Ganzheitliche Bewertung von neuen Multi-Produkt-Prozessen am Beispiel der Chlor-Alkali-Elektrolyse

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1 Ganzheitliche Bewertung von neuen Multi-Produkt-Prozessen am Beispiel der Chlor-Alkali-Elektrolyse Johannes Jung und André Bardow Ökobilanz-Werkstatt 2010, Darmstadt,

2 Nachhaltige Entwicklung fordert effiziente, wirtschaftliche und umweltverträgliche n benötigt Methoden für bewertung und vergleich Rohstoffe Produkte verbrauch nach Länder* TWh/a Industrielle Chlorproduktion (Quelle: Bayer Material Science) Südafrika Türkei 19. weltweite Chlorproduktion Mexiko * Quelle: CIA World Fact Book, Daten von Luftaufnahme Chemiepark Marl October 28, 2010 Motivation Lösungsansatz Ergebnisse Ausblick 2

3 Das Paradebeispiel für Koppelproduktion*: Sauerstoff-Verzehr-Kathoden Chlor-Alkali-Elektrolyse: - Stand der Technik Welches Potential haben neue? Energiebedarf CO 2 -Emissionen Kosten Welche ist besser? allgemein (engl. best available technology, BAT) standort-spezifisch Stand der Technik (NaOH) 10-50% aq Industrielle Chlorproduktion (Quelle: Bayer Material Science) vs. SVK *vgl. Schmidt, M.: Die Allokation in der Ökobilanzierung vor dem Hintergrund der Nutzenmaximierung, H 2 Ökobilanzwerkstatt 2009 O 2 (NaOH) 32% aq 2,400 4,200 kwh el / t 1,600 kwh el / t Motivation Lösungsansatz Ergebnisse Ausblick October 28,

4 Aufgabe: Vergleich alternativer Multi-Produkt-Systeme Stand der Technik (NaOH) 10-50% aq vs. SVK (NaOH) 32% aq H 2 O 2 Erstelle eine vergleichbare Systemerweiterung! Allokation! funktionelle Einheit x % * Stand Stand der der Technik Technik (NaOH) 50% aq H 2 vs. y % SVK SVK * O 2 O 2 (NaOH) 32% aq Nachteile Nachteile Energie Unsicherheit durch alternative Allokationsfaktoren Annahmen unterschiedliche Ergebnisse bei vergleich Rohstoffe Endloserweiterung H (Jung, J. and Leder, J.: The Influence of Allocation Methods on Chlorine Electrolysis Energie 2 Technology Assessment 5th European Conference on Economics and Management of Energy in Industry, April 2009, Vilamoura, Portugal.) (NaOH) 50% aq October 28,

5 Systemerweiterung für SVK- Thermische H2-Nutzung Möglichkeiten der H2-Nutzung Chlorherstellung Chemische im Chemieverbund H2-Nutzung Cl22? CO22 CO??? ChlorSVK herstellung? thermische?? Nutzung Erdgas über Dach (NaOH) (NaOH)50% 32% Eindampfung H22 O LuftChemische zerlegung Nutzung Erdgas October 28, 2010 Motivation (NaOH)50% CO2 DampfReformer Lösungsansatz H2 Ergebnisse Ausblick 5

6 Implementierung der Methodik in TOP-Energy Flussschema-Editor physikalische Modelle stationäre Systemsimulation Berechnung von Kennzahlen October 28,

7 Fallstudie: Ersatz veralteter Amalgam-Elektrolysen Amalgam- (NaOH) 50% H 2 Membran- (BAT) SVK- H 2 O 2 (NaOH) 32% (NaOH) 32% Dampf (NaOH) 50% Dampf (NaOH) 50% + H 2 Ersatz - Szenarios October 28,

8 Ergebnisse CO2-Emissionen CO2 t/a DampfReformer CO2-Emissionen erzeugung über Dach Erdgas fossil 800 g CO2 / kwhel Netzschnitt 624 g CO2 / kwhel erneuer- 300 g CO2 / bar kwhel 100 H2 chemisch Amalgam H 2 thermisch H2 über Dach Membran SVK starke Abhängigkeit von der erzeugung kein eindeutiger Vorteil für eine October 28,

9 Energiekostenpotentiale Energiekosten in Mio. /a Amalgam Membran SVK Energiepreise : 60 / MWh el Dampf: 20 / MWh el H 2 : 30 / MWh Hu starke Abhängigkeit von H 2 -Vergütung SVK ist nicht immer wirtschaftlicher October 28,

10 Das Beispiel Chlor-Alkali-Elektrolyse zeigt Stand der Technik (NaOH) 10-50% aq vs. SVK (NaOH) 32% aq H 2 O 2 Ökologie und Ökonomie standortabhängig Szenarienbasierte Analyse möglich Multi-Produkt-Prozesse nicht BAT-geeignet? October 28,

11 Ausblick Allgemeine Methodik für Multi-Produkt-Prozesse (NaOH) H 2 O 2 1,0 1,5 bar 10% - 50% chemisch thermisch über Dach + X Szenarien 3 Szenarien N 2 Nutzung? + X Szenarien Szenarienbasierte Bewertung schnell zu komplex? allgemeine Standortdefinition für chemische Multi-Produkt-Prozesse möglich? wenn nicht BAT, dann allgemein-gültige Vergleichsmethodik? October 28,

12 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Fragen? Dipl.-Ing. Johannes Jung Lehrstuhl für Technische Thermodynamik RWTH Aachen Energiesystemtechnik Tel.: Die Arbeit wurde im Rahmen der Maßnahme klimazwei Forschung für den Klimaschutz und Schutz vor Klimawirkungen durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. October 28,

13 Backup: Auswirkungen H 2 -Vergütung - Investitionen Investitio onssume in Mio Zinssatz 8,0% Amortisationszeit in a Membran SVK SVK, keine H 2 -Gutschrift October 28,

14 Backup: Allokationsverfahren Methode Grund Wahl 1. Systemzerlegung Zelle kleinste mögliche Einheit nicht anwendbar 2. physik. Zusammenhang Stöchiometrie, starres System nicht anwendbar 3. Marktwert Marktwerte unabhängig, nicht anwendbar 4. physik. Größen kein Ausschlusskriterium anwendbar Allokationsregel Massenanteil Stoffmengenanteil Massenanteil ohne H 2, H 2 - Gutschrift (H u ) Exergieanteil Grund einfach zu ermitteln Preise pro Masse einfach zu ermitteln gibt die Reaktion wieder Wasserstoff nicht Hauptprodukt beschreibt Qualität Analogie Energietechnik Standard Elektrolyse SVK Elektrolyse NaOH H 2 NaOH October 28,

15 Backup: Allokationsergebnisse CED [MJ/ t ] GWP [kg CO 2 /t ] Acidification [kg SO 2 /t ] Membran SVK Membran SVK Membran SVK Massenanteil Stoffmengenanteil H 2 -Gutschrift Exergieanteil membrane ODC membrane ODC 800 ODC CED [MJ/t Cl2] GWP [kg CO2/t Cl2] mass molar CED H2 credit exergy 0 mass molar CED H2 credit exergy October 28,