als reversing exchangers bezeichnet).

In den selbstreinigenden Mehrkomponentenwäremtauschern sind die Wärme- tauscherkomponenten der wärmeabgebenden Seite und der wärmeauf- nehmenden Seite und weitere Wärmetauscherkomponenten integriert, wie beispiesweise ein Wärmetauscher 23f - z. B. als eingebaute Rohrschlange - für die Wärmeaufnahme des Gasgemischs b 12c nach dem CO ₂ -Kondensator 24a.

Im selbstreinigenden Mehrkomponentenwärmetauscher 23 müssen aus dem Gasgemisch a 11c folgende Wärmemengen abgeführt werden:

• die Enthalpiedifferenz des Gasgemischs a 11c von Austrittstemperatur aus dem letzten Abgaskühler 21c zur Kondensationstemperatur des CO ₂ und

• die Verdampfungsenthalpie des kondensierenden Wasserdampfanteils.

Die für die wärmeaufnehmende Seite des Mehrkomponentenwärmetauschers 23 erforderliche Kälte wird bereitgestellt

• durch die Erwärmung des kalten Gasgemisch b 12c in der Wärme- tauscherkomponente 23f und

• durch die Erwärmung des in der Gasturbine b 28b auf Atmosphären- druck entspannten kalten Gasgemisch b 12e in der selbstreinigenden Wärmetauscherkomponente 23a. Verfahrensschritt D

Im Verfahrensschritt D erfolgt die Kondensation und Abscheidung des CO ₂ aus dem auf Abscheidetemperatur und -druck gekühlten und komprimierten Abgasstrom 11 d. Dabei erfolgt die Kondensation des CO ₂ im CO ₂ - Kondensator (24b). Der CO ₂ -Kondensator 24a ist eine speziell entwickelte Apparatur, die den Anforderungen an den Betrieb mit Kondensationstemperaturen knapp oberhalb der Phasengrenze fest/flüssig gerecht wird und im Interesse der Energieeffizienz ausschließlich mit Kälte aus der Expansion des Gasgemischs b 12c arbeitet.

Die Kondensationstemperatur des CO ₂ liegt relativ dicht am Tripelpunkt des CO ₂ , Bei 7 bar Kondensationsdruck liegt die Kondensationstemperatur des CO ₂ mit 224 °K nur 7,5 °K über den 216,5 °K am Tripelpunkt. Die Temperatur des Abgases 11 d darf an keiner Stelle im CO ₂ -Kondensator 24a unter die Sublimationstemperatur des CO ₂ absinken, da sonst Wärmetauscher und Leitungen verstopfen würden. Es bestehen daher hohe Anforderungen an die Temperaturregelung des CO ₂ -Kondensators 24a.

Diese Temperaturfanforderung wird erreicht, wenn das Wärme aufnehmende Gasgemisch b 12c in einer mehrstufigen Entspannungsturbine 28c in jeder Entspannungsstufe nur so weit entspannt wird, dass die Turbinenaus- trittstemperatur maximal um die Temperaturdifferenz im Wärmetauscher unterhalb der Sublimationstemperatur des CO ₂ liegt.

Bei Einsatz der einstufigen Entspannungsturbine 28a liegt die Turbinenaus- trittstemperatur deutlich unterhalb der Sublimationstemperatur von CO ₂ . Im angefügten Berechnungsbeispiel beträgt die Austrittstemperatur des Gasgemischs b 12c aus der Entspannungsturbine a 28a 156 °K und liegt damit deutlich unterhalb der 216,5 °K. Für die Temperaturregelung auf der wärmeaufnehmenden Seite des CO ₂ -Kondensators gibt es bei einstufiger Entspannung 2 Möglichkeiten:

• Direkte Kühlung des CO ₂ Kondensators durch Mischung des kalten zum CO ₂ -Kondensator geführten Gasgemischs mit dem erwärmten aus dem CO ₂ -Kondensator kommenden Gasgemisch mit Hilfe des Regelventils a 26b. Die Förderung des erforderlichen Massestrom des Gasgemischs durch den CO ₂ -Kondensator 24a erfolgt durch den drehzahlgeregelten Ventilator 26a. Ein Ausführungsbeispiel für die direkte Kühlung des CO ₂ -Kondensators ist in Figur 8 dargestellt. Bei der indirekten Kühlung des CO ₂ -Kondensators 24a wird die Expansionskälte des Gasgemischs b 12c im Kälteträger/Gas- Wärmetauschers c 27a auf den Kälteträger c 15 übertragen, der im Kältekreis 27 mittels Regelung der Kälteträgerpumpe 27e und des Regelventils 27d mit exakt eingeregelter Temperatur durch den CO ₂ - Kondensator 24a gepumpt wird und dort die für die abzuführende Verdampfungsenthalpie notwendige Kälte im Gasgemisch a 11 d bereitstellt. Bei den Temperaturen zwischen 150 °K und 230 °K im indirekten Kühlkreislauf können nur Fluids mit einem niedrigen Schmelzpunkt, wie z. B. Propan mit einem Schmelzpunkt von -187,7 °C, Iso-Butan mit einem Schmelzpunkt von -159 °C oder ein Gas wie z. B. N ₂ als Kälteträger eingesetzt werden.

Nach der CO ₂ -Kondensation erfolgt im CO ₂ -Abscheider 24c die Trennung in das flüssige CO ₂ 13 und das verbleibende Gasgemisch b 12a. Verfahrensschritt K

Das aus dem CO ₂ -Abscheider 24c kommende Gasgemisch b 12a mit den Bestandteilen N ₂ und Ar 13a enthält einen CO ₂ -Anteil entsprechend dem Sättigungsdruck des CO ₂ bei der Temperatur im Gasgemisch b 12a, der bei weiterer Abkühlung des Gasgemischs b 12a auskondensieren oder ausfrieren würde.

Daher wird dieser CO ₂ -Anteil aus dem Gasgemisch b 12a mit Hilfe von CO ₂ - Adsorbern 25a, 25b entfernt. Übliche CO ₂ -Adsorber arbeiten als

Molekularsiebadsorber mit Zeolithen als Adsorptionsmaterial im Pendelbetrieb. Dabei werden 2 Adsorber eingesetzt. Während abwechselnd ein Adsorber in Betrieb ist und CO ₂ adsorbiert wird der zweite Adsorber mit Hilfe eines Spülgases regeneriert. Anforderung an das Spülgas ist, dass es trocken sowie frei von Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffen sein muss und dass es auf ca. 100 °C erwärmt werden muss. Bei Turbo-Abgas-CO ₂ - Abscheidung eignet sich als Spülgas das Gasgemisch b 12e. Für die Gaserwärmung kann Abwärme genutzt werden, z. B. die Wärme des Abgases 11 b nach Austritt aus dem Abgasverdichter 22. 7. Verfahrensschritt L

Im Verfahrensschritt L wird das gereinigte Gasgemisch b 12b in der Gasturbine a 28a Arbeit leistend so weit entspannt wird, dass die Kälte des expandierten Gasgemischs b 12c für die bei der CO ₂ -Kondensation abzuführende Verdampfungsenthalpie (Verfahrensschritt M) ausreicht.

8. Verfahrensschritt M

Im Verfahrensschritt M wird die Expansionskälte des Gasgemischs b zur Kondensation des CO ₂ -Anteils im Gasgemisch a im CO ₂ -Kondensator 24a genutzt.

9. Verfahrensschritt N

Nachfolgend wird im Verfahrensschritt N die Kälte des Gasgemischs b 12c für die Wärmeübertragung in der Wärmetauscherkomponente 23f, die in den Mehrkomponentenwärmetauscher 23 integriert ist, für den Kältebedarf im Mehrkomponentenwärmetauscher 23 genutzt.

10. Verfahrensschritt O

Im Verfahrensschritt O wird das erwärmte Gasgemisch b 12c in der Gasturbine b 28b Arbeit leistend auf Atmosphärendruck entspannt.

11.Verfahrensschritt P

Im Verfahrensschritt P wird das das kalte expandierte Gasgemisch b 12g im Mehrkomponentenwärmetauscher 23 erwärmt und das erwärmte Gasgemisch b 12g zur Rückspülung der selbstreinigenden Wärmetauschertauscher- komponente 23a genutzt. Das Gasgemisch b nimmt bei der Erwärmung während des Durchlaufs durch die selbstreinigende Wärmetauscher- komponente 23a das auskondensierte bzw. ausgefrorene H ₂ O auf. Danach wird das feuchte Gasgemisch b 12g ohne jegliches klimaschädigende CO ₂ in die Atmosphäre abgeleitet. Beschreibung Variante 2 (Figuren 2 und 4)

Bei der Turbo-Abgas- CO ₂ -Abscheidung mit CO ₂ -Entnahme bei überkritischem Druck wird Abgas, das von Partikeln gereinigt ist, wie folgt behandelt.

1 . Verfahrensschritte A und B

Die Behandlung des Abgases in den Verfahrensschritten A und B ist identisch mit der Behandlung in der Verfahrensvariante 1 , der Turbo-Abgas-CO ₂ - Abscheidung mit flüssiger Entnahme des CO ₂ bei Kondensationsdruck.

2. Verfahrensschritt C

Auch der Verfahrensschritt C stimmt weitgehend mit der Verfahrensvariante 1 überein, jedoch wird bei der Bereitstellung der erforderlichen Kälte zusätzlich die Erwärmung des überkritisch verdichteten CO ₂ 13h in der Wärmetauscher- komponente 23g, die in den Mehrkomponentenwärmetauscher 23 zusätzlich integriert ist, genutzt.

3. Verfahrensschritt D

Im Verfahrensschritt D wird das CO ₂ kondensiert und abgeschieden, wie bei der flüssigen CO ₂ -Entnahme bei Kondensationsdruck, jedoch zur Weiter- behandlung in eine CO ₂ -Hochdruckpumpe 24e weitergeleitet.

4. Verfahrensschritt F

Im Verfahrensschritt F wird das flüssige CO ₂ 13 mit der CO ₂ -Hochdruckpumpe 24e auf den für die unterirdische Lagerung erforderlichen überkritischen Druck verdichtet und anschließend in die Wärmetauscherkomponente 23g geleitet. Energietechnisch ist die Verdichtung eines Stoffes in flüssigem Zustand besonders vorteilhaft, da der im flüssigen Zustand erforderliche Energieaufwand für die Verdichtung von Flüssigkeiten verglichen mit der Verdichtung von Gasen um ein vielfaches kleiner ist. Wie weit verdichtet werden muss, ist von dem Druck abhängig, der zur Einlagerung in der jeweiligen Lagerstätte benötigt wird. Mit steigendem Verdichtungsdruck steigen auch die Anforderungen an die Transporteinrichtungen - bei den sehr großen CO ₂ -Mengen von Kraftwerken ist ein CO ₂ -Pipeline-Transport eine angemessene Technik. Der im Berechnungsbeispiel gewählte Verdichtungsdruck für das CO ₂ von 100 bar kann gemäß Stand der Technik als kostenbewusst realisierbar angesehen werden, da dieser Druck auch in Hochdrucktransportleitungen für Erdgas verwendet wird.

5. Verfahrensschritt G

Im Verfahrensschritt G wird das überkritische CO ₂ 13a in der Wärmetauscherkomponente b 23g auf Umgebungstemperatur erwärmt. Nach der Erwärmung in der Wärmetauscherkomponente b 23g wird das hoch verdichtete CO ₂ l3b aus der Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung entnommen und z. B. in eine unterirdische Lagerstätte transportiert. Bei dem im Berechnungsbeispiel gewählten Verdichtungsdruck für das CO ₂ von 100 bar beträgt bei 290 °K das spezifische Volumen 1,138 dm ³ /kg bzw. die Dichte 0,879 kg/dm ³ Die Kompression des CO ₂ reicht also aus um unterirdisch in Lagertiefen größer 800 m (minimale Lagertiefe für CO ₂ -Endlager) und dem in dieser Tiefe herrschenden Druck deponiert werden zu können und das vorhandene Lagervolumen maximal auszunutzen.

6. Verfahrensschritte K, L, M, N, O und P

Das nach CO ₂ Kondensation und CO ₂ -Abscheidung im Verfahrensschritt D abgetrennte Gasgemisch b 12a wird bei der Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung mit CO ₂ -Entnahme bei überkritischem Druck in der Verfahrensschritten K, L, M, N, O und P identisch behandelt, wie in der Verfahrensvariante 1.

Vorteile der CO ₂ -Entnahme bei überkritischem Druck

Die Verdichtung und Erwärmung des flüssig bei Kondensationsdruck und Tieftemperatur abgeschiedenen CO ₂ in Variante 1, auf überkritischen Ein- lagerungsdruck und Erwärmung auf Umgebungstemperatur in der Variante 2 ist der entscheidende Schritt, um die das CO ₂ unterirdisch einlagern zu können und das Abgas aus der Atmosphäre fernzuhalten. Durch die Wärmeaufnahme des überkritischen CO ₂ 13h in der Wärme- tauscherkomponente 23g kann im Vergleich zu Variante 1 zusätzlich Verdichterarbeit 30 eingespart werden.

Apparatur für die Turbo-Abqas-CO ₂ -Abscheidunq

Die wesentlichen Bauteile und Komponenten der Apparatur für die Turbo-Abgas- CO ₂ -Abscheidung sind Turboverdichter, Entspannungsturbinen, Wärmetauscher und CO ₂ -Adsorber.

Apparatur 1 für die Turbo-Abqas-CO ₂ Abscheidunq mit CO ₂ -Entnahme flüssig bei Kondensationsdruck

In der Apparatur zur Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung mit CO ₂ -Entnahme in flüssigem Zustand bei Kondensationsdruck wird das aus dem vorgelagerten Verbrennungs- prozess kommende und gereinigte Abgas 10a durch das Abgasrohr a 40a in den Abgaskühler a 21a geleitet. Nach der dort erfolgten Abkühlung und Trocknung des Abgases erfolgt die Weiterleitung des gekühlten Gasgemischs a 11a zum nachfolgenden Abgasverdichter 22 durch das Abgasrohr b 40b. Zur Kühlung des Abgases ist der Abgaskühler an die Rohrleitungen des Kühlwasserkreises 21g angeschlossen, vorlaufseitig mit der Kühlwasserleitung a 43a und rücklaufseitig an die Kühlwasserleitung b 43b. Vor dem Austritt aus dem Abgaskühler 21a verhindert ein in den Abgaskühler integrierter Abscheider, dass das im Abgaskühler kondensierte Wasser durch den Abgasstrom weitergetragen wird. Im Abgaskühler a 21a wird das Kondensat a 14a unten gesammelt und über die an den Abgaskühler angeschlossene Entwässerungsleitung a 44a abgeführt.

Das dem Abgasverdichter 22 über den Abgaskanal b 40b zugeführte Abgas wird dort auf den Kondensationsdruck des CO ₂ komprimiert. Die Weiterleitung des Abgases aus dem Abgasverdichter 22 in den Gaskühler b 21b erfolgt durch das Gasrohr c 40c. Zur Kühlung des Abgases ist der Abgaskühler b 21b an die Rohrleitungen des Kühlwasserkreises 21g angeschlossen, vorlaufseitig mit der Kühlwasserleitung c 43c und rücklaufseitig an die Kühlwasserleitung d 43d. Vor dem Austritt aus dem Abgaskühler 21b verhindert ein in den Abgaskühler integrierter Abscheider, dass das im Abgaskühler kondensierte Wasser durch den Abgasstrom weitergetragen wird. Im Abgaskühler b 21b wird das Kondensat b 14b unten gesammelt und über die an den Abgaskühler angeschlossene Entwässerungsleitung b 44b abgeführt.

Vom Austritt aus dem Abgaskühler 21b wird das Gasgemisch a 11c durch das Gasrohr d 40d in die selbstreinigende Wärmetauscherkomponente 23a transportiert.

Das Gasrohr d 40d wird vor der selbstreinigenden Wärmetauscherkomponente 23a durch ein T-Stück auf zwei parallele Leitungen aufgeteilt, von denen jeweils eine der Leitungen im Pendelbetrieb vom Abgas für den Hinweg genutzt wird und die jeweils andere Leitung von dem nach der CO ₂ -Abscheidung verbleibenden Gasgemischs b 12e als Weg in Gegenrichtung genutzt wird. Für die Umschaltung zwischen den Gaswegen werden auf der Wärme abgebenden Seite der selbstregelnden Wärmetauscherskomponente 23a zwei durch die Regelung betätigte Motorklappen 23b hinter dem T-Stück in die parallelen Leitungen des Gasgemischs a eingebaut. In die parallelen Leitungen des in Gegenrichtung strömenden Gasgemischs b werden auf der Wärme aufnehmenden Seite ebenfalls zwei durch die Regelung betätigte Motorklappen 23c eingebaut, bevor die parallele Leitungsführung durch Einbau eines T-Stücks wieder zusammengeführt wird. Auf der kalten Seite der selbstreinigenden Wärmetauscherkomponente 23a werden in die parallelen Leitungen des Gasgemischs a 11 d zwei Rückschlagklappen 23deingebaut bevor die parallelen Leitungen für das Gasgemisch a über ein T-Stück wieder zusammengeführt werden. Das Stickstoffrohr f 42f für das in Gegenrichtung strömende Gasgemisch b 12e wird auf der kalten Seite der selbstreinigenden Wärmetauscherkomponente durch ein T- Stück auf die beiden parallelen Gasleitungen aufgeteilt und auch hier werden in die parallelen Gasleitungen für das Gasgemisch b zwei Rückschlagklappen 23e eingebaut.

In der selbstreinigenden Wärmetauscherkomponente 23a sind Wärmetauscher- flächen zwischen den beiden in Gegenrichtung strömenden Gasgemisch a 11c und Gasgemisch b 12e angeordnet, die den Wärmeübergang zwischen den Gasen ermöglichen und eine stoffliche Vermischung verhindern. Bei der für die selbstreinigende Wärmetauscherkomponente 23a ebenfalls möglichen Ausführung mit 2 steingefüllten Regeneratoren werden die Regeneratoren im Pendelbetrieb in Richtung des zu zerlegenden Gasgemischs a 11c bzw. in Gegenrichtung bei Durchströmung durch das Gasgemisch b 12e mit periodischer Umschaltung betrieben.

Zur Deckung des Kältebedarfs im Mehrkomponentenwärmetauscher 23 die Wärme- tauscherkomponente a 23f für die Kältenutzung des Gasgemischs b 12c eingebaut. Auf der kalten Seite ist die Wärmetauscherkomponente a 23f an das Stickstoffrohr d 42d und auf der warmen Seite an das Stickstoffrohr e 42e angeschlossen.

Das in dem T-Stück wieder zusammengeführte Gasgemisch a 11 d wird durch das Gasrohr g 40g zum CO ₂ -Kondensator 24a weitergeführt und dort an die Wärme abgebende Seite 24b angeschlossen. Am Austritt des CO ₂ -Kondensators 24a ist der CO ₂ -Anteil im Gasgemisch a 11e kondensiert und das Gasgemisch a 11e wird über das Gasrohr h 40h in den CO ₂ -Abscheider 24d geführt. Aus dem CO ₂ -Abscheider 24d wird das kondensierte CO ₂ über einen sumpfseitigen Anschluss entnommen und über das CO ₂ -Rohr a 41a der nachfolgenden Verwendung zugeführt.

Das Gasgemisch b 12a, das nach Abscheiden des CO ₂ übrig bleibt, wird über einen kopfseitigen Anschluss aus dem CO ₂ -Abscheider entnommen und durch das Stickstoffrohr a 42a in die CO ₂ -Adsorber 25a, 25b geführt, die als Molekularsieb- adsorber mit Zeolithen als Adsorptionsmaterial im Pendelbetrieb das restliche im Gasgemisch b 12a vorhandene CO ₂ abscheiden. Dabei durchströmt das Gasgemisch b 12a die beiden vor den Adsorbern angebrachten, durch die Regelung betätigten Umschaltventile 25c oder 25e, die zusammen mit den beiden hinter den Adsorbern angebrachten, durch die Regelung betätigten Umschaltventile 25d oder 25f für die alternierende Nutzung der beiden Adsorber sorgt.

Vom CO ₂ -Adsorber 25a, 25b wird das Gasgemisch b 12b durch das Stickstoffrohr b 42b zur Gasturbine a 28a geleitet und dort Arbeit leistend entspannt.

Vom Austritt aus der Gasturbine a 28a wird das Gasgemischs b 12c durch das Stickstoffrohr c 42c zur wärmeaufnehmenden Seite 27c des Kälteträger/Gas- Wärmetauschers 27a geführt. Im Kälteträger/Gas-Wärmetauschers 27a wird die Kälte des entspannten Gasgemischs b 12c auf den Kälteträger 15 übertragen. Auf der wärmeaufnehmenden Seite 27c ist der Kälteträger/Gas-Wärmetauschers 27a mit den Rohrleitungen des Kältekreises 27 verbunden. Über die Kälterohrleitungen a 45a wird die Kälte aus dem Kälteträger/Gas-Wärmetauschers 27a zum CO ₂ -Kondensator 24a transportiert und durch das Regelventil b 27d und die Regelung der Kälteträgerpumpe 27e wird der Kälteträger 15 in Temperatur und Durchflussmenge exakt für den Kältebedarf im CO ₂ -Kondensator 24a konditioniert. Der Rückfluss des Kälteträgers 15 vom CO ₂ -Kondensator 24a zum Kälteträger/Gas-Wärmetauschers 27a erfolgt durch die Kälterohrleitung b 45b.

Das Gasgemisch b 12c wird vom Austritt aus dem Kälteträger/Gas-Wärmetauschers 27a durch das Stickstoffrohr d 42d zum Anschluss an die Wärmetauscher- komponente a 23f, die in den Mehrkomponentenwärmetauscher 23 eingebaut ist, geführt. Nach Erwärmung in der Wärmetauscherkomponente 23f wird das Gasgemisch b 12c vom Austritt aus dem Wärmetauscher 23e durch das Stickstoffrohr e 42e zum Eintritt in die Gasturbine b 28b geführt und dort Arbeit leistend entspannt.

Das entspannte Gasgemisch b 12e wird vom Austritt aus der Gasturbine b 28b durch das Stickstoffrohr f 42f zu dem T-Stück auf der kalten Seite der selbstreinigenden Wärmetauscherkomponente 23a geleitet und nachfolgend wie oben beschrieben alternierend auf den alternierenden Gaswegen durch die selbstreinigende Wärmetauscherkomponente 23a geführt. In der selbstreinigenden Wärme- tauscherkomponente 23a erfolgt der bereits oben beschriebene Wärmetausch mit dem Gasgemisch a 11c auf das Gasgemisch b 12e, und das erwärmte Gasgemisch b 12f nimmt das an den Wandflächen der selbstreinigenden Wärmetauscher- komponente 23a abgelagerte Wasser auf. Das Gasgemisch b 12f wird nach Austritt aus dem T-Stück auf der warmen Seite des selbstreinigenden Wärmetauschers 23 über das Stickstoffrohr g 42g in die Atmosphäre abgeführt.

Apparatur 2 für die Turbo-Abgas-CO ₂ Abscheidunq mit CO ₂ -Entnahme bei überkritischem Druck

Der Aufbau der Apparatur 2 deckt sich bis zum sumpfseitigen Austritt des CO ₂ aus dem CO ₂ -Abscheider 24d über das CO ₂ -Rohr a 41 a mit dem Aufbau der Apparatur 1 , mit der Ergänzung, dass zusätzlich in den Mehrkomponentenwärmetauscher 23 die Wärmetauscherkomponente b 23g zur Erwärmung des überkritisch verdichteten CO ₂ eingebaut wird.

In Apparatur 2 wird das kondensierte CO ₂ 13 aus CO ₂ -Abscheider 24d über einen sumpfseitigen Anschluss entnommen und über das CO ₂ -Rohr a 41a in die CO ₂ - Hochdruckpumpe 24e transportiert und dort auf den für die unterirdische Einlagerung erforderlichen überkritischen Druck verdichtet.

Das in der CO ₂ -Hochdruckpume 24e auf überkritischen Druck verdichtete CO ₂ 13a wird über das CO ₂ -Rohr b 41b in die Wärmetauscherkomponente b 23g geführt, durchströmt die Wärmetauscherkomponente b 23g und nimmt dabei Wärme auf. Das im Wärmetauscher 23g erwärmte CO ₂ 13b wird durch das CO ₂ -Rohr c 41c zum Anschlusspunkt b für den CO ₂ - Weitertransport 24g geführt.

Der Aufbau der Apparatur 2 zur Behandlung des Gasgemischs b 12a, das nach Abscheiden des CO ₂ über einen kopfseitigen Anschluss aus dem CO ₂ -Abscheider 24d entnommen wird, entspricht komplett dem Aufbau in Apparatur 1.

Apparatur 1 bis 2 für die Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidunq bei schwefelhaltigen

Brennstoffen

Bei der Verbrennung von schwefelhaltigen Brennstoffen enthält das Abgas SO2 und SO3, die bei Kondensation des Wasserdampf im Abgas zu Schwefliger Säure und Schwefelsäure weiterreagieren.

Der Säuretaupunkt schwefelhaltiger Brennstoffe liegt im Bereich 120° bis 150 °C. Diese Temperatur wird im Abgaswärmetauscher a 21a und im Abgaswärmetauscher b 21 b, 21c unterschritten.

Das Unterschreiten bedeutet, dass hochkorrosive Schwefelsäure auskondensiert und die Wandung angreift. Daher müssen bei Verwendung schwefelhaltiger Brennstoffe die Abgaswärmetauscher a 21a-21c aus korrosionsbeständigen Materialien wie Kunststoffen oder korrosionsarmen, hochlegierten Stählen (beispielsweise solche mit der Werkstoffnummer 1.4571 (V4A)) hergestellt werden. Bei der Behandlung schwefelhaltiger Abgase ist das Kondensat der Abgaswärmetauscher a 14a-14c sauer, was auch bei der nachfolgenden Entsorgung oder Verwendung beachtet werden muss.

SO2 und SCh-Gasbestandteile, die nicht mit dem kondensierenden Wasserdampf reagiert haben, kondensieren bei Überschreitung der Phasengrenze gasförmig/flüssig bei dem höheren Druck des Gasgemischs a 11b) in den Gaswärmetauschern 21b, 21c und werden dort flüssig abgeschieden 14c.

Apparatur 3 CO ₂ -Kondensationsanlage mit direkter Stickstoffkühlung und einstufiger Entspannungsturbine

Die CO ₂ -Kondensationsanlage mit direkter Kühlung und einstufiger Entspannungsturbine ist eine Apparatur, mit der CO ₂ in Gasgemischen kondensiert und abgeschieden wird. Verwendet werden kann die CO ₂ -Kondensationsanlage mit direkter Kühlung und einstufiger Entspannungsturbine für das Abscheiden von CO ₂ aus Gasgemischen aller Art.

Die CO ₂ -Kondensation beginnt mit der Zuführung des von Partikeln gereinigten Gasgemisch c 17a, in die Wärme abgebende Seite des CO ₂ -Kondensator 24b. In der Wärme abgebenden Seite des CO ₂ -Kondensators 24b wird dem Gasgemisch c 17a die Kondensationswärme des CO ₂ entzogen wird. Nach der CO ₂ -Kondensation wird das Gasgemisch c 17b durch das Gasrohr i 40i in den CO ₂ -Abscheider 24d transportiert.

Kopfseitig verfügt der CO ₂ -Abscheider über einen Anschluss zum Weitertransport des nach der CO ₂ -Abscheidung verbleibenden Restgases 18. Sumpfseitig verfügt der CO ₂ -Abscheider 24d über einen Anschlusspunkt a 24f zum Weitertransport des flüssigen CO ₂ 13.

Bei direkter Kühlung mit einstufiger Entspannungsturbine wird auf der Wärme aufnehmenden Seite des CO ₂ -Kondensators 24c das expandierte kalte Gasgemisch 19a mit dem Stickstoffrohr 42h auf der kalten Seite und mit dem Stickstoffrohr i 42i auf der warmen Seite angeschlossen. Kältequelle ist das druckbehaftetes kaltes Gas oder Gasgemisch e 19. Besonders geeignet als Gas oder Gasgemisch ist wegen der niedrigen Kondensations- temperatur die Verwendung von Stickstoff.

Das druckbehaftetes kaltes Gas oder Gasgemisch e 19 wird der Gasturbine a 28a zugeführt, dort entspannt und als unter die Kondensationstemperatur von CO ₂ abgekühltes Gasgemisch e 19a durch das Stickstoffrohr h 42h in die Wärme aufnehmende Seite des CO ₂ -Kondensator 24c transportiert. Durch das Regelventil a 26b und die Regelung des Ventilators 26a wird das Gasgemisch e 19a in Temperatur und Durchflussmenge exakt für den Kältebedarf und die zulässigen Temperaturen im CO ₂ -Kondensator 24a konditioniert. Nach Erwärmung im CO ₂ -Kondensator wird das Gasgemisch e 19b durch das Stickstoffrohr i 42i aus der CO ₂ -Kondensationsanlage mit direkter Kühlung und einstufiger Entspannungsturbine herausgeführt.

Apparatur 4 CO ₂ -Kondensationsanlage mit direkter Stickstoffkühlung und mehrstufiger Entspannungsturbine

Die CO ₂ -Kondensationsanlage mit direkter Kühlung und mehrstufiger Entspannungsturbine ist eine Apparatur, mit der CO ₂ in Gasgemischen kondensiert und abgeschieden wird. Verwendet werden kann die CO ₂ -Kondensationsanlage mit direkter Kühlung und mehrstufiger Entspannungsturbine für das Abscheiden von CO ₂ aus Gasgemischen aller Art.

Die CO ₂ -Kondensation beginnt mit der Zuführung des von Partikeln gereinigten Gasgemisch c 17a, in die Wärme abgebenden Seite des CO ₂ -Kondensator 24c. In der Wärme abgebendenden Seite des CO ₂ -Kondensators 24c wird dem Gasgemisch c 17a die Kondensationswärme des CO ₂ entzogen. Nach der CO ₂ -Kondensation wird das Gasgemisch c 17b durch das Gasrohr i 40i in den CO ₂ -Abscheider 24d transportiert. Kopfseitig verfügt der CO ₂ -Abscheider über einen Anschluss zum Weitertransport des nach der CO ₂ -Abscheidung verbleibenden Restgases 18. Sumpfseitig verfügt der CO ₂ -Abscheider 24d über einen Anschlusspunkt a 24f zum Weitertransport des flüssigen CO ₂ 13. Bei direkter Kühlung mit mehrstufiger Entspannungsturbine wird die Wärme abgebende Seite des CO ₂ -Kondensators 24c aus mehreren einzelnen Wärmetauscherkomponenten 24h zusammengesetzt. In jeden dieser einzelnen Wärmetauscherkomponenten 24h wird das expandierte kalte Gasgemisch aus der jeweiligen Entspannungsstufe mit einer Temperatur eingeführt, bei der noch keine Sublimation des CO ₂ in der CO ₂ -Kondensationsanlage erfolgt.

Vorteilhaft bei dieser direkten Kühlung mit mehrstufiger Entspannungsturbine ist im Vergleich zur direkten Kühlung mit einstufiger Entspannungsturbine und zur indirekten Kühlung, dass keine Regelorgane erforderlich. Kältequelle der CO ₂ - Kondesationsanlage mit direkter Kühlung und mehrstufiger Entspannungsturbine ist das druckbehaftetes kaltes Gas oder Gasgemisch e 19.

Die mehrstufigen Gasturbine 28c wird nach jeder Expansionsstufe über ein Stickstoffrohr k 42k mit der kalten Seite des einzelnen Wärmetausches 24d und durch das Stickstoffrohr i 42i wird das Gasgemisch e durch ein Gasrohr I 42I in die nächste Stufe der mehrstufigen Entspannungsturbine 28c geleitet. Nach der letzten Entspannungsstufe wird das entspannte Gasgemisch e durch das Stickstoffrohr m aus der 42m aus der CO ₂ -Kondensationsanlage mit direkter Kühlung und mehrstufiger Entspannungsturbine herausgeführt.

Apparatur 5 CO ₂ -Kondensationsanlage mit indirekter Kühlung

Die CO ₂ -Kondensationsanlage mit indirekter Kühlung ist eine Apparatur, mit der CO ₂ in Gasgemischen kondensiert und abgeschieden wird. Verwendet werden kann die CO ₂ -Kondensationsanlage mit indirekter Kühlung für das Abscheiden von CO ₂ aus Gasgemischen aller Art.

Die CO ₂ -Kondensation beginnt mit der Zuführung des von Partikeln gereinigten Gasgemisch c 17a, in den CO ₂ -Kondensator 24. Der CO ₂ -Kondensator 24 ist ein Wärmetauscher, in dem bei indirekter Kühlung auf der Wärme aufnehmenden Seite des CO ₂ -Kondensators 24a der Kältekreis 27 mit der Kälteleitung 45c auf der Vorlaufseite und das Kälterohr 45d auf der Rücklaufseite angeschlossen ist. Nach der CO ₂ -Kondensation wird das Gasgemisch c 17b durch das Gasrohr i 40i in den CO ₂ -Abscheider 24d transportiert.

Kopfseitig verfügt der CO ₂ -Abscheider über einen Anschluss zum Weitertransport des nach der CO ₂ -Abscheidung verbleibenden Restgases 18. Sumpfseitig verfügt der CO ₂ -Abscheider 24d über einen Anschlusspunkt a 24f zum Weitertransport des flüssigen CO ₂ 13.

Kältequelle ist das druckbehaftetes kaltes Gas oder Gasgemisch e 19. Besonders geeignet als Gas oder Gasgemisch ist wegen der niedrigen Kondensations- temperatur die Verwendung von Stickstoff.

Das druckbehaftetes kaltes Gas oder Gasgemisch e 19 wird der Gasturbine a 28a zugeführt, dort entspannt und als unter die Kondensationstemperatur von CO ₂ abgekühltes Gasgemisch e 19a durch das Stickstoffrohr h 42h in den Kälteträger/Gas-Wärmetauscher 27a transportiert. Nach Erwärmung in dem Kälteträger/Gas-Wärmetauscher 27a wird das Gasgemisch e 19b aus der CO ₂ - Kondensationsanlage mit indirekter Kühlung herausgeführt.

Im Kälteträger/Gas-Wärmetauscher 27a wird die Kälte des Gasgemischs e 19a auf den Kälteträger 15 übertragen. Die wärmeabgebende Seite des Kälteträger/Gas- Wärmetauscher 27b wird mit den Rohrleitungen 45c und 45d des Kältekreises 27 verbunden. Über die Kälterohrleitung g 45j wird die Kälte aus dem Kälteträger/Gas- Wärmetauscher 27a zum CO ₂ -Kondensator 24a transportiert und durch das Regelventil b 27d und die Regelung der Kälteträgerpumpe 27e wird der Kälteträger 15 in Temperatur und Durchflussmenge exakt für den Kältebedarf im CO ₂ - Kondensator 24a konditioniert. Der Rückfluss des Kälteträgers 15 vom CO ₂ - Kondensator 24a zum Kälteträger/Gas-Wärmetauscher 27a erfolgt durch die Kälterohrleitung k 45k.

Vorteilhaft bei der Kondensationsanlage mit indirekter Kühlung ist, verglichen mit den Kondensationsanlagen mit direkter Kühlung, dass die Mengen- und Leistungsregelung für den Durchfluss durch den CO ₂ -Kondensator 24a mit dem Kältekreis 15 wesentlich einfacher ist als die Mengen- und Leistungsregelung des Gasgemischs e 19.

Wirtschaftlichkeit und Energieaufwand derTurbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidunq

Die Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung kann wie oben erläutert bei sehr vielen verschiedenen Verbrennungsprozessen Anwendung finden, so dass allgemeingültige Aussagen zu Kosten, Wirtschaftlichkeit und Energieaufwand nicht möglich sind. Es müssen vielmehr die wirtschaftlichen und energetischen Auswirkungen für jeden Anwendungsfall einzeln untersucht und berechnet werden.

Die Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung erfordert wie jedes andere Verfahren zur CO ₂ - Abscheidung den Einsatz von Energie für die Abtrennung des CO ₂ . Weiteren Energieaufwand erfordern je nach Verwendung die Einlagerung bzw. die Weiterverarbeitung des CO ₂ , die wie bereits am Anfang erwähnt bei der Turbo- Abgas-CO ₂ -Abscheidung verschwindend gering ist gegenüber den übrigen CCS Abscheideverfahren.

Im Rahmen dieser Patentanmeldung wird beispielhaft der Einsatz die Turbo-Abgas- CO ₂ -Abscheidung für die Behandlung der Abgase aus einem modernen, hoch effizienten GuD-Kraftwerks berechnet.

Das Berechnungsbeispiel für das GuD-Kraftwerk geht von rd. 400 MW elektrischer Leistung und einem elektrischen Wirkungsgrad ohne CO ₂ -Abscheidung von 60 % aus und ist als Anlage beigefügt. Bei Verdichtung des CO ₂ auf überkritischen Druck von 100 bar sinkt der elektrische Wirkungsgrad des GuD-Kraftwerks im Berechnungsbeispiel von 60% auf rd. 56 %.

Für den Fall, dass das CO ₂ bei Verdampfungsdruck von ca. 6 bar entnommen wird, sinkt der elektrische Wirkungsgrad des GuD-Kraftwerks etwas weniger, von 60 % auf rd. 57%.

Allgemein gültige Aussagen zu den ökonomischen Auswirkungen der mit der Turbo- Abgas-CO ₂ -Abscheidung eingesparten CO ₂ -Emissionen sind schwierig, da der derzeit praktizierte Zertifikate-Handel marktabhängige Preise hat. Das aktuelle Gesetz zur CO2-Besteuerung sieht ab 2021 eine CO ₂ -Steuer von 25 €/t CO ₂ mit einer Steigerung auf 55 €/t CO ₂ im Jahre 2025 vor.

Nachfolgend wird eine Beispielrechnung unter der Annahme durchgeführt, dass die Erlöse des Kraftwerks für Stromverkauf bei 45 €/MWh (mittlerer Preis 2018) liegen. Die durch den Einsatz der Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung eingebüßten Verkaufs- erlöse für elektrischen Strom lassen sich damit wie folgt berechnen:

Stromerlös pro Stunde 45 €/MWh

Leistung 400 MW GuD-Kraftwerk ohne Turbo-Abgas-CO ₂ -

Abscheidung 403 MW

Leistung 400 MW GuD-Kraftwerk mit Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung 372 MW

Stromverkauf je Stunde ohne Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung 18.135 €

Stromverkauf je Stunde mit Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung 16.740 €

Einbuße Verkaufserlös je Stunde 1.395 €

Bei einem Steuersatz von 25,00 €/t ab 2021 lässt sich die durch die Turbo-Abgas- CO ₂ -Abscheidung erzielte Steuerersparnis wie folgt berechnen:

Einsparung 400 MW GuD-Kraftwerk CO ₂ Emissionen je

Stunde 136 t/h CO ₂ -Steuer ab 2021 25,00 €/t

Einsparung CO ₂ -Steuer je Stunde 3.400,00 €

Die Gegenüberstellung von gemindertem Verkaufserlös mit eingesparter CO ₂ -Steuer ergibt eine Einsparung für das 400MW GuD-Kraftwerk von 14,6 Mio. € pro Jahr, wenn das Kraftwerk mit der Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung betrieben wird. Auch unter Beachtung der hohen Investitions- und Betriebskosten der Turbo-Abgas-CO ₂ - Abscheidungsanlage und einer durch die unterirdische Einlagerung zusätzlich anfallender Kosten zeigt die Gegenüberstellung das enorme ökonomische Potential der Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung auf.

Über die ökonomische Betrachtung hinaus muss zusätzlich der enorme ökologische Vorteil für die Minderung der CO ₂ Konzentration in der Atmosphäre durch • die Vermeidung von weiteren klimaschädigenden CO ₂ -Emissionen, bzw. • der Umkehrung der Klimaschädigung durch Biomasse-Kraftwerke durch die Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung und unterirdischer Lagerung beachtet werden.

Berechnungsbeispiel

0. Erläuterung zum Berechnungsbeispiel der Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung

Als Berechnungsbeispiel dient ein GuD-Kraftwerk mit rd. 400 kW elektrischer Leistung, einemelektrischen Wirkungsgrad von 60 % und Betrieb mit dem Brennstoff Erdgas H.

Bei der Berechnung wird zur besseren Übersicht angenommen, dass die Verdichter und Turbinen der Turbo-Abgas-CO ₂ -Abscheidung auf einer Welle mit den GuD- Turbinen angeordnet werden. Falls das nicht der Fall ist, müssen die nachstehenden Ergebnisse um die elektrischen Wirkungsgrade der Motoren und Generatoren korrigiert werden.

Die Berechnung erfolgt für den Anwendungsfall, dass das CO ₂ bei überkritischem Druck zur unterirdischen Einlagerung aus dem Verfahren entnommen wird,

1. Zusammenstellungen

1.1 Energiebilanz und Wirkungsgradeinbuße des GuD-Kraftwerks mit Turbo- Abgas-CO ₂ -Abscheidung und CO ₂ -Entnahme bei 100 bar 1 .2 Bilanz des CO ₂ -Kondensators

1.3 Bilanz des Mehrkomponentenwärmetauschers

2. Berechnungen

2.1. Berechnung a - Ermittlung Abgasmassenstrom und Abgaszusammensetzung

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Berechnung des Abgasmassenstroms

2.2. Berechnung b - Ermittlung der Isentropenexponenten für die Gasgemische

2.3 Berechnung c Leistung des Abgasverdichters - 1 . Stufe

2.4 Berechnung d Leistung des Abgasverdichters - 2. Stufe

2.5 Berechnung e Leistung der COa-Hochdruckpumpe 100 bar

2.6 Berechnung f Leistung der Gasturbine a

2.7 Berechnung g Leistung der Gasturbine b

2.8 Berechnung h Kältebedarf für die Kondensation des CO ₂

2.9 Berechnung i Abkühlung des Gasgemischs a im Mehrkomponentenwärmetauscher

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2.10 Berechnung j Kältebedarf Kondensation H ₂ O im Mehrkomponenten- wärmetauscher

2.11 Berechnung k Kälte aus stufenweiser 1 . Erwärmung des Gasgemischs b 2.12 Berechnung I Kälte aus 2. Erwärmung des Gasgemischs b

2.13 Berechnung m Kälte aus Erwärmung des flüssigen CO ₂

Bezugszeichenliste

1 .. Gasgemische und Stoffe

10 Abgas im Rohzustand mit den Bestandteilen N ₂ , CO ₂ , H ₂ O, Ar, Ruß, Staub

10a gereinigtes Abgas mit den Bestandteilen N ₂ , CO ₂ , H ₂ O, Ar 11a Gasgemisch a, gekühlt mit den Bestandteilen N ₂ , CO ₂ und Ar

11 b Gasgemisch a, verdichtet auf den Kondensationsdruck des CO ₂ 11c Gasgemisch a, rückgekühlt

11 d Gasgemisch a, gekühlt auf Kondensationstemperatur von CO ₂ 11 e Gasgemisch a, abgekühlt mit kondensiertem CO ₂ 12a Gasgemisch b - N ₂ , Ar und CO ₂ -Reste bei Kondensationsdruck 1. Druckstufe

12b Gasgemisch b ohne CO ₂ -Reste auf der 1. Druckstufe

12c Gasgemisch b teilentspannt auf die 2. Druckstufe

12d Gasgemisch b teilentspannt auf die 3. Druckstufe

12e Gasgemisch b entspannt bei Tieftemperatur

12f Gasgemisch b entspannt, feucht bei Umgebungstemperatur

13 CO ₂ flüssig bei Kondensationsdruck

13a CO ₂ bei überkritischem Druck und Tieftemperatur

13b CO ₂ bei überkritischem Druck und Umgebungstemperatur

14a H ₂ O - Kondensat aus Abgaskühler a

14b H ₂ O - Kondensat aus Abgaskühler b

14c H ₂ O - Kondensat aus Abgaskühler c

15 Kälteträger

16 Kühlwasser

17a Gasgemisch c im Ausgangszustand 17b Gasgemisch c gekühlt

18 Gasgemisch d

19 Gasgemisch e druckbehaftet

19a Gasgemisch e entspannt bei Tieftemperatur 19b Gasgemisch e entspannt und erwärmt

2 .. Komponenten der Anlage

20 Abgasreinigungsstufe

21 Kühlturm

21a Abgaskühler a b Abgaskühler b c Abgaskühler c d Kühlwasserpumpe a e Kühlwasserpumpe b f Kühlwasserpumpe c g Kühlwasserkreis Abgasturboverdichter a Abgasturboverdichter 1. Stufe b Abgasturboverdichter 2. Stufe Mehrkomponentenwärmetauscher a selbstreinigende Wärmetauscherkomponente b Motorklappen wärmeabgebende Seite der selbstreinigenden Wärmetauscherkomponente c Motorklappen wärmeaufnehmende Seite der selbstreinigenden Wärmetauscherkomponente d Rückschlagklappen wärmeabgebende Seite der selbstreinigenden Wärmetauscherkomponente e Rückschlagklappen wärmeaufnehmende Seite der selbstreinigenden Wärmetauscherkomponente f Wärmetauscherkomponente a für Gasgemisch b g Wärmetauscherkomponente b für hoch verdichtetes CO ₂ a CO ₂ -Kondensator b CO ₂ -Kondensator wärmeabgebende Seite c CO ₂ -Kondensator wärmeaufnehmende Seite d CO ₂ -Abscheider e CO ₂ -Hochdruckpumpe f Anschlusspunkt a g Anschlusspunkt b h Wärmetauscherkomponente der Wärme aufnehmenden Seite des CO ₂ - Kondensators a Adsorber a für CO ₂ b Adsorber b für CO ₂ c Umschaltventil für Adsorber a d Umschaltventil für Adsorber a e Umschaltventil für Adsorber b f Umschaltventil für Adsorber b a Ventilator b Regelventil a 26c Rückschlagklappe 27 Kältekreis

27a Kälteträger/Gas-Wärmetauscher

27b Kälteträger/Gas-Wärmetauscher Wärme abgebende Seite

27c Kälteträger/Gas-Wärmetauscher Wärme aufnehmende Seite

27d Regelventil b

27e Kälteträgerpumpe

28a Gasturbine a

28b Gasturbine b

28c mehrstufige Gasturbine

29 Anschluss für Anfahrbetrieb mit externem N ₂

29a Umschaltventil Anfahr-ZRegelbetrieb

29b Umschaltventil Anfahr-ZRegelbetrieb

3 .. Energie

30 Energie für Abgasverdichter

30a Energie für Abgasverdichter Stufe 1

30b Energie für Abgasverdichter Stufe 2

30c Energie für CO ₂ -Hochdruckpumpe

31 a Abgeführte Wärme Abgaskühler a 31 b Abgeführte Wärme Abgaskühler b 31 c Abgeführte Wärme Abgaskühler c 32a Arbeit der Gasturbine a

32b Arbeit der Gasturbine b

32c Arbeit der mehrstufigen Gasturbine

4 .. Rohrverbindungen

40a Gasrohr a 40b Gasrohr b 40c Gasrohr c 40d Gasrohr d 40e Gasrohr e 40f Gasrohr f 40h Gasrohr h 40i Gasrohr i 40j Gasrohr j 40k Gasrohr k 41 a CO ₂ -Rohr a

41 b CO ₂ -Rohr b

41 c CO ₂ -Rohr c

42a Stickstoffrohr a

42b Stickstoffrohr b

42c Stickstoffrohr c

42d Stickstoffrohr d

42e Stickstoffrohr e

42f Stickstoffrohr f

42g Stickstoffrohr g

42h Stickstoffrohr h

42 i Stickstoffrohr i

42j Stickstoffrohr j

42k Stickstoffrohr k

42 l Stickstoffrohr I

42m Stickstoffrohr m

43a Kühlwasserleitung a

43b Kühlwasserleitung b

43c Kühlwasserleitung c

43d Kühlwasserleitung d

43e Kühlwasserleitung e

43f Kühlwasserleitung f

44a Entwässerungsleitung a

44b Entwässerungsleitung b

44c Entwässerungsleitung c

45a Kälterohrleitung a

45b Kälterohrleitung b

45c Kälterohrleitung c

45d Kälterohrleitung d