DE102008053334A1 - Verfahren zur Herstellung eines synthetischen Stoffes, insb. eines synthetischen Brennstoffes oder Rohstoffes, zugehörige Vorrichtung und Anwendungen dieses Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines synthetischen Stoffes, insb. eines synthetischen Brennstoffes oder Rohstoffes, zugehörige Vorrichtung und Anwendungen dieses Verfahrens Download PDF

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Abstract

Die Erzeugung von künstlichen Brennstoffen (SynFuel) ist im Prinzip durch den GTL (Gas Tool Liquide)-Prozess bekannt. Es wird vorgeschlagen, mit einer günstigen Energiequelle einen Hochtemperatur-Elektrolyseur zu betreiben und das anfallende Wasserstoff-Gas mit COkatalytisch reagieren zu lassen. Damit werden künstliche Rohstoffe, insbesondere für die chemische Industrie einerseits und als Brennstoffe für Kraftfahrzeuge andererseits, erzeugt. Neben der Erzeugung der Stoffe ist das Verfahren geeignet, eine Verarbeitung des in vielen industriellen Prozessen anfallenden CO, das ansonsten als klimaschädliches Gas negative globale Wirkungen hat, sicherzustellen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines synthetischen Stoffes, insbesondere eines synthetischen Brennstoffes oder Rohstoffes. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und auf Anwendungen dieser Vorrichtung in unterschiedlichen Industriezweigen.
  • Bei der Erfindung geht es neben der Herstellung von künstlichen Brennstoffen („SynFuel”) auch um die Produktion von künstlichen Rohstoffen für die chemische Industrie. Für solche Herstellungsverfahren wird einerseits Energie und andererseits als Stoffbasis Wasserstoff (H2), Sauerstoff (O2) und Kohlenstoff (C) benötigt. Dabei kommen als Energiebasis insbesondere Wind oder andere erneuerbare Energien zum Einsatz, wobei als Stoffbasis auch. aus anderen industriellen Prozessen anfallendes CO2 verwertet werden kann.
  • Die Veränderungen des Rohölpreises sowie des damit gekoppelten Erdgaspreises, die stagnierende Ölproduktion und die sich mittelfristig erschöpfenden Lagerstätten zeigen eine immer größer werdende Verknappung dieser Rohstoffe, die sich insbesondere im Preisanstieg niederschlägt. Dies fördert aber gleichermaßen die Entwicklung von umweltschonenden Resourcen, insbesondere die erneuerbare Energieerzeugung, d. h. Wind- und/oder Solarenergie. Speziell zur Windenergie werden derzeit flächendeckend Windparks, insbesondere auch Off-Shore-Anlagen, geplant. Damit stehen elektrische Energiequellen zur Verfügung, deren Energie zu bestimmten Zeiten nicht benötigt wird.
  • Bisher erfolgt eine Einspeisung der Windenergie durchweg ins Stromnetz, wobei alternativ auch eine hydraulische Speiche rung (Pump-Speicherung) oder eine pneumatische Speicherung (Druckluft/Gasspeicher) möglich ist. Interessant ist in diesem Zusammenhang auch die Verwertung der Windenergie in so genannte Redoxspeicher, womit chemische Speicher und Batterien/Akkus angesprochen werden.
  • Sofern chemische Speicher in Frage kommen, ist hier eine Umwandlung der mit der Windenergie erzeugten elektrischen Energie in Wasserstoff (H2) oder weiterhin eine Wandlung in Methan (CH4) oder schließlich auch eine Wandlung in höhere Kohlenwasserstoffe möglich. Damit sind die synthetischen Brennstoffe angesprochen, welche allgemein als „SynFuel” bezeichnet werden.
  • Von Letzterem abgesehen wird mit zunehmendem Öl-/Gaspreis auch ein Anstieg der Chemikalienkosten erwartet. Damit ergibt sich ein Wettbewerb zwischen Energie- und Rohstoffversorgung. Insbesondere zur Berücksichtigung des Preisanstieges der Rohstoffkosten kann eine rentable Umwandlung von Windenergie in chemische Rohstoffe eine neue Perspektive bieten.
  • Für die Wind-Chemie-Konvertierung ist der Wind die maßgebliche Energiequelle, wobei eine zugehörige Stoffquelle durch Kohlenstoff aus Biomasse und/oder Kohlenstoff aus Kohlendioxidrecycling zur Verfügung steht. Insbesondere das Kohlendioxidrecycling ist wegen der globalen Klimaerwerbung von besonderer Bedeutung.
  • Ausgehend von obigem pauschal angegebenen Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, Verfahren anzugeben, mit denen in geeigneter Weise Stoffe erzeugt werden können, sowie die zugehörigen Vorrichtungen zu schaffen. Daneben sollen unterschiedliche Anwendungen, die für die industrielle Praxis relevant sind, vorgeschlagen werden.
  • Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Patent anspruch 11 angegeben. Unterschiedliche Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Einsatz der neuen Vorrichtung ergeben sich aus den Ansprüchen 21, 23 und 25. Weiterbildungen des Verfahrens, der zugehörigen Vorrichtung und der spezifischen Anwendungen sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
  • Mit der Erfindung ist ein geeignetes Verfahren angegeben, mit dem insbesondere aus über Wind erzeugter elektrischer Energie bzw. Leistung synthetische Stoffe erzeugt werden können. Diese Stoffe sind im Prinzip gasförmig, können analog zur bekannten GTL(„Gas To Liquid”)-Umwandlung bzw. Umkehrung der Dampfreformierung (= Methanisierung) einerseits synthetische Brennstoffe („SynFuel”), aber andererseits auch Rohstoffe für die chemische Industrie sein. Für die Erzeugung solcher Stoffe wird eine Kohlenstoffbasis benötigt, wozu nunmehr die bei industriellen Prozessen anfallenden CO2-haltige Abgase genutzt werden. Insofern ist die Erfindung auch als Lösungsansatz für aktuelle Fragen einer umweltgerechten Behandlung von CO2 und Entschärfung der globalen Klima-Problematik geeignet.
  • Besonders vorteilhaft ist bei der Erfindung, dass insbesondere bei Nutzung von umweltfreundlich, d. h. ohne separate CO2-Belastung, erzeugtem elektrischen Überschuss-Strom und Verwertung von anderweitig als Abgas vorhandenem CO2 sich die Gesamt-CO2-Bilanz der erfindungsgemäß erzeugten synthetischen Stoffe verbessern lässt.
  • Die Erfindung macht sich in besonderer Weise der Chemie der Wasserelektrolyse zunutze. Dabei spielen sich folgende chemische Vorgänge ab: 2H2O → 2H2 + O2 (1)
  • Die elektrische Energie wird zur elektrolytischen Zerlegung des Wassers eingesetzt. Es folgt eine katalytische Reaktion, analog zum Standardverfahren bei der GTL-Umwandlung bzw. der Umkehrung der Dampfreformierreaktion (= Methanisierung): 4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O (2)
  • Es kann Kohlendioxid aus biogenen Quellen oder abgetrennt aus industriellen Abgasen in dem katalytischen Prozess recycled werden: (3n + 1) H2 + n CO2 → CnH2n + 2 + 2n H2O (3)
  • Letztere Verfahrensprodukte sind als flüssige Kohlenwasserstoffe geeignete Rohstoffe für die Chemische Industrie. Je nach Führung der katalytischen Prozesse lassen sich auch funktionalisierte Kohlenwasserstoffe, wie z. B. Alkohole, Carbonsäuren, Ketone, Aldehyde, cyclische oder aromatische Verbindungen, u. v. m. darstellen.
  • Diese Kohlenwasserstoffe können sowohl aliphatische (geradekettig, verzweigt) als auch aromatische (auch hetero- und polyaromatische Systeme), gesättigte und (einfach/mehrfach) ungesättigte (z. B. olefinisch, etc.) Strukturen aufweisen sowie allgemein durch Heteroatome (insbesondere O, N, S, Halogen, Si) funktionalisierte Strukturelemente besitzen, z. B. Alkohole, Aldehyde, Ketone, Karbonsäuren, Amine, Amide, Thiole, Thiocarbonsäuren, Ester, Aminosäuren, Heteroaromaten u. v. m. sowie Kombinationen mehrerer Funktionalitäten, die sich aus den angegebenen Hetero-Atomen ableiten lassen, in einem Produktmolekül aufweisen.
  • Mit der Erfindung ist der erwähnte Stoffwandlungs-Prozess (analog GTL bzw. Methanisierung) in wirtschaftlicher Weise verfügbar, bei dem über die Gasifizierung und die bekannte Fischer-Tropsch-Synthese im Ergebnis synthetische Kohlenwasserstoffe erzeugt werden, die beipielsweise als Dieselbrennstoff oder auch als Benzin einsetzbar sind. Dabei erscheint eine ökonomische Vorgehensweise denkbar, da ein vergleichsweise niedriger Kohlenstoff-Ausnutzungsgrad ηc realisiert ist. Davon abgesehen erscheint aber auch eine ökologische Vorgehensweise gegeben, die CO2-Emissionen höher als bei Raf finerieprodukten sind und entsprechend verwertet werden können.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen.
  • Die einzige Figur zeigt schematisch die Umsetzung von elektrischer Energie über eine Hochtemperaturelektrolyse zur Erzeugung von synthetischen Stoffen, beispielsweise synthetischem Brennstoff, oder anderen Rohstoffen.
  • In der Figur ist mit 1 eine Einheit zur Erzeugung von elektrischer Energie bezeichnet. Diese elektrische Energie wird insbesondere entsprechend Einheit 1a durch Wind-Energie-Wandler bereitgestellt. Sie kann aber auch entsprechend Einheit 1b in Form von Solarenergie oder entsprechend Einheit 1c auch in anderer Form, beispielsweise allgemein an einer Strombörse eingekauft, bereitgestellt werden.
  • Die elektrische Energie wird auf eine Einheit 2 zur Hochtemperaturelektrolyse gegeben (andere Elektrolyseure (PEM/alkalisch) sind auch denkbar, jedoch nicht so effektiv). Der Einheit 2 ist ein katalytischer Reaktor 3 nachgeschaltet und eine weitere Einheit 4 zur Konditionierung der zeugten Stoffe.
  • In der Einheit 2 zur Hochtemperaturelektrolyse wird aus Wasser (H2O) Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) erzeugt. Dem Ausgangsprodukt wird nunmehr CO2 aus einer CO2-Quelle 5 hinzugefügt. Durch Reaktion von Wasserstoff und dem zugefügten CO2 entsteht CH4 und Wasser entsprechend den nachfolgenden Reaktionsgleichungen: Wasserelektrolyse: → 2H2O → 2H2 + O2
  • Elektrische Energie wird zur elektrolytischen Zerlegung des Wassers eingesetzt.
  • Katalytische Reaktion → Standardverfahren bei der Methanisierung: 4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O
  • Das Kohlendioxid aus biogenen Quellen oder abgetrennt aus Abgasen wird im katalytischen Prozess recycled. (3n + 1) H2 + n CO2 → CnH2n + 2 + 2n H2O
  • Die so erzeugten Produkte sind flüssige Kohlenwasserstoffe, denkbar sind aber auch gasförmige und feste Kohlenwasserstoffe, in reiner als auch funktionalisierter Form (s. o.), sind als Rohstoffe für die chemische Industrie geeignet.
  • Es ergibt sich somit ein vorteilhaftes Verfahren des Kohlenstoffrecyclings und der Reduktion/Vermeidung der CO2-Emissionen im Vergleich (und Abgrenzung) zum bekannten GTL-Prozess. Im Gegensatz zum GTL-Verfahren wird bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren kein CO2 freigesetzt, sondern verbraucht.
  • Es wurden Sumulationsrechnungen durchgeführt, welche die ökonomische Perspektive der Umsetzung von Windenergie in künstliche Stoffe aufzeigen. Dabei ergibt sich, dass bei den derzeitig hohen Ölpreisen eine wirtschaftliche Umsetzung von Windenergie in synthetische Stoffe unter gewissen Voraussetzungen möglich ist. Die Wirtschaftlichkeit des vorgestellten Verfahrens ist stark von den Marktpreisen der Primär-Energie Träger, wie Öl und Erdgas, abhängig.
  • Für den Fall, dass die Stromquelle für die Hochtemperatur-Elektrolyse durch Nutzung von Windenergie realisiert wird, kann gezeigt werden, dass sich bei einem Anstieg des Ölpreises eine ökonomische Umwandlung der Energie in neue Stoffe ergibt. Damit wird das Ziel der energetischen/synthetischen Verwertung von abgetrenntem Kohlendioxid einerseits und der Sicherstellung von Rohstoffen für die chemische Industrie andererseits erreicht. Insbesondere können neben den Rohstoffen, die erzeugten Stoffe auch Brennstoffe sein, welche als Betriebsstoffe für KFZ und dergleichen eingesetzt werden können.
  • Insgesamt erfolgt bei den vorgeschlagenen Prozessen eine Reduktion der CO2-Emissionen im Vergleich zum bekannten GTL-Prozess. Es wird kein CO2 freigesetzt, sondern verbraucht. Neben der Erzeugung der synthetischen Stoffe ist das Verfahren daher geeignet, eine Verarbeitung des in vielen industriellen Prozessen anfallenden CO2's, das ansonsten als klimaschädliches Gas negative globale Wirkungen hat, sicherzustellen.

Claims (26)

  1. Verfahren zur Herstellung eines synthetischen Stoffes mit folgenden Verfahrensschritten: – In einer Hochtemperatur-Elektrolyse wird Wasser (H2O) bei erhöhter Temperatur einer Elektrolyse unterzogen und in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) umgesetzt, – dabei bildet sich gleichermaßen Wasserdampf (H2OD) – dem heißen Abgas aus Wasserstoff (H2) und Wasserdampf (H2OD) wird Kohlendioxid (CO2) hinzugefügt und einer katalytischen Reaktion unterzogen, – durch die katalytische Reaktion wird der Wasserstoff (H2), der Wasserdampf (H2OD) und das Kohlendioxid (CO2) in ein Synthesegas (H2/CO/CO2/H2O/CH4) überführt, – wobei bei der Überführung in das Synthesegas (H2/CO/CO2/H2O/CH4) exotherme Prozesse ablaufen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bei dem Prozess freigesetzte Wärme dem Elektrolyse-Prozess zurückgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bei dem exothermen Prozess freigesetzte Wärme einer anderen Nutzung zugeführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Synthesegas im Wesentlichen Methan ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Synthesegas höhere Kohlenwasserstoffe enthält.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Synthesegas durch eine geeignete katalytische Reaktion zu synthetischen Treibstoffen verflüssigt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Hochtemperatur-Elektrolyseprozess das Wasser verdampft wird und eine Vorwärmung der Gase/des Dampfes erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie für den Hochtemperatur-Elektrolyse-Prozess durch Stromerzeugung mittels Windkraft bereitgestellt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Hochtemperatur-Elektrolyse ein so genannter Elektrolyseur, mit dem eine Wärmeeinbindung einschließlich Verdampfung erfolgt, verwendet wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur katalytischen Reaktion Standardverfahren, die in der chemischen Industrie Anwendung finden, z. B. Fischer-Tropsch-Verfahren u. v. m., verwendet werden und dass dabei Syntheseprodukte entstehen.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Syntheseprodukte abgetrennt und einer weiteren stofflichen Verwertung zugeführt werden.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, als synthetische Produkte Kohlenwasserstoffe hergestellt werden. Diese Kohlenwasserstoffe können sowohl aliphatische (geradekettig, verzweigt) als auch aromatische (auch hetero- und polyaromatische Systeme), gesättigte und (einfach/mehrfach) ungesättigte (z. B. olefinisch, etc.) Strukturen aufweisen sowie allgemein durch Heteroatome (insbesondere O, N, S, Halogen, Si) funktionalisierte Strukturelemente besitzen, z. B. Alkohole, Aldehyde, Ketone, Karbonsäuren, Amine, Amide, Thiole, Thiocarbonsäuren, Ester, Aminosäuren, Heteroaromaten u. v. m. sowie Kombinationen mehrerer Funktionalitäten, die sich aus den angegebenen Hetero-Atomen ableiten lassen, in einem Produktmolekül aufweisen.
  13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 12, mit einem Energieerzeuger/Speicher (1a–1c), einem Hochtemperatur-Elektrolyseur (2), einem katalytischen Reaktor (3) sowie mit Einheiten (4) für den Endverbraucher.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieerzeuger ein Wind-Strom-Wandler (1a) ist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wind-Strom-Wandler (1a) Bestandteil eines Windparks ist.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperatur-Elektrolyseur eine metallische und/oder keramische Vorrichtung (2) zur Durchführung der Elektrolyse bei erhöhten Temperaturen ist.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der katalytische Reaktor ein Stoff-Stoff-Wandler (3) ist.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Elektrolyseur (2) und Stoff-Stoff-Wandler (3) eine Einheit (5) zur Einspeisung von CO2 vorhanden ist. (Falls es die Prozessführung erfordert, kann das CO2 schon vor dem Elektrolyseur dem Dampf zugesetzt werden, bzw. in den katalytischen Prozess zugeführt werden.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass neben der Einspeisung von reinem CO2 auch Mischungen aus CO2 und anderen Stoffen (Heteroatome, andere Kohlenwasserstoffe, etc.) dem eingespeist werden.
  20. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 12 mit einer Vorrichtung nach Anspruch 11 oder einem der Ansprüche 12 bis 19 zum Sicherstellen von synthetischen Rohstoffen für die chemische Industrie.
  21. Verwendung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die synthetische Rohstoffe aliphatische, aromatische und funktionalisierte Kohlenwasserstoffe (z. B. Propen => Polypropylenherstellung) sind.
  22. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 13 mit einer Vorrichtung nach Anspruch 11 oder einem der Ansprüche 12 bis 19 zum Bereitstellen von synthetischen Brennstoffen für Kraftfahrzeuge (KFZ's), Schiffe und Flugzeuge.
  23. Verwendung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der synthetischen Brennstoff Diesel/Benzin/Kerosin/LPG ist.
  24. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 13 mit einer Vorrichtung nach Anspruch 11 oder einem der Ansprüche 12 bis 19 zur energetischen/synthetischen Verwertung von die Umwelt belastendem Kohlendioxid (CO2).
  25. Verwendung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlendioxid in Industrieprozessen anfallendes Kohlendioxid (CO2) ist.
  26. Verwendung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlendioxid Teil der in Kraftwerken anfallenden Abgasen/Rauchgasen ist.
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