Aspekte der Energie- und Rohstoffversorgung

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1 Aspekte der Energie- und Rohstoffversorgung aktualisiert:

2 Lehrstuhl TC I Univ.-Prof. Dr. +49(0)201/ (Sekr.) Doktoranden Reaktive Strömungen (CFD-Simulationen großer Feuer) Auslegung chemischer Reaktoren Grundlagen und Berechnungsmethoden der Verfahrenstechnik Markus Gawlowski Iris Vela Peter Sudhoff Kirti B. Mishra Dr. Fawzi Al-Qaessi Laila Abu-Farah Dr. Wolfang Laarz Sicherheit und Risiko in Christian Drame CFD-Simulation verfahrenstechnischen Anlagen eines Poolfeuers

3 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Energiequellen, Primärenergieträger, Energierohstoffe, Rohstoffe für chemische Produkte: Reserven, Ressourcen, Szenarien der Förderung, Reichweiten, Vorkommen 2. Erdöl, Erdgas 2.1 Kraftstoff-Raffinerie und petrochemische Raffinerie 2.2 Thermische Konversionsverfahren (Cracken) In der Kraftstoffraffinerie (Visbreaking, Delayed Coking, Fluid-Coking-Verfahren, Flexicoking-Verfahren) Erzeugung von chemischen h Grundstoffen (Mitteltemperatur-pyrolyse, MTP) Ethen Propen C 4 -Fraktion C 5 -Fraktion Aromaten Erzeugung von Ethin (Hochtemperaturpyrolyse, HTP)

4 Inhaltsverzeichnis Katalytische ti Konversionsverfahren (Catcracking) Fluid-Catalytic-Cracking-Verfahren (FCC) Hydrocracken (Hydrocracking) Reformieren (Reforming) Hydrierung (Hydrotreating) Isomerisierung, Alkylierung, Polymerisation 2.4 Aufarbeitung von Erdgas 3. Kohle Hauptprozesse der chemischen h Verarbeitung Verkokung und Schwelung (Tieftemperaturverkokung) Kohlevergasung Druckvergasung nach Lurgi Winkler-Verfahren Koppers-Totzek-Verfahren Texaco-Verfahren Untertagevergasung (UTG)

5 Inhaltsverzeichnis Kohlehydrierung IG-Verfahren 3.2 Synthesegaschemie (C1-Chemie) Fischer-Tropsch-Synthese Methanol-Synthese Synthetisches Erdgas (SNG) Oxosynthese 3.3 Primärchemikalien auf der Basis Kohle und Erdöl 4. Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe) 4.1 Einleitende Bemerkungen 4.2 Oleochemie 4.3 Kraftstoffe t ff aus alternativen ti Rohstoffen 5. Perspektiven & Folgerungen 6. Ausgewählte Literaturhinweise

6 1 Einführung Rohstoffe (Grundstoffe) haben zwei Funktionen: Energieträger (Energierohstoffe) Rohstoffe für chemische Produkte (Chemierohstoffe) Vorkommen Innerhalb der extrem dünnen (max. 65 km dick) Erdkruste [Hydro-, Bio-, Lithosphäre] hä sowie der etwa gleich dünnen Lufthülle (Atmosphäre, 1 % des Erdradius). Primäre Energiequellen: Sonnenenergie (gespeichert in den fossilen Rohstoffen) Gezeitenenergie Geothermie

7 1 Einführung Kohlenstoff (C) ist in Form von Biomasse ein chemischer h Energiespeicher für die solare Strahlung: 6 CO H 2 O + h C 6 H 12 O O 2, H R = 2802 kj/mol Glukose Wenige von der Geschichte Auserwählte (insbes. die Länder der 1. und 2. Welt) nutzen die Vorteile der leichten Energiebeschaffung. Dagegen müssen alle Lebewesen die Nachteile (insbes. Umweltverschmutzung, Klimaänderung, Verlust von Lebensräumen und der Artenvielfalt) ertragen.

8 1 Einführung Zur Zeit wird so viel Erdöl/a verbraucht, wie erdgeschichtlich in 10 6 a gebildet wurde. Welterdölproduktion e o [10 6 barrel/d]: 10 (1935), 79( (2007) Preiswertes Erdöl steht nur wenigen Generationen zur Verfügung: die erste größere Ölquelle wurde von Drake in Pennsylvania 1859 erschlossen. Die Gesamt-Ölrechnung von Deutschland liegt (Mitte 2008) bei 45 x 10 9 /a mit stark steigender Tendenz. Dieses Kapital steht dem heimischen Arbeitsmarkt nicht zur Verfügung. g

9 1 Einführung Erdölförderung nach der derzeitigen Technologie erreicht in wenigen Jahren das Maximum (ca barrel/d, s. Folie 18). Zunehmend mehr Förderregionen haben ihr Fördermaximum bereits überschritten. Zum Abbau von Ölsanden ( 13 % Bitumen, 87 % Sand) in Venezuela ( 1.8 x Barrel Bitumen) und in Kanada ( 1.7 x Barrel Bitumen) sind hohe Investitionskosten von 40 x 10 9 erforderlich, wegen der aufwändigen Förder- und Aufbereitungstechnologien. g Die durch das Fördermaximum sich abzeichnende Versorgungslücke könnte zu schwerwiegenden Verwerfungen in der Weltwirtschaft führen.

10 1 Einführung Verteilungskampf (Ressourcenkriege?) um die noch verfügbaren Erdölvorräte könnte zu (stets größeren) wirtschaftlichen Engpässen führen. Einen Ausweg bieten alternative fossile Rohstoffe (jedoch Klimaproblem): Kohle (Reichweite: mehrere 100 a; s. Folie 24 Kohleveredlungstechnologien existieren) Erdgas (Reichweite: etwas länger als Erdöl; s. Folie 24 Erdgasveredlungstechnologien existieren) Erdgasvorräte (Methanhydrate): liegen geographisch ungünstig, in Permafrostgebieten, Kontinentalhängen der Ozeane oder der Tiefsee. Erschließbarkeit noch ungeklärt.

11 1 Einführung Regenerierbare (nachwachsende) Rohstoffe (Biomasse) Im Prinzip keine Probleme mit Reichweite, jedoch müssen neue Prozesstechnologien entwickelt werden, um Grundstoffe aus Erdöl substituieren zu können; Einsatz von Biomasse, die auch als Nahrungsmittel verwendbar ist, sollte als sehr problematisch betrachtet werden. Menschheitsgeschichte wurde zu allen Zeiten wesentlich bestimmt von den Rohstoffen, deren Verfügbarkeit, Fördertechnologie und Preisstruktur (s. Folie 9).

12 1 Einführung

13 1 Einführung

14 1 Einführung

15 1 Einführung Konventionelles Erdöl Nicht-konventionelles Erdöl Erdöl (mit einer Dichte von g/cm 3 ) Schweröl ( g/cm ) NGL Natural Gas Liquids (< 0.8 g/cm 3 ) Schwerstöl( 1.0 g/cm 3 ) Ölsande Ölschiefer Synthetisches h Erdöl (aus Erdgas gas to liquid oder Kohle)

16 1 Einführung

17 1 Einführung

18 1 Einführung

19 1 Einführung

20 1 Einführung

21 1 Einführung

22 1 Einführung Gt 1Giga(G)=

23 1 Einführung Weltförderung und Szenarien von konventionellem Erdöl

24 1 Einführung

25 1 Einführung

26 1 Einführung

27 1 Einführung 1 Tera (T) = 10 12

28 1 Einführung

29 1 Einführung Reserven [t] Förderung [t/a] = Reichweite [a]

30 1 Einführung

31 1 Einführung

32 1 Einführung 1 Exa (E) = 10 18

33 1 Einführung 1 Peta (P) = Primärenergieverbrauch i (PEV) 1 Exa (P) = Deutschland: 4 PWh (2007) weltweit: 129 PWh (2007) Sonne: 1750 EWh = PWh

34 1 Einführung

35 2 Erdöl, Erdgas 2.1 Kraftstoff-Raffinerie und petrochemische Raffinerie

36 2 Erdöl, Erdgas

37 2 Erdöl, Erdgas

38 2 Erdöl, Erdgas

39 2 Erdöl, Erdgas Raffinerie Godorf (2003)

40 2 Erdöl, Erdgas Steamcracker Singapore

41 2 Erdöl, Erdgas 2.22 Thermische Konversionsverfahren (Cracken) In der Kraftstoffraffinerie (Visbreaking, Delayed Coking, Fluid-Coking-Verfahren Verfahren, Flexicoking-Verfahren)

42 2 Erdöl, Erdgas

43 2 Erdöl, Erdgas

44 2 Erdöl, Erdgas Erzeugung von chemischen Grundstoffen Mitteltemperatur-pyrolyse, MTP)

45 2 Erdöl, Erdgas A: Wasserqencher (0.1s, 400 C); B: Ölqencher; C: Ölwaschkolonne; D: Kolonne

46 2 Erdöl, Erdgas

47 2 Erdöl, Erdgas Ethen

48 2 Erdöl, Erdgas Propen

49 2 Erdöl, Erdgas C-Fraktion 4

50 2 Erdöl, Erdgas C-Fraktion 5

51 2 Erdöl, Erdgas Aromaten

52 2 Erdöl, Erdgas

53 2 Erdöl, Erdgas

54 2 Erdöl, Erdgas Erzeugung von Ethin (Hochtemperaturpyrolyse, HTP)

55 2 Erdöl, Erdgas Katalytische Konversionsverfahren (Catcracking) Fluid-Catalytic-Cracking-Verfahren (FCC)

56 2 Erdöl, Erdgas Hydrocracken (Hydrocracking)

57 2 Erdöl, Erdgas Reformieren (Reforming)

58 2 Erdöl, Erdgas Hydrierung (Hydrotreating)

59 2 Erdöl, Erdgas 2.4 Aufarbeitung von Erdgas

60 3 Kohle 3.1 Hauptprozesse der chemischen Verarbeitung Verkokung und Schwelung (Tieftemperaturverkokung)

61 3 Kohle

62 3 Kohle

63 3 Kohle Kohlevergasung [700 C < < 1600 C] *) *) *) *) Vergasungsreaktionen 7.15: Kohleverbrennung 7.17: Wassergasreaktion 7.18: Boudouard-Reaktion 7.19: Konvertierungsreaktion ngsreaktion

64 3 Kohle

65 3 Kohle

66 3 Kohle

67 3 Kohle Druckvergasung nach Lurgi

68 3 Kohle Winkler-Verfahren

69 3 Kohle Koppers-Totzek-Verfahren

70 3 Kohle Texaco-Verfahren Untertagevergasung (UTG) Kohlehydrierung IG-Verfahren

71 3 Kohle 3.2 Synthesegaschemie (C1-Chemie)

72 3 Kohle Fischer-Tropsch-Synthese

73 3 Kohle Methanol-Synthese Synthetisches Erdgas (SNG) Oxosynthese 3.33 Primärchemikalien auf der Basis Kohle und Erdöl

74 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe) 4.1 Einleitende Bemerkungen Chemische Zusammensetzung der Biomasse ist noch sehr viel komplexer als die von Erdöl. Die Vielfalt der Moleküle ist ganz erheblich größer als die im Erdöl. Diese meist nicht erwähnte Tatsache hat unmittelbare Konsequenzen sowohl auf die erforderlichen Trennoperationen als auch auf die Syntheseprozesse zur Herstellung der bisherigen Produktpalette aus den bioerzeugten Grundstoffen. Zur Erzeugung nachwachsender Biomasse in ausreichender Menge sind sehr große Anbauflächen erforderlich, wobei zahlreiche Unsicherheiten insbesondere infolge langfristiger Bodenqualität (z.b. Zufuhr von Nährstoffen bzw. Düngemittel, Fruchtfolge, ausgeglichene Niederschlagsmengen, Bodenerosion, Missernten z.b. klimabedingt oder durch Schädlingsbefall) zu berücksichtigen sind. Ein wesentlicher Kostenfaktor entsteht für den Energieeinsatz bei Kultivierung, Ernte und Transport der Biomasse sowie Umwandlungsverluste in anschließenden Prozess- schritten.

75 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe)

76 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe) Mit Bioraffinerien soll das riesige pflanzliche Rohstoffreservoir der Natur erschlossen, d. h. in großen Mengen Grundstoffe, insbes. Milchsäure, Glycerin und (Bio)Ethanol erzeugt werden. Die über Fotosynthese natürlich erzeugte Biomasse beträgt viele 100x10 9 t/a. Beispielsweise wächst Cellulose, der Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände, global mit ca. 700x10 9 t/a. Bisher wird hiervon jedoch nur ein geringer Anteil genutzt um Papier, Textilfasern, Verpackungsmaterialien und Dämmstoffe herzustellen. Infolge der Unlöslichkeit von Cellulose in herkömmlichen Lösemitteln war die Verarbeitung sehr eingeschränkt. So mussten zur Herstellung von Viskosefasern für die Textilindustrie der Cellulose teilweise toxische Lösemittel zugesetzt werden, um eine Celluloselösung herzustellen, die spinnfähig ist, wobei eine aufwändige Reinigung der Abwässer und Abfälle erforderlich ist. Die BASF hat in jüngster Zeit ein Verfahren entwickelt, bei dem die Cellulose in einer ionischen Flüssigkeit physikalisch gelöst wird. Mit einer derartigen Celluloselösung lassen sich auch chemische Synthesen durchführen, die bisher nicht möglich waren, wodurch neue Produkte für die Baustoff- und Textilindustrie herstellbar sein sollten.

77 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe) Neben den etablierten chemischen verfahren mit speziell entwickelten Katalysatoren und Lösemitteln wird erwartet, dass in Bioraffinerien auch die sog. weiße Biotechnologie eine wichtige Rolle spielt. Hierbei werden chemische Synthesen in Gegenwart von Enzymen oder Mikroorganismen (Bakterien, Pilzen, Hefen) unter milden Reaktionsbedingungen (i. A. bei etwa Umgebungsdruck und etwa Umgebungstemperaturen) t durchgeführt. Beispiel: biotechnologische Herstellung des Breitband-Antibiotikums Cephalosporin. Mit einem vom FZ-Karlsruhe entwickelten Biomasse-to-Liquid (BTL)- Verfahren lassen sich land- und forstwirtschaftliche Rohstoffe (Stroh u.a. trockene Pflanzenreste) zu Synthesegas (CO/H 2 ) chemisch umsetzen, woraus sich über katalytische Verfahren gezielt flüssige KW und/oder Alkohole als chemische Grundstoffe herstellen lassen.

78 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe) Noch offen ist, welche Rolle die sog. grüne Biotechnologie in einer Bioraffinerie spielt. Beispielsweise hat die BASF eine gentechnisch veränderte Kartoffelsorte Amflora entwickelt, aus der gezielt die für industrielle i Anwendungen erforderliche Stärke gewonnen wird, wie z. B. in der Papier und Textilindustrie Im Unterschied zu den Bioraffinerien, i werden verfahrenstechnisch bisher nur einzelne Bestandteile von Pflanzen, wie insbes. Zucker, Stärke oder Pflanzenöle genutzt zur Herstellung von Lebens- und Futtermitteln oder Biokraftstoffen

79 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe) 2.2 Fbf: nutzbare Landfläche pro Mensch davon: 1 Fbf (7140 m 2 ): für landwirtschaftl. Produktion 1 Fbf: für Wohnen, Wirtschaften, Verkehr, Erhaltung der unberührten Umwelt

80 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe) Globale Flächenbilanzen für unterschiedliche UN-Szenarien zur Weltbevölkerung

81 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe) Grenzen / Nachteile der großtechnischen Nutzung von Biomasse heben die ökologischen (inhärenten) Vorteile zumindest teilweise auf: Umweltbelastung infolge des großflächigen Anbaus einiger weniger Pflanzen (Monokultur) wie insbes. Mais, Raps und Zuckerrohr. Abnahme der Biodiversität. Beispiele: Abholzung von Regenwäldern oder Brandrodungen um Palmölplantagen anzulegen, Sojabohnen anzubauen oder Rinderaufzucht zu betreiben Erstellung umfassender Ökobilanzen bzw. globaler Bilanzen, die die gesamten Umweltauswirkungen (durch Düngemittel), den Energieverbrauch sowie die Schadstoffemission bei Anbau, Transport und Verarbeitung der Biomasse behandelt (s. Folien 74, 75).

82 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe) Photovoltaik ist derzeit um den Faktor 30 bis 40 effizienter i als Energiepflanzenanbau Verschärfung von Nutzungskonflikten, wenn Biomasse, die auch als Nahrungsmittel dient, von der (petro)chemischen Industrie verstärkt eingesetzt wird. Beispiel: Mais wird zunehmend zu Biokraftstoff verarbeitet (s. Folien ).

83 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe) 4.1 Einleitende Bemerkungen

84 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe) 4.1 Einleitende Bemerkungen Tabelle: Vergleich von Kraftstoffen und Eigenschaften, DK: Dieselkraftstoff, RME: Rapsölmethylester

85 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe) 42Ol 4.2 Oleochemie Rohstoffe und Raffination Ursprünglich: Herstellung von Seifen aus Ölen und Fetten. heute: Neben Waschmittelrohstoffen eine Vielzahl von Zwischenprodukten und speziellen Derivaten zur Herstellung von Nahrungsmitteln, Kosmetikprodukte, Kunststoffe, Brennstoffe (Biodiesel), Schmierstoffe

86 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe)

87 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe) 42Ol 4.2 Oleochemie Rohstoffe und Raffination Öle und Fette sind Triglyceride, d. h. Ester aus Glycerin und unterschiedlich langen, geradkettigen Fettsäuren. Haupt-Rohstoffquellen sind: Talg, Raps-, Palm-, Sonneblumen- und Sojaöl mit längerkettigen Fettsäuren (C 16 /C 18 bis C 22 ) und die sog. Laurics, Kokos- und Palmkernöl mit einem hohen Anteil an C 12 -Fettsäuren. Infolge von störenden Begleitstoffen ( Verunreinigungen ) sind erforderlich: chemische Raffination (alkalische Entsäuerung, d. h. Entfernung von freien Fettsäuren, Phospholipide, Farbträger)

88 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe)

89 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe) physikalische Raffination (Abtrennung freier Fettsäuren durch Wasserdampf-Destillation). Umweltbelastung geringer alternative Raffination (Abtrennung der freien Fettsäuren durch Veresterung mit Methanol)

90 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe) Fettsäuren und Fettsäuremethylester Abb. Fettspaltung (Hydrolyse) mit Glycerinextraktion zur Herstellung von Fettsäuren sowie Fettsäuremethylester

91 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe) Methanolyse (Umesterung) von Fetten und Ölen Abb. Methanolyse, Umesterung der Triclyceride mit Methanol a) Blockfließschema

92 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe) Methanolyse (Umesterung) von Fetten und Ölen Abb. Methanolyse, Umesterung der Triclyceride mit Methanol b) Reaktordesign

93 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe) Fettalkohole Abb. Herstellung von Fettalkoholen durch Hydrierung von Fettsäuremethylester

94 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe) Tenside Tenside sind die wichtigsten fettchemischen Produkte. Anwendungen: Wasch- und Reinigungsmittel sowie Kosmetika; Pharmazie; im Bergbau; in Nahrungsmittel; Bauindustrie; Hilfsmittel bei der Herstellung von Fasern, Textilien, Leder, Papier, Kunststoffe. Arten von fettchemischen Tensiden Ampho- und Kationentenside [mengenmäßig < 10%] nichtionische Tenside (z.b. APG oder Fettalkoholethoxylate) [1/3 der Weltproduktion] Anionentenside (insbes. Seife als das weltweit am stärksten verbreitete fettchemische e e Tensid sowie die Fettalkoholsulfate o ate (R O SO 3 Na) Fettalkoholethersulfate (R [CH2 CH2 O] n SO3 Na) mit den größten Zuwachsraten und die Alkylbenzolsulfonate [weltweit größte Gruppe].

95 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe) Alkylpolyglucoside yp yg (APG) Als Kohlenhydrat-Rohstoffe gewinnen nachwachsende Rohstoffe wie Zucker (wasserfreie Glucose, Glucose-Monohydrat, Glucosesirup) oder technische h Stäk Stärke (z.b. Kartoffelstärke) täk stark zunehmend an Bedeutung. Die Glucosidierung kurzkettiger Alkohole (bis etwa n-butanol) erfolgt relativ einfach als säurekatalysierte Reaktion von Glucose mit dem entsprechenden Alkohol unter Wasserabspaltung nach der Fischer- Synthese, wobei Acetale entstehen. Direkte Umsetzung von Glucosesirup oder Stärke mit langkettigen Fettalkoholen ist nicht möglich.

96 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe) Alkylpolyglucoside (APG) Abb. APG Herstellung aus Glukose oder Stärke (Blockfließschema)

97 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe) Fettalkoholsulfate und Fettalkoholethersulfate Abb. SO 3 -Sulfierung und Neutralisation von Fettalkoholen und Fettalkoholethoxylaten zur Herstellung von Fettalkoholsulfaten und ethersulfaten (Blockfließschema)

98 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe) Fettalkoholsulfate und Fettalkoholethersulfate Abb.: Rohrbündel-Fallfilmreaktor der Gas-Flüssigkeits- Sulfierung; 1 bis 180 Rohre (Rohstofffilm auf innerer Mantelfläche) mit d = 2.5 cm und L < 8 m; SO 3 -Gleich- strom möglichst isotherm; sehr kurze Verweilzeit und sehr kurze -verteilung

99 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe) 4.3 Kraftstoffe aus alternativen Rohstoffen Synthetische Kraftstoffe Abb.: Herstellung von synthetischen KW s (ca t/a) aus unterschiedlichen Rohstoffen über die Fischer-Tropsch-Synthese h (FTS). Interesse von Auto- und Motorherstellern: Synthetische Kraftstoffe bzw. Designer -Kraftstoffe

100 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe) 4.3 Kraftstoffe aus alternativen Rohstoffen Synthetische Kraftstoffe Tab.: Spezielle Bedingungen der FTS

101 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe)

102 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe) Hu : energetischer Wirkungsgrad (chem. Energie im Produkt/chem. Energie im Rohstoff; Gesamtenergieausbeute)

103 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe) Abb. Energetische Wirkungsgrade bei Einsatz unterschiedlicher Rohstoffe

104 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe) Tab.: Als Alternative zur FTS wird ein Syntheseweg über Methanol und kurzkettige Alkene zu längerkettigen (flüssigen) KW vorgeschlagen (MtSynfuel) Dimethylether (DME): mögliche synthetische ti h Kraftstoffkomponente t ffk t

105 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe) Biokraftstoffe Gülle bakteriell CNG Otto-M Abb.: Erzeugung von Biokraftstoffkomponenten t ffk t aus Biomassen; ETBE: Ethyl-tert.- t t butylether; FAME: Fatty-Acid-Methyl-Ester; CNG: Compressed Natural Gas (Biogas)

106 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe) Biokraftstoffe Abb.: Integration von Pflanzenöl- und Ethanol-Komponenten sowie von synthetischen KW Komponenten (FT-Wachs und Pyrolyseöl/Koks/Slurry-Komponenten aus Biomasse in Erdöl-Raffinerien; i BTL: Biomass-to-liquids; id OK: Otto-Kraftstoff; t ff DK: Diesel-Kraftstoff; t ff C4-Komponenten werden mit Ethanol mit ETBE verethert)

107 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe) Biokraftstoffe Biokraftstoffe der 1. Generation: Biomasse Pflanzenöle und Kohlenhydrate (konkurrieren mit Nahrungsmitteln) Biokraftstoffe der 2. Generation: organische Abfälle wie z.b. Stroh, Holzreste, Altholz, Sägerestholz, schnellwachsende h Pflanzen und Holzsorten Potentiale und Grenzen 0.5 W/m 2 : Mittlere Nettoproduktivität; Biomasse muss auch dem Bedarf an Nahrungs- mitteln decken und dient zur Wärme- und Stromerzeugung

108 4 Biomasse (nachwachsende pflanzliche Rohstoffe) Potentiale und Grenzen Flächenerträge ä und Energieflussdichten bei der Photosynthese; th H u : Heizwert; ha: Hektar q chem F

109 5 Perspektiven & Folgerungen Die Änderung der Rohstoffbasis ist für die chemische h Industrie keinesfalls etwas Neues Mitte der 60er Jahre des 20. Jahrhunderts war der Rohstoffwandel von Kohle zum Erdöl (endgültig) vollzogen stets wurde bisher eine Innovationswelle sowie ein wirtschaftlicher Aufschwung ausgelöst (s. Folie 9). Heute besteht das Problem darin, die Voraussetzung für einen erneuten Rohstoffwandel zu schaffen: frühzeitig die wissenschaftlichen h und technologischen h Grundlagen hierfür zu entwickeln. Eine extrem harte Randbedingung ist die bis 2050 zu erwartende Welt(Erd)Bevölkerung von 9 x 10 9 Menschen zu berücksichtigen, die einen überproportional ansteigenden Rohstoffbedarf aufweisen werden.

110 5 Perspektiven & Folgerungen Als Beitrag der Problemlösung existieren mehrere Strategien, die in Folgendem kurz erwähnt werden. Es werden die meist nicht erwähnten Annahmen gemacht, dass erstens der derzeitige Lebensstandard der (westlichen) Industrieländer erhalten oder langfristig für alle Menschen erreicht werden soll und zweitens die Anzahl der Menschen nicht wesentlich durch Katastrophen oder Krankheiten abnimmt.

111 5 Perspektiven & Folgerungen Die folgenden Strategien wurden entwickelt für den Fall, dass Erdöl und Erdgas nicht mehr ausreichend zur Verfügung stehen oder extrem teuer sind. Strategie 1 Kohlechemie: über Kohlevergasung zur Herstellung von Synthesegas (CO/H 2 ), s. Folien 58, 60. Aus Synthesegas wird in sehr großen Anlagen (> 1 x 10 6 t/a) CH 3 OH [Lurgis Mega-Methanol-Concept ] hergestellt. Mit neu entwickelten Zeolith- katalysierten Verfahren, wie Methanol-to-Propen (MTP), Methanol-to-Gasoline (MTG), Methanol-to-Olefine (MTO), Methanol-to-Aromatics (MTA) lassen sich die bisher üblichen Grundchemikalien grundsätzlich herstellen.

112 5 Perspektiven & Folgerungen China (2007): Investitionen von 100 x 10 9 bis 2020 in die Kohlechemie zum Bau von 7 Kohlechemiezentren. Herstellung von flüssigen KWs (Kohleverflüssigung, d.h. Kohlevergasung, teilweise Kohlehydrierung), Dimethylether (DME), Coal-to- Olefin (CTO) und Methanol. Bis 2020 sind geplant [in 10 6 t/a]: 30 (flüssige KW), 20 (DME), 8 (CTO), 66 (Methanol).

113 5 Perspektiven & Folgerungen Strategie 2 [wann großtechnisch realisierbar?] Nutzung der CO 2 -neutralen pflanzlichen Biomasse: Biomassevergasung zur Herstellung von Synthesegas. Daraus Herstellung von CH 3 OH oder von flüssigen KW über die Fischer-Tropsch- Synthese (s. Folie 67) Biomasseverflüssigung über Decarboxilierung und Dehydratisierung zu flüssigen KW, die in den vorhandenen, kapitalintensiven t i FCC- Anlagen (s. Folie 50), Hydrocracker (s. Folie 51) und Steamcracker (s. Folien 35, 40) weiterverarbeitbar sind. Ein technisch realisiertes Beispiel ist die heterogenkatalysierte, fermentative alkoholische Gärung von Ethanol zur Herstellung von Ethen. Wie erwähnt, müssen noch neue Verfahren entwickelt werden.

114 5 Perspektiven & Folgerungen Strategie 3 [wann großtechnisch realisierbar?] Herstellung von CH 3 OH aus regenerativem Wasserstoff mit CO 2 aus fossilen Kraftwerken, der Bioethanolherstellung oder aus der Atmosphäre. Dann weitere Synthese- reaktionen wie in Strategie 1.

115 5 Perspektiven & Folgerungen Strategie 4 [wann großtechnisch realisierbar? Ernster Konflikt mit Rohstoffen, die auch zur Erzeugung von Nahrungsmitteln einsetzbar sind; s. Folien ] Selektive Umwandlung von Biomasse (nachwachsende Rohstoffe) wie Saccharose, Öle bzw. Fette, Lignin zu CH 4 und weiteren bisherigen Grundstoffen ist weiterzuent- wickeln (s. Folien 98, 100).

116 5 Perspektiven & Folgerungen Strategie 5 [Vision?], s. auch Folien Bioraffinerie: Möglichst vollständige Nutzung aller Bestandteile in Biomasse, zur integrierten Herstellung von: Biobasierten Grundstoffen, Chemikalien, Werkstoffen, Futtermitteln und Nahrungsmitteln sowie Brennstoffen/Kraftstoffen [Bioenergie], s. Folien 69-73

117 5 Perspektiven & Folgerungen Derzeitige Erzeugungsmöglichkeiten von elektrischer Energie: Erdöl/Erdgas/Kohle* (fossile Brennstoffe, nicht CO 2 -neutral) optional mit Kraft-Wärme-Kopplung; el 43 % Bioenergie ** (aus Biomasse,Flächenleistung 2.5 kwh/(m 2 a)) Biogas (aus Gülle) [als Brennstoff, CO 2 -neutral] Abfallholz (z.b. Pellets; Hackschnitzel), Stroh [als Brennstoffe CO 2 -neutral] Photovoltaik (Solarenergie) [CO 2 -neutral], 95 bzw. 143 [in 2050] kwh/(m 2 a) Brennstoffzellen (z.b. H 2 /O 2, CH 3 OH/O 2 ) Windenergie [CO 2 -neutral, partielle Energie] Wasserkraft* [CO 2 -neutral, partielle Energie] Gezeitenenergie** [CO 2 -neutral, partielle Energie] *wirtschaftlich, **teilweise wirtschaftlich

118 5 Perspektiven & Folgerungen Geothermie [CO 2 -neutral,partielle Energie] Kernenergie (nur für Grundlast, keine Kraft-Wärme- Kopplung), [Einzig der Betrieb ist CO 2 -neutral; viele Probleme, insbes. Entsorgung (inkl. Endlagerung, Stilllegung), oft Pannen, Reserven von Uran (s. Folie 24) sind deutlich geringer als von Kohle, Erdöl und Erdgas];Anteile (weltweit) am PEV (s.folie28) 2 %, an Stromerzeugung ~ 17 %; el 35 % Wasserstoff-Technologie [Problem: großtechnische Herstellung von H 2 ] Kernfusionsenergie [es tritt Neutronenstrahlung auf; techn. Realisierung nicht absehbar] Energiemix** z. Zt. ist eine großtechnisch realisierbare Alternative zu Erdöl/Erdgas/Kohle-Kraftwerken Kraftwerken weder absehbar noch gar existent (Energiekrise) **teilweise wirtschaftlich

119 5 Perspektiven & Folgerungen Folgerungen Wettbewerb zwischen energetischer und chemischer Nutzung der Rohstoffe zwingt mittelfristig zu einer Struktur- änderung Wird die Verknappung (seit etwa 1980 wird pro a mehr Erdöl verbraucht als neue Reserven gefunden werden) an Erdöl/ Erdgas und deren erheblicher Kostenanstieg oder der CO 2 - Anstieg in der Atmosphäre eine Strukturänderung herbeiführen? Es gibt Anlass zur Sorge, dass die verbleibende Zeit nicht ausreichen wird, um einen verträglichen Übergang in eine postfossile Welt mit deutlich kleinerem Erdöl/Erdgas Angebot zu organisieren.

120 5 Perspektiven & Folgerungen Möglicher Einsatz von Biomasse erfolgt dezentral mit kleinen Anlagenkapazitäten als Folge der deutlich geringeren Energiedichten (s. Folie 79) Begrenzte Mengenpotentiale an Biomasse infolge begrenzter Photosynthese-Produktivität und Flächenverfügbarkeit [Gesamtwirkungsgrad: ges 0.25% zur Produktion von Biomasse] Photovoltaik: ges 9 % bzw % [in 2050], jedoch derzeit noch zu teuer, sollte nachhaltig etabliert werden Entwicklung von Brennstoffzellen, sollte nachhaltig gefördert werden Biokraftstoffe aus Biomasse ermöglichen keinen einfachen Ersatz von Erdöl.

121 5 Perspektiven & Folgerungen Effizienz bzw. Einsparung von Kraftstoffen sollten in Vordergrund treten. Für die Produktion von 1 kg Rindfleisch i (Schweinefleisch) i h) sind 7 kg (3kg) Futtermittel sowie 900 L Wasser pro kg Futtermais erforderlich und es werden 6.5 kg CO 2 freigesetzt. Für die Produktion von 1 kg Obst werden 0.5 kg CO 2, d.h. um den Faktor 13 weniger CO 2 als bei Rindfleisch, freigesetzt. Der Speiseplan trägt mit 20% zum globalen Energieverbrauch e e bei. Davon entfallen 10% auf Verarbeitung, Handel, Lagerung und Transport sowie 10% auf die Landwirtschaft (z.b. verursacht die Viehhaltung mehr Treibhausgase als der gesamte Transportsektor) Demnach sollten ökologische, pflanzliche, saisonale und regionale Produkte im Speiseplan auftreten.

122 5 Perspektiven & Folgerungen Nutzung von Biokraftstoffen und Bioenergie bleibt vom absoluten Mengenbeitrag begrenzt, kann jedoch zu einer Minderung der CO 2 -Emissionen (s. auch Folie 117) führen. Der Einsatz von Biokraftstoffen der 1. Generation wird jedoch zunehmend problematisch gesehen (s. Folien 102, ).

123 5 Perspektiven & Folgerungen

124 5 Perspektiven & Folgerungen Ist Biokraftstoff der 1. Generation tatsächlich ökologisch vorteilhaft? Großer Zweifel bzw. ernsthafte Kritik an Biokraftstoff der 1. Generation (s. Folie 102) OECD: Ausbau von Biokraftstoff-Herstellung führt zu unhaltbaren Spannungen auf den Rohstoffmärkten, ohne dass bedeutende Vorteile für die Umwelt geschaffen werden. Sachverständigenrat (für Umweltfragen der Bundesregierung): diese Strategie weckt Erwartungen, die wissenschaftlich nicht tragbar sind. Nahrungsmittelkonzern: diese Strategie ist ökologischer Wahnsinn.

125 5 Perspektiven & Folgerungen Ist Biokraftstoff der 1. Generation tatsächlich ökologisch vorteilhaft? Abnahme der Biodiversität (s. auch Folie 76) früher: Sojafelder, (Rinder) Weiden, Baumwollplantagen heute: großflächige Zuckerrohrplantagen (s. Folie 120) Umweltbilanz (s. auch Folien 76, 69) Fossiler Energieersatz für Ernte, Transport, Lagerung und Trocknung sowie für den Einsatz von Düngemitteln und Pestiziden Nutzungskonflikt zwischen Biokraftstoff t ff der 1. Generation und Nahrungsmittel (s. Folien 77, 100) Beispiel: Für die Herstellung von 100 l Biodiesel wären 250 kg Weizen erforderlich. Aus dieser Weizenmenge lässt sich auch 460 kg Brot herstellen. Diese Brotmenge ( 10 6 kcal) wäre ausreichend um einen Menschen ein Jahr zu sättigen. Wasserverfügbarkeit (s. Folie 123)

126 5 Perspektiven & Folgerungen Biokraftstoffe der 2. Generation Derzeit große Hoffnungsträger Die Biokraftstoffe der 2. Generation (s. Folie 102) können die CO 2 - Bilanz ganzheitlich verbessern, was bei Biokraftstoffen der 1. Generation nicht der Fall ist. SunDiesel (wird aus dem gereinigten Synthesegas der Biomasse nach der Fischer-Tropsch-Synthese hergestellt, s. Folie 67) ist eine klare, geruchlose Flüssigkeit, verbrennt ohne Eigengeruch. Dieselmotoren können ohne Modifikationen betrieben werden. Schadstoffausstoß lässt sich um bis zu 50% vermindern. BTL (Biomass-to-Liquid) [s. Folie 72] ist ein biosynthetischer Kraftstoff, herstellbar nach der Fischer-Tropsch-Synthese). BTL ist in jedem Verhältnis mit fossilem Diesel mischbar, enthält keine hochsiedenden Aromaten, greift keine Dichtungen an und setzt keine Partikelfilter zu. zzlässt z.z sich pro ha Agrarfläche 4000 L BTL gewinnen; bei RME (s. Folien 78, 79) 1500 L BTL

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