Nutzung von CO 2 in fossilen Energieumwandlungskreisläufen 13. Brandenburger Energietag. K. Büker Cottbus, 15. September 2011

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1 Nutzung von CO 2 in fossilen Energieumwandlungskreisläufen 13. Brandenburger Energietag K. Büker Cottbus, 15. September 2011

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3 Mehr als von Uhde gebaute Anlagen auf allen Kontinenten. Düngemittel Salpetersäure Raffinerien Aromaten 130 Anlagen 185 Anlagen 380 Anlagen 75 Anlagen Wasserstoff, Ammoniak, Methanol Organische Chemie/Petrochemie Kunststoffe Polyester / Polyamid 120 Anlagen 375 Anlagen 115 Anlagen 400 Anlagen Elektrolyse Kokereitechnik Tanklager Andere Industrieanlagen 150 Anlagen 500 Anlagen 105 Anlagen 150 Anlagen 3

4 Gliederung Emissionen Innovationsphasen CO 2 -Technologien Chemische Produkte aus CO 2 - Ammoniak/Harnstoff - Methanol - Methan Zusammenfassung 4

5 Gliederung Emissionen Innovationsphasen CO 2 -Technologien Chemische Produkte aus CO 2 - Düngemittel - Methanol - Methan Zusammenfassung 5

6 Emissionen Quelle: IPCC 2007 Synthesis Report 6

7 CO 2 -Emissionen Kraftwerke Zementproduktion 0,7-0,8 t CO 2 / MWh ~12 Mrd. t CO 2 / a 0,6-1,0 t CO 2 / t Zement ~2 Mrd. t CO 2 / a Stahlherstellung Chemische Industrie 1,2-1,5 t CO 2 / t Stahl ~2 Mrd. t CO 2 / a ~3 Mrd. t CO 2 / a 7

8 Gliederung Emissionen Innovationsphasen CO 2 -Technologien Chemische Produkte aus CO 2 - Ammoniak/Harnstoff - Methanol - Methan Zusammenfassung 8

9 Innovationsphasen CO 2 -Technologien Quelle: CO 2 -Studie für BMWi, FZ Jülich, März

10 Gliederung Emissionen Innovationsphasen CO 2 -Technologien Chemische Produkte aus CO 2 - Düngemittel - Methanol - Methan Zusammenfassung 10

11 Chemische Produkte Anthropogene CO 2 -Produktion beträgt jährlich ca. 30 Mrd t (2010) Davon stoffliche Nutzung 140 Mio t (0,4%) 120 Mio t als Rohstoff 20 Mio t als Industriegas Harnstoff 150 Mio jato (110 Mio t CO 2 ) Methanol 40 Mio jato (ca. 3 Mio t CO 2 ) Organische Carbonate 0,08 Mio jato (0,04 Mio t CO 2 ) Acetyl-Salizylsäure 0,07 Mio jato (0,03 Mio t CO 2 ) Quelle: BMWi, Studie FZ Jülich & RWTH Aachen, März

12 Gliederung Emissionen Innovationsphasen CO 2 -Technologien Chemische Produkte aus CO 2 - Ammoniak/Harnstoff - Methanol - Methan Zusammenfassung 12

13 Grundlagen Ammoniak- und Harnstoff-Synthese Reaktionsgleichung NH 3 -Synthese N H 2 2 NH 3 H = - 46,2 kj/mol NH 3 Prozessbedingungen NH 3 -Synthese Temperatur C Druck bar Katalysator NH 3 -Synthese Hochporöses Eisen mit Zuschlägen (Vorstufe ist Magnetit) Harnstoff-Synthese nicht-katalytische Umsetzung von NH 3 und CO 2 bei ca. 150 bar und 180 C 13

14 Ammoniak und Harnstoff aus Windstrom (70 tato NH 3 bzw. 120 tato Harnstoff aus 30 MW Leistung) Mittlere/Hohe Leistung: Umwandlung von Windstrom in Ammoniak Wasserstoff Synthesegas Windstrom Elektrolyse Stickstoff CO 2 NH 3 -Synthese Harnstoff-Synthese Harnstoff-Granulat 564 kg NH kg CO kg Harnstoff 14

15 Uhde NH 3 -/Harnstoff-Anlage (Saskferco Products Inc., Kanada) 15

16 Gliederung Emissionen Innovationsphasen CO 2 -Technologien Chemische Produkte aus CO 2 - Ammoniak/Harnstoff - Methanol - Methan Zusammenfassung 16

17 Grundlagen Methanolsynthese Heute akzeptierter Mechanismus der Methanolsynthese: CO H 2 CH 3 OH + H 2 O H = - 49,5 kj/mol Wassergas-Shift-Reaktion (WGS) CO + H 2 O CO 2 + H 2 H = - 41,1 kj/mol Gesamtprozess CO + 2 H 2 CH 3 OH H = - 90,6 kj/mol 17

18 Prozessbedingungen Methanolsynthese Hinreichende Kat-Aktivität vs. Gleichgewichtslimitierung legt Temp. fest Prozesstemperatur C Erhöhter CO-Partialdruck steigert Umsatz: Prozessdruck bar Unvollständiger Umsatz macht Kreisgasführung erforderlich CO-Umsatz ca. 6 8% pro Reaktordurchgang 18

19 Methanolsynthese Katalysator Cu-Zn-Al-Oxid Raumzeitausbeute ca. 700 g MeOH / kg Kat * h 19

20 Methanol-Synthese direkt aus CO 2 und Elektrolyse-Wasserstoff Pro t MeOH werden benötigt 1,4 t CO 2 ( 700 Nm 3 ) 0,2 t H 2 (2100 Nm 3 ) Pro t MeOH können 0,56 t Wasser entstehen Anpassung Katalysator/Prozess an reine CO 2 -Fahrweise Anlage muss auf Lastwechsel ausgelegt werden Investkosten u.a. abhängig von der geforderten Reinheit des Methanols 20

21 Methanol-Syntheseloop 21

22 Uhde Methanol-Anlage (350 tato) 22

23 Gliederung Emissionen Innovationsphasen CO 2 -Technologien Chemische Produkte aus CO 2 - Ammoniak/Harnstoff - Methanol - Methan Zusammenfassung 23

24 Grundlagen Methan-Synthese (Synthetic Natural Gas) Reaktionsgleichungen (Sabatier, 1902) CO + 3 H 2 CH 4 + H 2 O H = - 206,2 kj/mol CO H 2 CH H 2 O H = - 165,0 kj/mol Reaktion extrem exotherm T-Erhöhung beträgt 60 C / Vol.% CO 2 Wassergas-Shift-Reaktion (WGS) CO + H 2 O CO 2 + H 2 H = - 41,1 kj/mol 24

25 Prozessbedingungen Methanisierung Zusammensetzung Feed-Gas 20 Vol.% CO 2 / 80 Vol. % H 2 Zusammensetzung Produkt-Gas (ohne Wasser) 90% CH 4 / 5 Vol. CO 2 / 5 Vol. % H 2 (Einspeise-Spezifikation!) Prozesstemperaturen C 25

26 Katalysatoren für die Methansynthese Katalysator Nickel auf Alumina-Träger mit verschiedenen Promotoren Ruthenium auf Alumina (spez. Anwendungen) Raumzeitausbeuten ca. 600 g CH 4 / kg Kat * h -1 26

27 SNG-Synthese direkt aus CO 2 und Elektrolyse-Wasserstoff Pro t SNG werden benötigt 2,7 t CO 2 (1400 Nm 3 ) 0,5 t H 2 (5600 Nm 3 ) Pro t SNG entstehen 2,2 t Wasser Anpassung Katalysator/Prozess an große Temperaturspanne Anlage muss auf Lastwechsel ausgelegt werden 27

28 Dakota Gasification Company (4,3 Mio m 3 SNG pro Tag) 28

29 Gliederung Emissionen Innovationsphasen CO 2 -Technologien Chemische Produkte aus CO 2 - Ammoniak/Harnstoff - Methanol - Methan Zusammenfassung 29

30 Einsatz Nutzung von CO 2 in fossilen Energiewandlungskreisläufen Zusammenfassung Regenerative Energie Redox-Flow-Speicher Stromnetz + N 2 Ammoniak + CO 2 direkt indirekt Stofflich Harnstoff Wasser- Elektrolyse H 2 + CO 2 Methanol direkt indirekt GuD-Turbine O 2 Mobilität + CO 2 Fossile Methan Energie Quelle: CO 2 -Studie für BMWi, FZ Jülich, März Gasnetz