Neue Strategien zur stofflichen Verwertung von Braunkohle

Neue Strategien zur stofflichen Verwertung von Braunkohle Dr.-Ing. Heiner Gutte, Technische Universität Bergakademie Freiberg Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2013 am 18.11.13 Dresden

Globaler organischer und anorganischer Kohlenstoffkreislauf Entstehung fossiler Rohstoffe über C- Austauschprozesse zwischen den C- Speichern Litho-, Bio-, Hydro- und Atmosphäre Antrieb durch Sonne und anthropogen Von ca. 1500 PgC werden 7,8 PgC/yr verbrannt - 0,5 %/yr (Ressourcenproblem) Atmosphäre als kleinster C-Speicher reagiert auf erhöhte C- Zuflussraten besonders empfindlich (Klimaproblematik) Von kohlenstoffintensiver Wirtschaft zu einer»low Carbon Economy«Source: Working Group I Contribution to the IPCC fifth Assessment Report Climate Change 2013: The Physical Science Basis 26. September 2013 Stockholm, Sweden Schwarz: Kohlenstoffspeicher in PgC und jährliche Stoffaustauschströme in PgC/yr Rot: anthropogene C-Stoffströme gemittelt über 2000-2009 2

Ziel und Strategie Ziel: Transformation einer kohlenstoffintensiven Wirtschaft hin zu einer»low Carbon Economy«, das heißt hin zu Klimaverträglichkeit und Ressourcenschonung. Strategie: Senkung von Rohstoff- und Primärenergieverbrauch für Strom, Wärme, Transport. (Weniger verbrauchen, mehr nutzen!) Steigerung von Energie- und Stoffeffizienz (Ressourceneffizienz) energieintensiver Industriebranchen wie z. B. Energietechnik, Chemie, Metallurgie und Übergang von fossilen zu erneuerbaren Energien (Energiewende) Übergang von primären Rohstoffen zu sekundären bzw. nachwachsenden Rohstoffen Transformation der derzeit dominierenden energetischen hin zu einer stofflichen Nutzung primärer und sekundärer Rohstoffe unter innovativer Nutzung erneuerbarer Energien Schließung von Kohlenstoffkreisläufen Siehe auch KOM(2011) 21, siehe: http://ec.europa.eu/resource-efficient-europe Energieeffizienzplan, KOM (2011) 109 EU_2011_COM(2011)112, Fahrplan fu r den U bergang zu einer wettbewerbsfaḧigen CO 2 -armen Wirtschaft bis 2050 BMBF: Hightech Strategie 2020 für Deutschland (2010) 3

Energetische und stoffliche Nutzung Energetische Nutzung: Wärme (Strom), CO 2 Stoffliche Nutzung S S - Synthese 4

Synthesegaschemie Oxoverbindungen Methanol Formaldehyd Essigsäure Kraftstoffe, MTBE z. B. Methylamine Ethylen Toluen Ammoniak Methan, SNG Farbstoffe, Medikamente und Pflanzenschutzmittel Propylen Phenol CO+H 2 Benzin H 2 reg. Oxygenate Olefine DME Treibstoffe, Halogenkohlenwasserstoffe, Alkohole, Ketone, Glykole, Olefinoxiden, Kunststoffe und Waschmittelkomponenten z. B. Propen Synthese von Glycerin, Phenol, Isopropylalkohol, Epoxidharzen Polymerisation von Polypropylen 5

Energierohstoffforschung an der TU Bergakademie Freiberg Lagerstätte Gewinnung Aufbereitung Veredlung Recycling Petrographie Erkundung & Gewinnung Mechano-Chemische Niedertemperatur-Konversion Thermo-Chemische Niedertemperatur-Konversion Hochtemperatur-Konversion Synthesen Wasserstoff Modellierung von Hochtemperaturprozessen Chemische Strukturaufklärung Hochtemperatur-Werkstoffe Energie- und Rohstoffstrategische Betrachtungen 6

Strukturaufklärung von Kohlen und Konversionsprodukten Petrologisch-strukturchemisches Bewertungssystem für Kohlen und Prozessrückstände Verwertungseignung für verschiedene Veredlungsprozesse Chemische Strukturaufklärung - Produktspektrum: s, l, g Isomerie: Gleiche Masse aber unterschiedliche Struktur Struktur-Eigenschafts-Korrelationen Vorhersage Konversionsverhalten Quelle: M.R. Narkiewicz, J.P. Mathews, Visual Representation of Carbon Dioxide Adsorption in a Low-Volatile Bituminous Coal Molecular Model, Energy Fuels 2009, 23, 5236 5246. 8

Erkundung und Gewinnung Erkundung Identifizierung und Lokalisierung definierter Kohlesorten Lagerstätten-Modelle: Flözgeometrie, räumliche Verteilung von Qualitätsparametern Simulation der Lagerstätten und geologischen Strukturen Neue Gewinnungs- und Fördermaschinen, Sensorik für Graborgane Vollständige Ausnutzung der Lagerstätte und effizienter Einsatz der Gewinnungsgeräte Lagerstättenmanagement Gewinnung Trennung/Mischung von Inhaltsstoffen nach qualitativen Merkmalen im Gewinnungs- und Förderprozess im Tagebau Vernetzung von Gewinnungs- und Förder- und Haldensystemen Selektive Gewinnung von Qualitätskohle Ermittlung von Rohstoffkennwerten für Energierohstoffe Integrierte Produktionsplanung und - steuerung Coal Management System, Prozessvisualisierung Institut für Markscheidewesen und Geodäsie TUBAF Institut für Bergbau und Spezialtiefbau TUBAF 10

Direktnutzung - Extraktion - Reaktivextraktion Hohe stoffliche Wirkungsgrade kaum Umwandlungsverluste Direktnutzung Extraktion Reaktivextraktion Neue Stoffkombinationen Extraktion mit überkritischen Medien z. B. Ethanol unter Druck + Ausbeute in Ma.-% (waf) Montanwachse und Spezialwachse 120 325 C 350 C 375 C 100 80 60 40 20 0 75 Xylit fossiles Holz 125 150 75 100 125 150 Masse Ethanol in g heptanlöslich unlöslich toluollöslich Gas (ohne Spaltprodukte) Wikipedia Alternative Methoden zur CO2-neutralen Direktnutzung von Naturstoffen Faserwerkstoffe Dämmstoffe Bodenverbesserungsstoffe Biokunststoffe aus Lignin 100 Neue Spezialwachse aus verschiedenen C-Quellen Spezialwachse über Hochdruckextraktion bzw. mit überkritschen Medien (H2O, CO2) Gewinnung und Modifikation von Wachsen mit maßgeschneiderten Eigenschaften 75 100 125 toluollöslich heptanlöslich unlöslich Spezialchemikalien aus Kohle H. Wollmerstädt: Reaktivextraktion von Braunkohlen mit überkritischem Ethanol, Lehrstuhl für Reaktionstechnik, TUBAF 12

Pyrolyse und Verkokung + + Spezialchemikalien und Flüssigprodukte aus Pyrolyseölen Kohlen, Naturstoffe, Erdölrückstände sind keine Konkurrenzstoffe, sondern sie benötigen sich gegenseitig zur Einstellung bisher nicht genutzter Synergieeffekte. Pyrolytische Veredlung von Stoffkombinationen: z. B. Kohlen + Lignozellulosen + Erdölrückstände Kokse mit völlig neuen mechanischen Eigenschaften und steuerbaren Reaktivitäts- und Adsorptionseigenschaften und große Mengen an partiell gereinigten Flüssigprodukten Direktreduktion von Metalloxiden Funktionelle Gruppen Massen und Strukturen organischer Moleküle Aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe Hochsiedende Verbindungen vergleichsweise niedrige Gehalte an Sauerstoffverbindungen Philipp Rathsack: Analytik von Pyrolyseölen. Doktorandenseminar DER, 29.05.2012, Freiberg 14

CO 2 -emissionsarme Kohlechemie H 2 100 700 C NT-Konversion 700 1600 C HT-Konversion Synthesegas CO+H 2 Chemikalien Extraktion Pyrolyse (Spezialkokse) Vorwärmung Vergasung Eintragssystem Reinigung Konditionierung (Shift-Reaktion) Synthesen Kraftstoffe Kunststoffe Düngemittel 1. Heute - Energetische Nutzung: Kohle + Sauerstoff C 1 H 0.80 O 0.06 + 1,1725 O 2 = CO 2 + Wasser = 1,0 CO 2 + 0,405 H 2 O 2. Morgen - Stoffliche Nutzung: Kohle + Dampf + Sauerstoff = CO 2 + Syngas (z. B. für MeOH-Synthese) C 1 H 0.80 O 0.06 + 0,4 H 2 O + 0,56875 O 2 = 0,6 CO 2 + 0,40 CO + 0.80 H 2 (Wassergas-Shift-Reaktion für richtiges H 2 /CO-Verhältnis: CO + H 2 O = CO 2 + H 2 ) 3. Zukunft - CO 2 -emissionsarme Kohlechemie (Einkopplung H 2 ohne Shift-Reaktion): Kohle + Sauerstoff + x H 2 = 0,0 CO 2 + CO + H 2 C 1 H 0.80 O 0.06 + 0,47 O 2 + 0,0 H 2 = 0,0 CO 2 + CO + 0.40 H 2 + 0,4 H 2 = 0,0 CO 2 + CO + 0.80 H 2 + 0,6 H 2 = 0,0 CO 2 + CO + H 2 (Oxosynthese) + 1,6 H 2 = 0,0 CO 2 + CO + 2 H 2 (MeOH, Olefine, Benzin) + 2,6 H 2 = 0,0 CO 2 + CO + 3 H 2 (SNG) 16

Einkopplung von erneuerbaren Energien 100,0 Synthesegaserzeugung 90,0 80,0 Kaltgaswirkung gsgrad in % 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 Autotherme Reformierung Holzvergasung Dampfelektrolyse SOEC MW-gestützte Reaktionstechnik 0,0 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0 C-Einbindung in % 17

Energierohstoffforschung an der TU Bergakademie Freiberg Lagerstätte Gewinnung Aufbereitung Veredlung Recycling Petrographie Erkundung & Gewinnung Mechano-Chemische Niedertemperatur-Konversion Thermochemische Niedertemperatur-Konversion Hochtemperatur-Konversion Synthesen Wasserstoff Modellierung von Hochtemperaturprozessen Chemische Strukturaufklärung Hochtemperatur-Werkstoffe Energie- und Rohstoffstrategische Betrachtungen 18

Modellierung von Hochtemperatur-Konversionsprozessen Zentrum für Innovationskompetenz VIRTUHCON - Virtual High Temperature Conversion www.virtuhcon.de 19

Werkstoffentwicklung Metal dusting, beobachtet an Alloy 800 (30Ni20Cr) nach Auslagerung in Synthesegas (CO+H 2 ) bei 500 C, (a) Lochfraß in einem Rohr mit Kohleeinlagerungen (b) Lochfraß-Korrosion mit Metallverlusten an einem Blech Die Reaktionssequenz beim metal dusting umfasst folgende Stufen: 1. Oberflächennahe Übersättigung der metallischen Matrix mit Kohlenstoff 2. Bildung von Metallkarbiden vom Typ M 3 C an der Metalloberfläche 3. Zerfall der Metallkarbidschicht nach M 3 C = 3M + C Quelle: J. C. Nava Paz and H. J. Grabke: Metal Dusting. Oxidation of Metals, Vol. 39, Nos. 5/6, 1993 21

Werkstoffentwicklung Keramische Werkstoffe für Ofenauskleidung Metallische Werkstoffe für hochbeanspruchte Düsen Legierungen für Abhitzekessel und Heißgasreinigung Keramische Wärmetauscher Perowskite zur Sauerstoffbereitstellung 22

Energie- und Rohstoffstrategie Kohlestrom 2012 2020 2030 2050 Derzeit dominiert Verstromung 2012 in Deutschland 1 814 Mio. t CO 2 1 TREIBHAUSGASAUSSTOSS IN DEUTSCHLAND 2012 - Vorläufige Zahlen aufgrund erster Berechnungen und Schätzungen des Umweltbundesamtes. Februar 2013 24

Energie- und Rohstoffstrategie Kohlestrom 2011 2020 2030 2050 Bis 2050 Absenkung der CO 2 -Emission um 80-95 % gegenüber 1990 25

Energie- und Rohstoffstrategie Kohlestrom Erneuerbare Energien Erneuerbare Energie 2011 2020 2030 2050 Zukunft der Energieversorgung Kohle und Erneuerbare Energien Dekarbonisierung der Stromerzeugung 26

Energie- und Rohstoffstrategie Kohlestrom Erneuerbare Energie??? 2011 2020 2030 2050 Ablösung der Kohle aus der Strom- und Wärmeversorgung Bedarf an Konzepten für die am Strommarkt frei werdende Kohle 27

Energie- und Rohstoffstrategie Kohlestrom Erneuerbare Energien Erneuerbare Energie C-Produkte 2011 2020 2030 2050 Kohle als alternative Kohlenstoffquelle zu Erdöl und Erdgas Herstellung von 8,6 Mio. t/a Olefinen (Ethylen und Propylen) mit ca. 16 Mio. t Rohöl Alternative Herstellung der Olefine mit 71 Mio. t. Rohbraunkohle möglich 28

Höhere Wertschöpfung bei sinkenden CO 2 Emissionen 75 /t 83-125 /t Neue Synthesen unter Einkopplung von EE-H 2 Strom Wertschöpfung Methanol, Propylen, Olefine Kohlestrom C-Produkte CO 2 -Emissionen 100 % 60 % CO 2 -arme Kohlechemie 0 % 29

Energiewende und Rohstoffwende A + B = C + D ± Energie Rohstoffe sekundär/nachw. Rohstoffwende Low Carbon Economy primär Kohlenstof f-intensive Wirtschaft Energiewende fossil Energie erneuerbar 30

Ressourcenwende Stoff primär sekundär Low Carbon Economy En Tr er an gi s e, fo C rm he m at ie io,m n et vo al n lu rg ie Rohstoffwende sekundär/nachw. primär Rohstoffe Ressourcenwende Energiewende Kohlenstoff -intensive Wirtschaft Energie fossil erneuerbar fossil Energie 1. 2. 3. 3. 4. erneuerbar Nutzung Senkung von Rohstoff- und Primärenergieverbrauch - Weniger verbrauchen, mehr nutzen! Ressourceneffizienz: Steigerung von Energie- und Stoffeffizienz Energiewende: Übergang von fossilen zu erneuerbaren Energien Rohstoffwende: Übergang von primären zu sekundären/nachwachsenden Rohstoffen Ressourcenwende: Transformation von energetischer zu stofflicher Nutzung 31

Vision A Kohlendioxid aus Kraftwerken als Rohstoff B Erneuerbare Energien Schlüssel für innovative Stofftransformation C Hochwertige Veredelungsstufen für die Biotechnologie D Entlastung und Stabilisierung der Stromnetze Innovative Stofftransformationstechnologien Maßgeschneiderte Synthese- und Recyclingprozesse Hochwertige und hoch-energiehaltige Chemikalien und Metalle I II III 32