Forschungs- und Entwicklungsbedarf für eine CO 2 -arme Kohlechemie

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1 Institut für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen Professur EVT Forschungs- und Entwicklungsbedarf für eine CO 2 -arme Kohlechemie Symposium: CO 2 -arme stoffliche Nutzung von Braunkohle Eine Perspektive mit Zukunft! 11. März 2015 in Freiberg Prof. Dr.-Ing. B. Meyer

2 Energiewende für die Stromerzeugung Fossile Energieträger ΔE fossil Substitution ΔE erneuerbar Effizienz, Flexibilisierung Netze, Speicher, Biomasse Stromerzeugung 2014 Ziel #%# 26#%# 74#%# 80#%# Erneuerbare Energien EE kohlenstoffintensive Stromerzeugung Zeit CO 2 -arme Stromerzeugung 2

3 Kohlenstoffquellen für die chemische Industrie 21,6 Mio. t (2011) C-Menge fossil + biogen Erdöl, Erdgas, Kohle Substitution ΔC fossil Erweiterung der C-Basis für die Chemie durch neue Kohlechemie C-Menge fossil + NAWARO/sekundär/CO 2 2,7 Mio. t NAWARO NAWARO sekundäre Rohstoffe CO 2 Zeit 3

4 Entwicklungsleistungen aus Deutschland 1811 Erste Gaslaterne in Deutschland (Lampadius) 1952 BHT-Verkokung (Bilkenroth & Rammler) 1832 Teerchemie (Runge) 1904 Koksofenkonstruktionen (u.a. Koppers) 24 Festbettdruckvergaser (Schwarze Pumpe) 1922 Industrielle Wachsextraktion (Romonta) 1927 erster Lurgi- Spülgasschwelofen Ölkrise Ölkrise Hydrierende Kohlevergasung (Rheinbraun) GSP-Vergaser (Siemens 200 MWth) Verflüssigung Steinkohle (Bergius) 1935 Kohledruckvergasung (Stadtgaserzeugung) HTW-Demoanlage Ammoniaksynthese (Haber & Bosch, NP 1918) Chemische Hochdruckverfahren (1931 NP Bergius & Bosch) Prenflo-Flugstromvergaser Uhde, 500 MWth 1923 Methanolsynthese 1927 Kohlehydrierung in Leuna Neuer Bandextraktor zur Wachextraktion (Romonta) 1925 Fischer-Tropsch-Synthese 1926 erstes Wirbelschichtverfahren (Winklergenerator) Fünf SFG 500 MWth in China (Siemens FGT) 4

5 Technologien der Kohleveredlung Hydrierung Direktnutzung (Bodenverbesserung) Hydrierende Vergasung (SNG) Braunkohle Extraktion Katalytische Spaltung (z. B. Aromaten) Physikalisch (Wachse) Reaktivextraktion Methanol Fischer-Tropsch Vergasung (Synthesegas) Pyrolyse Schwelung (Teer) Verkokung (Koks) 5

6 Absenkung der CO 2 -Emissionen bei der Kohlenutzung Heute Energetische Kohlenutzung CO 2, in % C 1 H 1,32 O 0,31 + 1,17 O 2 à CO 2 + 0,65 H 2 O 100 Morgen Stoffliche Kohlenutzung (konventionell, ohne EE) C 1 H 1,32 O 0,31 + 0,44 O 2 + 0,41 H 2 O à 0,46 CO 2 + 0,46 CH 3 OH + 0,08 CH x O y * einschließlich der CO 2 Emissionen durch Strom für Hilfsanlagen (LZA) 56* Zukunft Stoffliche Kohlenutzung, mit EE C 1 H 1,32 O 0,31 + 0,44 O 2 + 1,45 H 2 à 0,1 CO 2 + 0,89 CH 3 OH + 0,01 CH x O y EE-H 2 à CO-Shift nicht erforderlich EE-O 2 à Luftzerlegung nicht erforderlich 10 Stoffliche Kohlenutzung, mit EE C 1 H 1,32 O 0,31 + 0,83 H 2 O + 0,65 H 2 à 0,06 CO 2 + 0,91 CH 3 OH + 0,03 CH x O y EE-H 2 à CO-Shift nicht erforderlich Allotherme Vergasung mit EE-Einkopplung 6 Daten: Eigene Berechnungen mit Aspen Plus Mitteldeutsche TBK (aschefrei, 12 % Wassergehalt), 1400 C, 40 bar mit summarischem Term für Nebenströme, z.b. Purgegasströme, Quenchwasser, Abwasserströme Erläuterungen: EE-H 2, EE-O 2 Bereitstellung von H 2 und O 2 durch Wasserelektrolyse mit EE-Strom Allotherme Vergasung Einsatz von elektrothermischen Verfahren zur EE-Stromeinkopplung (z.b. Mikrowellen) 6

7 Verkürzung der Prozesskette durch Nutzung erneuerbarer Energien Bypass Sauergas CO 2 Kohle Vergaserinsel Druckwasser* wäsche CO*Shift Sauergas* wäsche Synthese Speicher* brennstoff O 2 Luftzerlegungs* anlage Sauergas CO 2 Kohle Vergaserinsel Druckwasser* wäsche Sauergas* wäsche Synthese Speicher* brennstoff O 2 H 2 Elektrolyse Wasser 7

8 Beispiel: Rohstoff- und Produktcharakterisierung der thermisch-chemischen Wandlung Molekulare Ebene Massenspektrometrie (FT-ICR-MS) Chromatographie (GCxGC Unterscheidung von Isomeren) 1. Instrumentelle Analytik à Struktur-Eigenschafts- Korrelationen 2. Modellierung à Vorhersage Konversionsverhalten 3. Validierung an Technikumsanlagen 4. Pilotanlagen für neue Technologien Strukturelle Ebene (Organik, Anorganik, Bindungen): ETV EA, IA, ICP-OES, RFA, IR, Raman, NMR, GC, LC, MS 8

9 Instrumentelle Analytik à Struktur-Eigenschafts-Korrelationen molekular Massenspektrometrie (FT-ICR-MS) Einzelverbindungen strukturell 2D-Gaschromat. Verbindungsklassen strukturell ETV Elementfreisetzung makroskopisch Petrographie Mazerale 9

10 Validierung an Technikumsanlagen Hochdruckvergasung (KIVAN) Zirkulierende Wirbelschicht (COORVED) Druckpyrolyse (PYMEQ) 10

11 Pilotanlagen für neue Technologien Partialoxydation flüssiger und gasförmiger Einsatzstoffe bei Drücken bis zu 100 bar (HP POX ) Neues Verfahren zur Erzeugung von hochoktanigem Benzin aus Synthesegas (STF) Schlackebadvergasung fester Einsatzstoffe (BGL-Vergaser) 11

12 Verstetigung von Lehre und Forschung in Freiberg Lehre ab 2016 neuer internationaler Masterstudiengang: Fuel processing Studiengang Energieverfahrenstechnik Bachelor/MasterEVT, DiplomEVT Forschung Strukturbildung Institutionelle Großforschung Technikfolgenabschätzung Energie-Rohstoff-Netzwerk DBI:bergakademie Weiterbildung Gasification Cources Internationale Leittagung IGCC & XtL 2020-Konsortium IIC Industrieforschung (HP-POX, COORVED, STF, SBV... ) Helmholtz-Zentrum für Ressourcentechnologie BMBF-Großprojekte (ZIK, DER, ibi) IEC: Thermochemische Konversion, Mineralstoffsysteme, Low-Carbon- Technologien, CFD-Modellierung, Prozesskettenentwicklung, Synthesegastechnologien

13 DBI:bergakademie Lagerstätte Gewinnung Aufbereitung Veredlung Recycling Petrographie (Prof. Volkmann) Erkundung & Gewinnung (Prof. Drebenstedt) Mechano-Physikochemische Niedertemperatur- Konversion (Prof. Repke) Thermo-Chemische Niedertemperatur-Konversion (Prof. Meyer, Prof. Kureti) Hochtemperatur-Konversion (Prof. Meyer, n. n. (Prof. Trimis)) Synthesen (Prof. Kureti, Prof. Bertau) Modellierung von HT-Prozessen (Prof. Hasse, Prof. Meyer) Wasserstoff (Prof. D. Meyer) Chemische Strukturaufklärung (Prof. Otto) HT-Werkstoffe (Prof. Aneziris) Energie- und Rohstoffstrategie (Prof. Rübbelke) 13

14 Forschungs- und Entwicklungsbedarf F&E-Bedarf Disziplinen Schwerpunkte Stoff Tieferes Stoffverständnis, Struktur- Eigenschafts-Korrelationen Petrographie, Bergbau, Chemie, Verfahrenstechnik, Analytische Chemie Syntheseleistung der Natur Prozess Tieferes Prozessverständnis, z. T. für extreme Bedingungen Verfahrenstechnik, Chemie, Simulation, Analytische Chemie Endotherme Prozesse, Elektrothermochemie Technologie System Milde Technologien, 3. Generation Vergasung, Elektroenergie-Einkopplung, Vereinfachung von Prozessketten Flexible Stoff-Kraft-Wärme-Kopplung unter Nutzung EE z. B. Polygeneration, Annexkonzepte, Power2Chemicals, stoffgeführte Veredelungsketten Verfahrenstechnik, Maschinenbau, Chemie, Werkstofftechnik, Simulation Bergbau, Verfahrenstechnik, Maschinenbau, Chemie, Werkstofftechnik, Simulation, Analytische Chemie Kosten Effizienz Verfügbarkeit Flexibilität Non-regret-Konzepte Robustheit Zero-Effluent-Systeme 14

15 Neue Kohlechemie Strom H 2 Strom H 2 Niedertemperatur- Prozesse Hochtemperatur- Prozesse Synthesegas Chemikalien Erkundung Gewinnung Aufbereitung Direktnutzung Verbindung von: Trocknung (Reaktiv)Extraktion Katalytische Spaltung Verflüssigung/Hydrierung (Co)Pyrolyse (Co)Verkokung (Co)Vergasung (Kosten, Effizienz, Verfügbarkeit, Flexibilität) Ökologie C-Einbindung statt Freisetzung als CO 2 Ökonomie Wettbewerbsfähigkeit trotz CO 2 -Minderung Sozialem Arbeitsplätze und Wertschöpfung im Land Reinigung Konditionierung (Shift-Reaktion) Katalysatoren endotherme Synthesen SNG, MTBE Öle, Methanol Olefine Ammoniak Oxo- Verbindungen Polymere Paraffine Agrochemikalien (Kraftstoffe) Pharmazeutika... 15

16 Vielen Dank und Glückauf! Zusammen ein Ganzes 16