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Energietechnik und UmweltschutzFortschrittliche Energieumwandlungskonzepte

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Entwicklung und Bewertung fortschrittlicher Energieumwandlungskonzepte

Weltweit wird der fossile Brennstoff Kohle für die Erzeugung von elektrischer Energie fast ausschließlich in Dampfkraftprozessen eingesetzt. Auch unter Einsatz der besten verfügbaren Technologie ist der Wirkungsgrad - das Verhältnis von erzeugter elektrischer Energie zu eingesetzter Brennstoffenergie - auf Werte von unter 50% begrenzt. Kombinierte Gas- und Dampfkraftwerken (GuD) erreichen Wirkungsgrade bis zu 60%;  ein direkter Einsatz von festem Brennstoff ist in diesen Prozessen aber nicht möglich. Da Kohle im Vergleich zu Erdgas deutlich kostengünstiger ist und längerfristig höhere Versorgungssicherheit verspricht, wird an Prozessen geforscht, die die Umwandlung von Kohle in Elektrizität  ermöglichen.

Im Fachgebiet Energietechnik und Umweltschutz arbeiten wir an dem Entwurf, der thermodynamischer Simulation, der Bewertung und der Optimierung innovativer Energieumwandlungskonzepte. Unser Arbeits- und Interessenschwerpunkt liegt auf dem kostengünstigen, energieeffizienten und umweltfreundlichen Einsatz von Kohle und Biomasse zur Bereitstellung von elektrischer Energie und Wasserstoff.

Mit Hilfe der Exergieanalyse für verschiedene chemische Reaktionen wurde ein innovatives „Zero-Emission"-Kraftwerkskonzept, der so genannte HECAP-Prozess zur Bereitstellung von elektrischer Energie und Wasserstoff entwickelt. Neben Kohle (oder einem anderen festen Brennstoff) wird nuklear oder solar erzeugte Hochtemperatur-Wärme benötigt. Der Prozess zeichnet sich durch sehr hohe Wirkungsgrade aus und ist nahezu emissionsfrei. Da nicht Luft, sondern Schwefelsäure den Sauerstoff für die Verbrennung liefert, ist es möglich, NOX Emissionen vollständig zu vermeiden. Die bei der Verbrennung entstehenden Gase Kohlendioxid (CO2) und Schwefeldioxid (SO2) lassen sich prozessbedingt getrennt voneinander in nahezu reiner Form und bei hohem Druck abführen. Der Prozess ist daher optimal mit der CO2-Abscheidung und -Einlagerung („Carbon Capture and Storage", CCS) kombinierbar (siehe dazu auch den Forschungsschwerpunkt „Kosteneffiziente Abtrennung von CO2 in Energieumwandlungsanlagen").

Mit der Hydrothermalen Karbonisierung (HTC) kann nasse, weiche Biomasse innerhalb von 12 bis 24 Stunden in Kohlestaub umgewandelt werden. Auf diese Weise kann minderwertige Biomasse, die nur schlecht energetisch nutzbar ist, in einen transportfähigen Brennstoff umgewandelt und z.B. in Kohlestaubfeuerungen eingesetzt werden. Bei der Umwandlung werden etwa 20% der Energie der Biomasse als Wärme freigesetzt. Unser Arbeitsschwerpunkt besteht darin, Konzepte für HTC-Anlagen mit  Wärmerückgewinnung zu entwickeln und hinsichtlich Energieeffizienz und Kosten zu optimieren.

Wasserstoff wird möglicherweise in zukünftigen Energiesystemen eine größere Rolle als heute spielen, da bei seiner Verbrennung keine CO2-Emissionen freigesetzt werden. Wasserstoff kommt in der Natur nur in chemischen Verbindungen vor und muss daher zunächst aus Wasser oder aus Kohlenwasserstoffen (Erdgas, Kohle, Biomasse) hergestellt werden. Heutzutage wird Wasserstoff hauptsächlich aus Erdgas gewonnen, wobei verschiedene relativ komplexe Prozesse zum Einsatz kommen. Mit Hilfe exergetischer, exergoökonomischer und exergoökologischer Analysen vergleichen wir verschiedene Verfahren und entwickeln verbesserte Prozessentwürfe zur Herstellung von Wasserstoff.

Weiterhin wurden die folgenden Prozesse in unserem Fachgebiet untersucht (siehe dazu auch den Forschungsschwerpunkt „Kosteneffiziente Abtrennung von CO2 in Energieumwandlungsanlagen"): Kombikraftwerke mit integrierter Kohlevergasung („Integrated Gasification Combined Cycle",  IGCC), Kraftwerksprozesse mit Chemical-Looping-Combustion, Vergasung von Biomasse in überkritischem Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff und Elektrizität, „Advanced Zero Emissions Power Plant" (AZEP), S-Graz Cycle und Dampfkraftprozess mit interner Zusatzfeuerung.


Ansprechpartnerinnen:
Kerstin Kapanke
Berit Erlach

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