Salzhaltige Pflanzen zur Erzeugung synthetischer Kraftstoffe. Thorsten Wüster RWTH Aachen, 14. März 2005

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1 Salzhaltige Pflanzen zur Erzeugung synthetischer Kraftstoffe Thorsten Wüster RWTH Aachen, 14. März 2005

2 Motivation Primärenergieverbrauch [Mtoe] Weltenergiebedarf Kernenergie Erneuerbare Energie 2010 Jahr Kohle, Gas Öl nach IEA, 2004 Erneuerbare Energie (2030): Biomasse 72% Wind, Solar, Geothermie 12% Wasserkraft 16% nach IEA, 2004 steigende Erzeugung erneuerbarer Energie aus Biomasse

3 Energiesituation in Entwicklungsländern Biomasse größte Energiequelle Energieversorgung von 2,4 Mrd. Menschen basiert auf Brennholz oder Holzkohle Resultierende Probleme: Holzkahlschlag Bodenerosion, Versteppung Schadstoffbildung bei Verbrennung Atemwegserkrankungen Steigender Einsatz von Diesel / Kerosin: Kerosinkocher Dezentrale Energieerzeugung mit Dieselmotoren Verkehrssektor flüssige Kraftstoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe

4 Voraussetzungen für Energiepflanzenanbau Energienetz-Weltkarte Forderung: Energiepflanzenanbau nicht in Konkurrenz zu anderen Landnutzungsarten Neue Anbauflächen erschließen: z.b. trockene & wüstenähnliche Gebiete Wüste, Steppe Ackerbau Wald Küstennahe W üsten zur Bewässerung mit Meerwasser Identifizierte Anbaufläche: 0,5 Mio. km² ( 25% der weltweit bewässerten Agrarfläche)* Anbau salztoleranter Energiepflanzen

5 Gliederung Halophyten Bereitstellungskonzept Biomassekonversion Bewertung Zusammenfassung und Fazit

6 Halophyten Anpassungsmechanismen: Salzfiltrierung Absalzhaare / Salzdrüsen Sukkulenz Pflanzenertrag [%] Salzböden: > 4 ms/cm * Glykophyte (obligat) (fakultativ) Meerwasser Halophyte Salinität [ms/cm] Anforderungen an Energiepflanzen: Eignung für die Bewässerung mit Meerwasser schnelles Wachstum / hohe Hektarerträge geringer Wasserverbrauch geringer Aufwand für Anbau und Ernte

7 Halophyten: Primärbiomasseproduktion: t tr /ha/a * Zusammensetzung der Pflanzensubstanz **: Spartina alter. Gew.-% Stroh Gew.-% C: 30,2 41,4 H: 5,1 5,9 N: 1,3 0,7 NaCl: 6 ~0,8 Asche: 27,8 11,4 Spartina alterniflora Scheinbare Summenformel: CH 2,01 O 0,88 Heizwert: H u = 11,4 MJ/kg (Stroh: 14,8 MJ/kg) ** * Glenn, Watson in Towards the rational use of high salinity tolerant plants, 1993

8 Bereitstellungskonzept: Anbau / Bewässerung Forderung: Keine Salzwasservermischung mit Grundwasser plastic beds Keine Salzansammlung im Boden Drainagen, Auswaschung Bewässerungsrate Flutungsmethode: 9,3 m³/kg tr ~ 18 m/a ~ 5 cm/d * Abschätzung: minimale Bewässerungsrate = 1,5 x Evapotranspirationsrate * Transpiration: C 4 -Pflanze l/kg tr ** ~ 0,3 0,6 m/a Evaporation: 1,5 2,5 m/a Minimale Bewässerungsrate: 2,7-4,7 m/a * Glenn, Watson in Towards the rational use of high salinity tolerant plants, 1993

9 Bereitstellungskonzept: Ernte / Transport mehrstufiges Ernteverfahren: mähen auswaschen trocknen (2-3 Tage) pressen (Quaderballengröße 0,8 x 0,8 x 2,5 m³ ~ 320 kg/ballen) LKW-Transport: Volumenauslastung limitierend Zugmaschine + Anhänger fassen ~ 53 Ballen Nutzlast ~ 17 t

10 Prozesse und Technologien zur Nutzung von Biomasse Biomasse (stärke-, zucker-, öl-, cellulosehaltig) Biochemische Umwandlung Physikalisch-chemische Umwandlung Thermochemische Umwandlung Vergasung Pyrolyse Synthese Flüssiger Brennstoff

11 Prozesskette Biomasse Vergasung Gaskonditionierung Synthese Syn. Kraftstoffe Synthesegaserzeugung durch gestufte Reformierung (DM2) Gaskonditionierung: Gasreinigung, CO 2 -Wäsche, PSA Kohlenwasserstoffsynthese nach der Shell-Mitteldestillat-Synthese

12 Auswirkungen der Elementzusammensetzung Cl K Vergasungsreaktor Ca Mg HCl, KCl, Dioxine, Furane Hochtemperaturkorrosion, Gesundheitsschädigung Hochtemperaturkorrosion, Ascheerweichungsverhalten Ascheverwertung, Schmelzpunkt erhöhend Ascheerweichungsverhalten S H 2 S-, SO x -Emissionen, Hochtemp.-korrosion N NO x -, HCN-, N 2 O-Emissionen

13 Synthesegaserzeugung: gestufte Reformierung Abgas WT-Vorwärmer Wärmeträgerkreislauf Biomasse Wärmeträger Reformer Dampf Pyrolysereaktor Pyrogas WT Heißgas Produktgas Feuerung Pyrolysekoks Asche

14 Gasreinigung Synthesegasanforderungen für Fischer-Tropsch-Synthese: * Partikel (Asche) Teer Halogenverbindungen (HCl) Schwefelverbindungen (H2S, COS) Stickstoffverbindungen (HCN, NH3) Alkalien < 0,1 mg/nm³ unter Taupunkt < 10 ppb < 10 ppb < 20 ppb < 10 ppb Teer- Cracker Entstaubung Quencher Wäscher ZnO Teer Feststoffe HCl, NH 3, HCN, Alkalien CO 2, H 2 S, COS H 2 S hohe Gasanforderungen erfordern aufwendige Gasreinigung

15 Shell-Mitteldestillat-Synthese (SMDS): Fischer-Tropsch-Synthese (FT): Produkte: LPG (<C 4 ), Benzin (C 5 -C 9 ), Kerosin (C 9 -C 11 ), Diesel (C 11 -C 15 ), Wachs (>C 20 ) Eigenschaften von FT-Diesel: Aromaten- und Schwefel-frei hohe Cetanzahl CO + 2H 2 -CH H 2 O H<0 SMDS-Prozessschritte: H 2 CO2 FT zu >C 30+ (Synthesegas: 1,8 ) CO2 + CO Hydrierung 55 Gew.-% Diesel, 20 Gew.-% Kerosin, 20 Gew.-% Benzin SMDS: optimierte Ausbeute hochwertiger flüssiger Kraftstoffe

16 Prozesskettenanalyse Dampf / 250 C 23,78 t/h Reformer 960 C Pyrogas Biomasse 63,16 t/h 52,50 t/h Pyrolyse 10,66 t/h (33,75 MW) WT-Heizer 1150 C 1100 C 630 C P-Koks Luft 80,16 t/h Abgas Feuerung Biomasse 10,66 t/h 300 C Wärmeträger Korund 248,7 t/h H2: 53,2 % CO: 11,5 % CO2: 27,3 % (getrocknet) 70 bar H 2 : 63,9 % CO: 13,5 % CO 2 : 13,9 % Reinigung Schlacke 19,6 t/h Stromerzeugung =0,4 η FT-Wachssynthese Hydrierung H 2 PSA CO 2 - Wäsche Restgas Restgas Restgas 200 MW (th) LPG 359 kg/h Benzin kg/h Trennung Kerosin kg/h Diesel kg/h Produkterzeugung η=0,44 Verdichterleistung, ges.: 12,8 MW algemeiner Verbrauch: 0,7 MW (Pumpen, Beleuchtung Steuerung) Summe: 13,5 MW

17 Ökonomische, ökologische und energetische Bewertung m& Bio = P th, Anlage H u, Bio Annahmen: jährl. Hektarertrag: 24 t tr /ha/a Bewässerungsrate: 6 m/a Pumphöhe: 10 m Zinssatz: 13 % Abschreibungsdauer: 15 a Konversionsanlage Anbaufläche Einzugsgebiet Pumpe Meer Kraftstoffproduktionskosten [ /l]: K BTL = K Anlage + K Biomasse + K Transport mit K Anlage K Biomasse = f (Anlagengröße*) = f (Anbau/Ernte**, Bewässerungsrate, -kosten***) * Tijmensen The production of Fischer Tropsch liquids and power through biomass gasification, 2000 ** Glenn, et al. Growing Halophytes to Remove Carbon from the Atmosphere, Environment, 1992

18 Ökonomische, ökologische und energetische Bewertung Kraftstoff-Produktionskosten [ /l] 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0, Betrieb & Wartung Investion Biomasse Biomasse-Input [MW th ] Biomassekosten (200 MW): Bewässerung 60% Anbau, Ernte 34% Transpor 6% jährl. Hektarertrag [t tr /ha/a]: 16...(24)...40 * Bewässerungsrate [m/a]: 3...(6)...18 Bewässerungskosten [c /m³]: 0,5...(1,1)...1,5 Anlagenwirkungsgrad [%]: 22...(40)...46

19 Ökonomische, ökologische und energetische Bewertung Häufigkeitsdichte 6,0% 5,0% 4,0% 3,0% 2,0% 1,0% 0,0% 100% 80% 60% 40% 20% 0% Kumulierte Häufigkeit Biomassekosten (200 MW): Bewässerung 60% Anbau, Ernte 34% Transpor 6% 0,80 0,87 0,94 1,01 1,08 1,15 1,22 1,29 1,36 Kraftstoffkosten [ /l] Vergleich: konventioneller Diesel ~0,3 /l Bewässerungskosten [ ct/m³]: 0,5...(1,1)...1,5 jährl. Hektarertrag [t tr /ha/a]: 16...(24)...40 * Bewässerungsrate [m/a]: 3...(6)...18 Anlagenwirkungsgrad [%]: 22...(40)...46 BTL-Kosten um Faktor ~4 über denen von konventionellem Diesel

20 Ökonomische, ökologische und energetische Bewertung Erntefaktor: Ei EF = W Kraftstoff E Nε = E Bewäss. + E Trans. + E Anlage i + Kumulierter Energieaufwand: Bewässerung 90% mit E Anlage < K Invest / 0,5 /kwh * EF 200MWth = 2,2 Transport 1% Konversionsanlage 9% CO 2 -Bilanz: BTL-Diesel CO 2 -Emission: ~ 23 g/mj (ohne CO 2 aus Anlagenbau) konv. Diesel CO 2 -Emission: ~ 86 g/mj ** Halophyten im BTL-Prozess energetisch und ökologisch positiv * Rebhahn, Energiehandbuch, Springer, 2002

21 Zusammenfassung ür die Produktion synthetischer Kraftstoffe aus Halophyten in ausgewählten küstennahen Wüsten gilt unter den hier beschriebenen Annahmen: Halophytenanbau steht nicht in Konkurrenz zum Nahrungsmittelanbau Halophytenanbau erfordert aufwendige Feldtechnik Halophytenanbau erfordert aufwendiges Salzwassermanagement Produktion synthetischer Kraftstoffe erfordert hohe Investkosten (Gaserzeugung, Gasreinigung, Synthese, Produktaufbereitung) Literpreis würde Faktor ~ 4 über heutigem Diesel liegen (ohne Steuer) Positive Energiebilanz und CO 2 -Einsparung* ist möglich gegenüber Nutzung von konventionellem Diesel

22 Fazit Insgesamt liefert diese technisch-ökonomische Analyse nur bedingt volkswirtschaftliche Hinweise, Entwicklungsländern diese Anbau- und Nutzungstechnik zu empfehlen.