Entwicklung und Bewertung eines Verfahrenskonzeptes zur Herstellung flüssiger Kohlenwasserstoffe unter Nutzung von CO 2
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- Heiko Lehmann
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1 DLR.de Folie 1 > ProcessNet-Jahrestagung > Daniel H. König > Entwicklung und Bewertung eines Verfahrenskonzeptes zur Herstellung flüssiger Kohlenwasserstoffe unter Nutzung von CO 2 Daniel H. König, Nadine Baucks, Gerard J. Kraaij, Antje Wörner ProcessNet-Jahrestagung Aachen, 01. Oktober 2014
2 DLR.de Folie 2 > ProcessNet-Jahrestagung > Daniel H. König > Inhalt Motivation Verfahrenskonzept Power-to-Liquid Prozessmodel Sensitivitätsanalysen Wärmeintegration Zusammenfassung
3 DLR.de Folie 3 > ProcessNet-Jahrestagung > Daniel H. König > Motivation Fluktuierend erzeugte erneuerbare Energien Saisonale Speicherung Geringe Speicherverluste Flug-, Schiffs-, Schwerlastverkehr Längerfristig auf Kraftstoffe angewiesen Hohe Energiedichte Nutzung bereits vorhandener Infrastruktur Synthetische flüssige Kohlenwasserstoffe Hohe volumetrische Energiedichte Infrastruktur ist vorhanden Einfache Lagerung und Transport Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten (Verkehr, Energie, Industrie)
4 DLR.de Folie 4 > ProcessNet-Jahrestagung > Daniel H. König > Verfahrenskonzept einer nachhaltigen Power-to- Liquid Technologie CO 2 - Abscheidung CO 2 Quellen: Industrie (Zement, Stahl, (Petro-)Chemie) Fossile Energieproduktion Biomasse CO 2 Hochtemperaturreformer RWGS Syngas CO+H 2 Fischer- Tropsch Reaktor Syncrude Produktauftrennung und Upgrading Benzin Kerosin Diesel H 2 Elektrolyse
5 DLR.de Folie 5 > ProcessNet-Jahrestagung > Daniel H. König > Synthesegaserzeugung (RWGS) Reformierung von CO 2 mittels reversen Wasser-Gas-Shift Reaktion CO 2 + H 2 CO + H 2 O ΔH R 0 = 41 kj mol Heterogen katalysierte Reaktion Fischer-Tropsch-Synthese (FTS) Heterogen katalysierte Reaktion an Fe- oder Co-Katalysatoren n CO + 2n H 2 CH 2 n + n H 2 O ΔH 0 R = 152 kj mol Betriebsbedingungen der Niedrigtemperatur-FTS T~225, p~25 bar Erzeugung einer breiten Produktverteilung
6 Massenanteil DLR.de Folie 6 > ProcessNet-Jahrestagung > Daniel H. König > Produktverteilung für verschiedene Katalysatoren Anderson-Schulz-Flory-Verteilung (ASF) für Co-Katalysator x n = α n 1 1 α 3-Parameter-Verteilung* für Fe-Katalysatoren x n = β α 1 n 1 1 α β α 2 n 1 1 α 2 Fe-FTS1 Fe-FTS2 Co-FTS α 1 = 0,74 α 2 = 0,94 α Co; a=0,85 Fe1; a1=0,74 a2=0,94 b=0,97 Fe2; 1 = 0,71 α a1=0,71 a2=0,94 2 = 0,94 b=0,48 α = 0,85 β = 0,97 β = 0,48 gasförmig flüssig fest Kettenlänge C-Atome * vgl. Synthetische flüssige Kohlenwasserstoffe A. Jess
7 DLR.de Folie 7 > ProcessNet-Jahrestagung > Daniel H. König > Prozessfließbildes des Syntheseprozesses LG Externer Recycle Interner Recycle Split CO2 F-4 F-3 Kompressor RWGS FTS F-2 H2O C-2 H2O PEM Elektrolyse Dampf Brenner Syngas LG H2O Gasförmiges Syncrude & nicht-reagierte Gase Wachse F-1 H2O C-1 Wachse H2 H2O Hydrocracker F-5 LG Kondensat -15 C Kondensat 40 C Kondensat 70 C Kondensat 150 C Cracked Benzinfraktion Kerosinfraktion Dieselfraktion Flüssiges Syncrude/Wachse Gecrackte KWS F-7 LG
8 DLR.de Folie 8 > ProcessNet-Jahrestagung > Daniel H. König > Prozessbewertungsgrößen Chemischer Wirkungsgrad Power-to-Liquid Wirkungsgrad η E = m KWS LHV KWS m H 2 LHV H2 η PtL = m KWS LHV KWS P EL +P Utilities Stoffumsätze η C = n C,KWS n C,in / η H2 = n H2,KWS n H2,in Recycleverhältnis R = m FEED+m RECYCLE m FEED Einteilung der Produktfraktionen Gase Benzin Kerosin Diesel Wachse C-Atome C1-C4 C5-C9 C8-C16 C12-C20 C20+
9 Massenanteil Massenanteil Massenanteil DLR.de Folie 9 > ProcessNet-Jahrestagung > Daniel H. König > Produktzusammensetzung für verschiedene Katalysatoren Co-FTS Kondensat 150 C Kondensat 70 C Cracked Kondensat 40 C Kondensat -15 C Fe-FTS1 Kondensat 150 C Kondensat 70 C Cracked Kondensat 40 C Kondensat -15 C Fe-FTS2 Kondensat 150 C Kondensat 70 C Cracked Kondensat 40 C Kondensat -15 C Einfluss von α auf Produktzusammensetzung Einfluss der Gasrezyklierung auf das Produkt Einfluss des Hydrocrackerdesign auf das Produkt
10 DLR.de Folie 10 > ProcessNet-Jahrestagung > Daniel H. König > Stoffrecycle für verschiedene Katalysatoren Co-FTS Fe-FTS1 Fe-FTS2 Interner Recycle steigt mit der Kettenlänge Externer Recycle sinkt mit der Kettenlänge 4.0 Geringerer Gasanteil des Produktes Geringere Gasmenge muss reformiert werden R R_I R_E R_T INTERN R EXTERN R TOTAL
11 DLR.de Folie 11 > ProcessNet-Jahrestagung > Daniel H. König > Prozessperfomance für unterschiedliche Katalysatoren 100% 80% 60% 40% Co-FTS Fe-FTS1 Fe-FTS2 Benzin Kerosin Diesel Co-FTS 27% 44% 29% Fe-FTS1 40% 37% 23% Fe-FTS2 26% 46% 28% 20% 0% η E η PtL η C η H2 eta_e eta_ptl eta_c eta_h Steigende Effizienz mit größerem α Für Kerosin- und Dieselproduktion große α von Vorteil η E = 66% 72% Spezifischer Energieverbrauch Elektrolysesystem 4.2 kwh/nm³ η PtL = 46% 50% η C = 70% 77%
12 DLR.de Folie 12 > ProcessNet-Jahrestagung > Daniel H. König > Benchmark Verbrennung mit 100% O 2 100% 80% 60% 40% Luftverbrennung Oxyfuel-Verbrennung Temperaturniveau der Energiebereitstellung für die rwgs liegt bei T > % des erzeugten Sauerstoff werden eingesetzt 20% 0% η1 E η PtL 2 η3 C Benötigte Brennstoffmenge sinkt um 29% Flammtemperatur nicht mehr im technisch realisierbaren Bereich
13 Temperaur C DLR.de Folie 13 > ProcessNet-Jahrestagung > Daniel H. König > Wärmeintegration des Prozesses ohne CO 2 - Abscheidung Input: 100 MW H 2 (LHV) 650 Hot Composite Curve Cold Composite Curve Enthalpie MW Wärmebedarf Kältebedarf Brennerabgas FTS-Dampf Kühlwasser Kühlen (-15 C) ohne CO 2 0 MW 45.7 MW 2.8 MW 21.3 MW 95% 17.8 MW 1.8 MW Kühlung Fischer-Tropsch durch Dampferzeugung (225, 25 bar) Wärmebedarf intern gedeckt Kältebedarf muss durch Utilities gedeckt werden
14 DLR.de Folie 14 > ProcessNet-Jahrestagung > Daniel H. König > Wärmeintegration Sensitivitäten Fall HEX-Fläche Kapital Betrieb Standard 100% 100% 100% Min. Kühlwasser 160% 130% 90% Min. Kühlleistung 109% 105% 95% Wärmeintegration Optimierung Brennerabgasrestwärme 2.8 MW verwendet für Luft-Vorwärmung Ohne LuVo Mit LuVo η E 67 % 70% η PtL 47% 50% η C 72% 76%
15 Temperaur C DLR.de Folie 15 > ProcessNet-Jahrestagung > Daniel H. König > Wärmeintegration des Prozesses mit CO 2 -Abscheidung Input: 100 MW H 2 (LHV) 650 Hot Composite Curve Cold Composite Curve Enthalpie kw Wärmebedarf Kältebedarf FTS-Dampf Kühlwasser Kühlen (-15 C) ohne CO 2 0 MW 27.7 MW 0 MW 0% 23.4 MW 1.8 MW CO 2 -Abscheidung durch MEA-Abscheidung Wärmebedarf für die CO2-Abscheidung kann gedeckt werden Höherer Anteil an Niedrigtemperaturkühlung erforderlich
16 DLR.de Folie 16 > ProcessNet-Jahrestagung > Daniel H. König > Zusammenfassung Power-to-Liquid Wirkungsgrad Kohlenstoffumsatz Größe Wert η PtL = 46% 50% η C = 70% 77% H 2 CO 2 Kühlwasser Strom O 2 Dampf (225, 25 bar) 0.51 kg kg KWS 3.59 kg kg KWS 370 kg kg KWS kwh kg KWS 4.1 kg kg KWS 13 MJ kg KWS 7.56 kg kg KWS
17 DLR.de Folie 17 > ProcessNet-Jahrestagung > Daniel H. König > Absolute Schätzung Energiebedarf Leistung Windpark Fläche Windpark H 2 Menge CO 2 Menge 1 GW 116 km² 80 kt/a 560 kt/a 27 GW km² 2,1 Mt/a 14,7 Mt/a 323 GW km² 25,8 Mt/a 181 Mt/a KWS Menge 200 Mio. Liter/a 5,4 Mrd. Liter/a 67,3 Mrd. Liter/a Vergleichsgröße (jährl. Verbrauch) Deckung ca KFZ/a Deckung Kerosinverbrauch FRA Deckung Kraftstoffverbrauch Straßenverkehr D
18 DLR.de Folie 18 > ProcessNet-Jahrestagung > Daniel H. König > Vielen Dank! Daniel H. König DLR Institut für Technische Thermodynamik Helmholtz-Energie-Allianz Synthetische flüssige Kohlenwasserstoffe Speicher höchster Energiedichte
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