Hydrothermale Karbonisierung von Biomasse: CO 2 -Senke oder effektive Rohstoffquelle?

Transkript

1 Hydrothermale Karbonisierung von Biomasse: CO 2 -Senke oder effektive Rohstoffquelle? Markus Antonietti Max Planck Institute of Colloids and Interfaces Research Campus Golm, D Potsdam

2 Chemie 2020? Vor uns: eine Reihe globaler Megaprobleme: Der Hunger nach Energie Der Rohstoffwandel Das CO 2 -/Klimaproblem nur integriert zu betrachten!

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4 Definition Chemie aus Wikipedia: Die Chemie ist die Lehre vom Aufbau, Verhalten und der Umwandlung von Stoffen sowie den dabei geltenden Gesetzmäßigkeiten.

5 Chemie 2020! Herausforderungen sind Gelegenheiten für die Materialchemie/ green chemistry Energie-Materialien (Gasspeicher/Isolation/Membranen) Neue Biomasse-Schemen zur Rohstofferzeugung

6 Das CO 2 -Problem aus der Sicht des Chemiker Welt Öl Produktion 4 km 3 jetziger Wert 2.5 Trillion US $ / 1.5 Billionen Euro das Geld geht großteils in politisch unstabile Systeme Verbrennung von Öl erzeugt 15 GT CO 2 pro Jahr -- > Klimawandel Welt-Biomasseproduktion 120 km 3 /Jahr 6,7 % sind genug, um fossile CO 2 Erzeugung zu komp. 11 % der Biomasse sind bereits landwirtschaftlich Persönlicher Fussabdruck: ca 2-3 tonnen

7 Hydrothermale Carbonisierung? Eine Technik, Zucker und Biomasse in Monomere in Polymere in Schwarzboden / Torf / Braunkohle / Kohlenstoffprodukte zu verwandeln alles in Wasser

8 Eine kleine Geschichte der HTC 1544 Valerius Cordus 1592 Balthasar Klein 1913 Friedrich Bergius beschrieb schon die Elementarschritte der hydrothermalen Carbonisierung

9 HTC II Funktioniert durch Wasserabspaltung aus Kohlehydraten - bei 180 C 200 C - für 4 16 h s - C 6 H 12 O 6 C 6 H 6 O H 2 O C 6 H 2 O+ 5 H 2 O - billig ( ca /kg für Zucker / 70 /ton Bioabfall) - Führt zu nützlichen Nanostrukturen - Mit nützlicher Oberflächenchemie

10 Hydrothermale Carbonisierung : ein exothermer Prozess mit CE 1 C 6 H 12 O 6 40 C, 5 d 2 C 2 H 5 OH + 2 CO KJ/mol 2720 kj C 6 H 12 O 6 40 C, 21 d 3 CH CO kj C 6 H 12 O 6 HTC 200 C, 12 h C 6 H 2 O + 5 H 2 O ca kj

11 Vergleich der HTC mit anderen Biomasse-zu-Energie-Umwandlungstechniken

12 Kohlenstoffe mit verschiedenen Strukturen: (nur aus Glucose/Stärke/Biomasse)

13 Lawinen Modell der Reaktionsfolge H OH HO HO H H O OH H HO - 3 H 2 O O O H H OH Glucose C 6 H 12 O 6 5-HMF C 6 H 6 O 3 Diels-Alder Reactionen zu Phenolen Disproportionierung/Polymerisation zu Polyfuranes Aldol-Kondensationen/ Carbonyl- Shift Reaktionen

14 C-Fingerprints in Kohlenstoff-Festkörper-NMR

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16 Die Art des Kohlenstoffes : In der Hand des Chemikers. (hier: Chimären-Technologie) a) b) 1µm 1µm c) d) Equilibrium concentration on Carbon, qe, mg/g Pure-C 1AcA-C 2AcA-C 5AcA-C 10AcA-C Equilibrium solution concentration, Ce, mg/l 1µm 1µm H O H O H O OH OH HO H H O -3H HO 2 O O H H OH OH H O C COOH HO Rezan Demir Cakan, Niki Baccile, MA,MMT O -H 2 O O OH HO OH -H 2 O O OH HO O OH HO carbonization O OH

17 Kohlenstoff als Treibstoff: mehr als nur Kaminfeuer oder Kohleheizkraftwerk

18 Das Konzept einer Kohlenstoff- Brennstoffzelle Idea dates back to the late 19th century W.W. Jacques 1896 Various approaches, e.g.: Molten hydroxide electrolytes Zesevic et al., Carbon 2004, 42, 1983 Molten carbonate electrolytes Vutetakis et al., J. Electrochem. Soc. 1987, 134, 3027 Cherepy et al., J. Electrochem. Soc. 2005, 152, A80 Peelen et al., J. Appl. Electrochem. 2000, 30, 1389 Solid oxide approach Horita et al., J. Electrochem. Soc. 1995, 142, 2621

19 Indirekte Carbon Brennstoffzelle (ICFC) NEW CONCEPT: 100 C SECONDARY REDOX SYSTEM the oxidation of the carbon source is mediated by a redox active transition metal system HIGH ACTIVATION BARRIER Temperatures of 600 C 1000 C required in direct cells 6H 2 O 3H 2 O + 1.5C 6Fe 3+ 6VO 3H 2+ 2 O Development of an appropriate carbon source. 6H CO 2 6Fe 2+ 6VO 3O + 2 Whitesides et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44,

20 Messungen an Laborzellen Dauerhafte Stromerzeugung (Salzbrücke) 2,5 2,0 I / ma 1,5 1,0 0,5 0,0 HTC-coal Vattenfall lignite RWE anthracite t / s

21 Null-Emissions Strom aus Biomasse Increase of current occurs also for biomassderived coal Results are clearly comparable to the ideal model system glucose Promising concept for the use of biomass as energy source! I / ma 2,8 2,4 2,0 1,6 1,2 0,8 (salt bridge) carbonized grass carbonized orangepeel carbonized glucose t / sec

22 Ein nachhaltiger HTC Prozeß für Batterie-Materialien Maria M. Titirici Rezan Demir Cakan

23 Batterie Leistung.. 6 mal jetzige Technologie, Angewandte Chemie 2008

24 Zucker/Biomasse? Zucker/Stärke ist nachhaltig, aber Nahrung.. geschätzter Preis für C-produkte 0.5 /kg, das ist deutlich unterhalb der Petrochemie/ Ruße Geht das auch mit Abfall-Biomasse? dann: /kg Anwendungen: Straßenbelag, Beton, Bodenverbesserung

25 Was für Biomasse? Agrarindustrielle Bioabfälle : Zuckerrüben (5 Mt) Rapsstroh (20 Mt), Klärschlamm, Faulschlamm ( Mt), Orangenschalen (2 Mt) Kostenschätzung /Tonne selbst ein Industrieland wie Deutschland kann durch seine Landwirtschaft % seiner CO 2 Produktion kompensieren!!!

26 Kiefernnadeln vor der HTC

27 Kiefernnadeln nach HTC

28 Druckertinte aus dem Kompost

29 Chemolysis of Intermediates

30 with Prof. Bechmann/Uni Potsdam

31 Was tun mit so viel Kohlenstoff? 4 km 3 C Klassisch: Verbrennung High-tech: Industrieller Rohstoff wegwerfen: Bodenverbesserer

32 Jenseits der Chemie: Was man mit so viel Kohlenstoff tun kann: wegwerfen!! (und so eine Kohlenstoff-Senke erzeugen) terra preta dos indios erzeugt Fruchtbarkeit (e.g.: Bruno Glaser, Johannes Lehmann) -WertderCO 2 -Entsorgung: $ /t (Intergov. Panel of Climate Change), im Moment 20 $/ t europäischen CO 2 -Börse 70 $/t Carbon

33 Terra Preta: Jahre alt - ca. 10 % von Amazonien Jhd. Millionen Menschen, heute bis 20 m mächtig, z. T. Hügel - auch ohne Düngung fruchtbar - mehrfacher Ertrag - Zusammensetzung: Holzkohle, Algen, Abfällen/Asche, Exkremente, Tonscherben...

34 Terra Preta in Bildern www. biochar-international.org

35 klassisches reaction engineering Bilder: Dank an Dr. Heiko Pieplow

36 Herstellung von Kohlenstoff - Schwämmchen Ganz klein: keine Erinnerung an die Bio-Textur

37 Pine Cone Pine Needles pine cone hydrothermally treated 200C pure pine cone from Markus garden pine needles hydrothermally treated pine needles markus garden Volume ( ml/g) Volume (ml/g) ,2 0,4 0,6 0,8 1 Relative pressure (P/Po) 0 0 0,2 0,4 0,6 0, Relative Pressure (P/P0) 180 Straw Straw hydrothermally treated at 200C Oak tree leaves 160 pure straw from Cecile s rabit 90 oak leaves hydrothermally treated oak leaves from markus garden Volume ( ml7g ,2 0,4 0,6 0,8 1 Relative pressure P/P0 Volume (ml/g) ,2 0,4 0,6 0, Relative pressure P/P0

38 Eine mutige Vision: (Hydrothermale) Karbonisierung und Terra Preta als ein aktives Element des CO 2 -Zyklus Fruchtbarkeit und biologischer Mehrwert Daneben: Carbon materials und Treibstoffe 2 Millionen Maschinen in einer dezentralen Weise (5000 T Humus/year, 1 /10 km 2 Wohl neben Kläranlagen und Reststoffhöfen Klima Management anstelle von Klima-Verbrauch

39 Biomasse- Verkohlung Carbon Solutions /Kleinmachnow

40 Zusammenfassung Hydrothermale Carbonisierung - gut für Abfall Biomasse - Kohlenstoff Nanostrukturen mit interessanter Oberflächenfunktionalität - Chemie noch viel Potential - einfache und preiswerte Verdichtungstechnologie, mit der sich zumindest große Teile des CO 2 - Klimaproblems behandeln lassen - inhärent dezentrale Technologie, gut für Landwirte und Gemeinden, und Schüler!!!!

41 Für die Zukunft: man darf ruhig Negativ denken!

42 Danksagung: Dr. Maria Magdalene Titirici - Dr. Philipp Adelhelm, Niki Bacille, Rezan Demir Cakan, Li Zhao Dem ENERCHEM Projekt der MPG und den vielen externen Kooperationen