Transitietechnologie - Factsheets energietechnologieën

Kolen-centrales

Stand van de techniek

Technologiebeschrijving
Conventionele elektriciteitsopwekking uit kolen gebeurt in poederkoolcentrales, waar steenkolen worden gemalen en gestookt. Deze techniek wordt verder geperfectioneerd en er worden nieuwe technieken ontwikkeld, zoals kolenvergassing met elektriciteitsopwekking in een combinatie van stoom- en gasturbine, KV-STEG. Een additionele optie is het toevoegen van een hoge temperatuur brandstofcel van het type SOFC aan een KV-STEG: een ?KV-SOFC?. Bijstook van biomassa in kolencentrales kan bijdragen aan de verduurzaming van de elektriciteitsopwekking (zie Hoofdstuk 5 Elektriciteit uit biomassa). De CO₂-emissie van kolencentrales kan worden gereduceerd door CO₂-afvang en opslag.

Huidige toepassing
Er zijn in Nederland zes poederkoolcentrales met een totaal vermogen van ca. 4.000 MW_e. De kolenvergassingstechniek wordt in Nederland op semi-commerci?le schaal gedemonstreerd te Buggenum in de ?Demkolec? centrale van 253 MW. Met kolengestookte centrales werd in 2000 ca. 25 TWh opgewekt, overeenkomend met 25% van de Nederlandse elektriciteitsvraag. Wereldwijd is dit aandeel hoger: ca. 37% (IEA, 2002). De afgelopen decennia is de rol van kolen sterk gedaald, maar de afgelopen 10 jaar leveren kolen in Europa een relatief stabiele bijdrage aan de elektriciteitsproductie. Nederland bevindt zich in Europa wat betreft het belang van kolen voor de elektriciteitsopwekking in de middenmoot. In Denemarken, Duitsland en Engeland wordt nog vrij veel elektriciteit met kolen opgewekt, in landen als Frankrijk en Zweden is er nauwelijks kolengestookte elektriciteitsopwekking.

Ontwikkelingsfase en verbeteropties
Met conventionele elektriciteitsopwekking in poederkoolcentrales bestaat tientallen jaren ervaring. De KV-STEG bevindt zich in de demonstratiefase; in Europa (Nederland en Spanje) en in de VS zijn er in de afgelopen tien jaar enkele gebouwd. De ontwikkeling van ?KV-SOFC? staat bij wijze van spreken nog in de kinderschoenen (desk studies). Dit heeft te maken met het feit dat de SOFC brandstofcel nog maar op een schaal van MW?en is gedemonstreerd. Integrale CO₂-verwijdering bij kolengestookte centrales is al in een verder gevorderd stadium van ontwikkeling. Een semi-commerci?le kolengestookte centrale met CO₂-afvang zou in 2010 operationeel kunnen zijn, zo blijkt uit een R&D-programma in de VS. Tot nu toe vindt alleen bij een enkele elektriciteitscentrale - o.a. Shady Point, Oklahoma (VS) - CO₂-afvang op kleine schaal plaats ten behoeve van commerci?le toepassingen, zoals invriezen met CO₂ en leveren van koolzuur (CO₂) aan bierbrouwerijen of frisdrankfabrieken (Herzog et al, 2000).

Naast realisatie van nieuwe technieken richten de inspanningen zich op verbetering van het rendement voor nieuw te bouwen kolengestookte centrales. Het zoeken naar mogelijkheden om het rendement te verhogen kent verschillende drijvende factoren, zoals het verlagen van de emissies van CO₂ en SO₂ per opgewekte kWh, brandstofbesparing en kostenverlaging.

Het opwekkingsrendement van kolengestookte centrales bedraagt 40% of meer. Dit niveau werd al in het begin van de tachtiger jaren gerealiseerd. Het rendement van nieuwe kolencentrales neemt nog geleidelijk toe. In 2000 is bij een poederkoolcentrale een rendement van ongeveer 44% haalbaar (EnergieNed, 2002). Het rendement van een poederkoolcentrale wordt vooral bepaald door stoomdruk en -temperatuur. Naar verwachting kan het rendement nog verder stijgen -op basis van ultrasuperkritische stoomcondities- tot 50% in 2030 en 51% in 2050 (DWTC/SSTC, 2001).

In 1993 werd de KV-STEG ?Demkolec? (253 MW) bij Buggenum in gebruik genomen, met een rendement van 43,2%. Ook elders zijn middelgrote KV-STEG?s gebouwd met een rendement van 37-45%: ?Puertollano? in Spanje (Internetbron 1) en vier KV-STEG eenheden in de VS (Internetbron 2). Een rendement van 45% is in 2000 ?stand van de techniek? In de VS wordt een kolenvergassingstechnologie ontwikkeld op basis van vergassing met lucht in plaats van zuurstof. Na tests in de Power Systems Development Facility (PSDF) rekent men op een rendement van 46% met gangbare gasturbinetechnologie. Een rendement van 52,7% lijkt haalbaar met de meest geavanceerde gasturbinetechnologie in de periode 2010-2020 (Internetbron 3). In deze factsheet wordt aangenomen dat het rendement nog verder kan stijgen tot 54% in 2030 en 55% in 2050.

Een additionele optie is het toevoegen van een hoge temperatuur brandstofcel van het type SOFC (vast oxide) aan een KV-STEG: een ?KV-SOFC?. Hiermee is een rendement haalbaar van 60% (Internetbron 4). Deze technologisch zeer geavanceerde optie bestaat nu slechts op papier. Realisatie zal nog tot 2020 of later op zich laten wachten.

Met een kolengestookte centrale met CO₂-afvang bestaat nog geen ervaring. Wel zijn analyses gemaakt van het rendement en de investeringskosten (Chiesa et al, 2003 en Rawls et al, 2003). Hierbij moet onderscheid worden gemaakt naar de poederkoolcentrale en de KV-STEG. Bij de poederkoolcentrale gaat het in het algemeen om een chemische absorptietechniek voor CO₂. Een dergelijke ?end-of-pipe? techniek is kostbaar en uit energetisch oogpunt niet erg effici?nt, omdat de rookgassen een relatief lage CO₂-concentratie hebben en de druk atmosferisch is. Bij de KV-STEG zijn de condities gunstiger: de CO₂ kan na een zogenoemde CO-shift reactie bij een druk van enkele tientallen bars worden afgevangen. Voor de commercialisatie van beide opties is nog ca. 10 jaar nodig.

Technische gegevens en kostenaspecten
Figuren 1, 2 en 3 geven een overzicht van de verwachte ontwikkeling van het rendement, de investeringskosten en de kosten voor onderhoud en bediening van de verschillende technieken voor elektriciteitsopwekking uit kolen. De verwachte ontwikkeling geldt voor een gemiddeld scenario, waarin ontwikkeling en toepassing van nieuwe technieken voor elektriciteitsopwekking met kolen enige prioriteit krijgt.

Figuur 1 Verwachte ontwikkeling rendement van kolencentrales

Figuur 2 Verwachte ontwikkeling investeringskosten kolencentrales

Figuur 3 Verwachte ontwikkeling onderhoud en bedieningskosten kolencentrales

Verwacht wordt dat de prijs van kolen afgeleverd bij de centrale (dus inclusief transport) in de periode tot 2050 sterk zullen stijgen (Internetbron 6). Aangenomen is een stijging van 60% met een kolenprijs in 2010 van ? 45/ton (? 1,7/GJ) en in 2050 van ca. ? 73/ton (? 2,75/GJ). De kosten van kolengestookte elektriciteitsopwekking bedragen in 2010 in de orde van grootte van 4,5 ? ct/kWh en zullen, ondanks verder stijgende brandstofprijzen (Internetbron 5), ongeveer op dat niveau blijven (Figuur 4). Gerekend is met een economische levensduur van 20 jaar, discontovoet van 8% (conform Scheepers et al, 2003) en een loadfactor van 75%. Enerzijds wordt verwacht dat de investerings- en onderhouds- en bedieningskosten dalen. Anderzijds stijgt het rendement, waardoor de brandstofkosten per kWh minder sterk stijgen dan de kosten van kolen zelf. Voor kolengestookte elektriciteitsopwekking met CO₂-afvang en -opslag worden hogere opwekkingskosten verwacht, namelijk op langere termijn ca. 5 ? ct/kWh.

Figuur 4 Verwachte kostenontwikkeling elektriciteit op basis van kolen zonder en met CO₂-afvang

Bron: ECN-rapport ECN-C--04-020, 2004