DE102013010300B4

DE102013010300B4 - Verfahren zum Fördern von hochviskosen Ölen und/oder Bitumen

Info

Publication number: DE102013010300B4
Application number: DE102013010300.2A
Authority: DE
Inventors: Olaf Kühl
Original assignee: CCP Technology GmbH
Current assignee: Caphenia De GmbH
Priority date: 2013-06-19
Filing date: 2013-06-19
Publication date: 2016-07-14
Anticipated expiration: 2033-06-20
Also published as: DE102013010300A1; CA2916447A1; WO2014202595A1

Abstract

Verfahren zum Fördern von hochviskosen Ölen und/oder Bitumen, das folgendes aufweist: Herstellen eines Kohlenwasserstoffes, der bei Raumtemperatur und Normaldruck flüssig ist, aus einem bei Raumtemperatur und Normaldruck gasförmigen, hochviskosen oder festen, weiteren Kohlenwasserstoff durch: Aufspalten des weiteren Kohlenwasserstoffs unter Ausschluss von Sauerstoff in Kohlenstoff und Wasserstoff; Vermischen wenigstens eines Teils der entstehenden Mischung aus Kohlenstoff und Wasserstoff mit CO2 bei einer erhöhten Temperatur im Bereich von wenigstens 800°C, um die Mischung in eine Synthesegas umzuwandeln; Leiten des Synthesegases oder des CO in einen CO-Konverter zur Bildung des flüssigen Kohlenwasserstoffs; In-Kontakt-Bringen des flüssigen Kohlenwasserstoffes mit einem hochviskoses Öl und/oder Bitumen enthaltenden Material, um das hochviskose Öl und/oder Bitumen wenigstens teilweise in dem flüssigen Kohlenwasserstoff zu lösen oder aufzunehmen, und Abfördern des so gelösten hochviskosen Öls und/oder Bitumens mit dem flüssigen Kohlenwasserstoff.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Fördern von hochviskosen Ölen und/oder Bitumen.
In Alberta gibt es derzeit eine rasante Ausdehnung der Förderung der dort lagernden Ölsande. Grund hierfür sind die vergleichsweise niedrigen Förderkosten, die unter anderem darauf zurückzuführen sind, dass Ort und Ergiebigkeit einzelner Förderstätten im Ölsandgebiet von Alberta detailliert bekannt sind und so milliardenschwere Explorationsprojekte entfallen. Traditionell wurde im offenen Tagebau gefördert. Dies ist bei neueren Projekten aber nicht mehr möglich, da mittlerweile die Lagerstätten tiefer liegen und somit andere Fördertechniken zum Einsatz kommen müssen.
Diese Fördertechniken sind meistens sehr energieintensiv und basieren auf der Verwendung von Erdgas und Wasserdampf, sowie Wärme zum Erwärmen und Cracken des geförderten Bitumens. Das als Wasserdampf verwendete Wasser muss nach der Verwendung gereinigt und recycelt werden.
Bei einer Fördertechnik wird Ölsand im Tagebau abgebaut und zerkleinert. Anschließend wird das im Ölsand enthaltende Bitumen mit heißem Wasser mit einer Temperatur von beispielsweise 50 bis 80°C ausgekocht. Dabei entsteht Bitumenschaum mit ungefähr 60% Bitumen, 30% Wasser und 10% Sand, der dann gereinigt wird. Das Bitumen wird dann geschmolzen (um es pumpbar zu machen) und in einem Hydrocracker in kleinere Kohlenwasserstoffe aufgespalten. Bei der obigen Technik sind das Erhitzen des Wassers, das Schmelzen des Bitumens und das Hydrocracken (> 380°C) sehr energieintensiv.
Bei einer anderen Technik, bei der es sich um einen Untertagebau handelt, wird Wasserdampf in tiefer liegende Bitumenflöze gepresst, um das Bitumen thermisch zu erweichen und viskoser zu machen. Das viskosere Bitumen wird in einem tiefer liegenden Rohr aufgefangen und an die Oberfläche gepumpt. Dort wird es im warmen, noch viskosen Zustand zum Hydrocracker gepumpt und in leichtere Kohlenwasserstoffe aufgespalten.
Bei dieser – SDAG genannten – Technik werden derzeit etwa 34 m³ Erdgas pro Barrel gecracktes Bitumen verbraucht. Diese 34 m³ Erdgas verursachen ca. 80 kg CO₂-Emissionen. Das entspricht etwa 50% des Gewichtes des geförderten Rohöls (das gecrackte Bitumen muss dann erst noch zur Raffinerie gepumpt werden) oder 20% des Energieinhaltes des gecrackten Bitumens. Beide Werte sind verglichen mit konventionellem Rohöl sehr hoch und führen zu einer entsprechenden Umweltbelastung insbesondere durch die hohen CO₂-Emissionen.
Bei einer alternativen Technik, die als VAPEX (vapor extraction process) bekannt ist, werden statt Wasserdampf gasförmige organische Lösungsmittel verwendet. Hierdurch wird das Bitumen gelöst und anschließend als viskose Flüssigkeit abgepumpt. Es funktioniert also ähnlich wie SDAG, nur mit einer niedriger siedenden Flüssigkeit und damit mit deutlich geringerem Energieaufwand.
Je niedriger die Viskosität des Bitumens, desto leichter ist die Förderung und der Weitertransport per Pipeline. Da aber gemeinhin in den meisten Ölsandgebiet keine niedrig siedenden und damit dünnflüssigen Kohlenwasserstoffe zur Verfügung stehen, liegt ein Nachteil des VAPEX Verfahrens in der aufwändigen Bereitstellung der nötigen Lösungsmittel vor Ort. Entsprechende Fraktionen aus Raffinerieprozessen sind dabei keine Lösung, da dann eine energieintensive Raffinierung doppelt ausgeführt werden muss. Es kommt also praktisch zu einer Verlagerung, nicht aber einer Reduktion des Energieverbrauchs.
Ferner ist aus der US 2013 045 902 A1 ein Verfahren bekannt, bei dem für eine verbesserte Gewinnung von Öl ein Lösungsmittel bestehend aus wenigstens einem Alkan mit wenigstens neun Kohlenstoffatomen, einem Ether, und einem aromatischen Kohlenwasserstoff eingesetzt wird. Das Lösungsmittel kann in flüssiger Form oder aber bevorzugt auch in Dampfform eingesetzt werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein alternatives Förderverfahren bereitzustellen, das wenigstens eines der Probleme der oben genannten Verfahren überwindet oder zumindest reduziert. Insbesondere wird eine Reduktion von CO₂-Emissionen angestrebt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 3 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich unter anderem aus den Unteransprüchen.
Insbesondere ist ein Verfahren zum Fördern von hochviskosen Ölen und/oder Bitumen vorgesehen, bei dem ein Kohlenwasserstoff in flüssiger Form mit einem hochviskoses Öl und/oder Bitumen enthaltenden Material in Kontakt gebracht wird, um das hochviskose Öl und/oder Bitumen wenigstens teilweise in dem Kohlenwasserstoff zu lösen oder aufzunehmen, und bei dem das so gelöste hochviskose Öl und/oder Bitumen anschließend mit dem Kohlenwasserstoff in flüssiger Form abgefördert wird. Der Kohlenwasserstoff ist ein solcher, der bei Raumtemperatur und Normaldruck flüssig ist und der aus einem bei Raumtemperatur und Normaldruck gasförmigen, hochviskosen oder festen, weiteren Kohlenwasserstoff hergestellt wird, durch:
Aufspalten des weiteren Kohlenwasserstoffs unter Ausschluss von Sauerstoff in Kohlenstoff und Wasserstoff; Vermischen wenigstens eines Teils der entstehenden Mischung aus Kohlenstoff und Wasserstoff mit CO₂ bei einer erhöhten Temperatur im Bereich von wenigstens 800°C, um die Mischung in eine Synthesegas umzuwandeln; und Leiten des Synthesegases in einen CO-Konverter zur Bildung des flüssigen Kohlenwasserstoffs; oder
Aufspalten des weiteren Kohlenwasserstoffs unter Ausschluss von Sauerstoff in Kohlenstoff und Wasserstoff, Vermischen wenigstens eines Teils des bei der Aufspaltung entstehenden Kohlenstoffs mit CO₂ bei einer erhöhten Temperatur im Bereich von wenigstens 800°C, um die Mischung in CO umzuwandeln, Vermischen wenigstens eines Teils des bei der Aufspaltung entstandenen Wasserstoffs mit dem CO vor und/oder in einem CO-Konverter zur Bildung des flüssigen Kohlenwasserstoffs.
Bei der ersten Variante kann dem Synthesegas vor und/oder in dem CO-Konverter zusätzlicher Wasserstoff, der bei einer Aufspaltung eines bei Raumtemperatur und Normaldruck gasförmigen, hochviskosen oder festen Kohlenwasserstoffs entsteht, zugesetzt werden.
Somit wird ein Verfahren vorgesehen, das mit einem Aufnahmemedium für hochviskoses Öl und/oder Bitumen arbeitet, das bei normalen Umgebungsbedingungen wie zum Beispiel bei Raumtemperatur bei ungefähr 25°C und Normaldruck keine Aufbereitung erfordert und somit einfach zu handhaben ist. Das Aufnahmemedium kann ferner direkt auch zur Förderung des hochviskosen Öls und/oder Bitumen über eine Pipeline eingesetzt werden. Dabei kann das Aufnahmemedium hochviskose Öle und/oder Bitumen teilweise lösen oder auch in Suspension aufnehmen. Dabei sollte der flüssige Kohlenwasserstoff bei der Einleitung bevorzugt eine Viskosität von kleiner 1,0 mPa s (Ns/m²). Bei der Herstellung des flüssigen Kohlenwasserstoffs kann bevorzugt aus einem anderen Prozess, wie zum Beispiel der Energieerzeugung stammendes CO₂ gebunden werden, sodass ein CO₂ Ausstoß vor Ort reduziert oder gar im Wesentlichen ganz vermieden werden kann.
Um eine Lösung der hochviskosen Öle und/oder des Bitumens zu fördern, kann der Kohlenwasserstoff vor dem in Kontakt bringen mit dem hochviskoses Öl und/oder Bitumen enthaltenden Material auf eine Temperatur über 50°C, insbesondere über 100°C erwärmt werden. Bei diesen Temperaturen werden flüssige Kohlenwasserstoffe bevorzugt, die bei Standardbedingungen eine Viskosität von 0,5–1,0 Ns/m² aufweisen.
Insbesondere kann der weitere Kohlenwasserstoff ein gasförmiger Kohlenwasserstoff sein, der gegebenenfalls vor Ort verfügbar ist oder auf einfache Weise über eine Pipeline zur Verfügung gestellt werden kann. Bei einer Ausführungsform erfolgt die Aufspaltung des Kohlenwasserstoffs mit Hilfe eines Plasmas. Bevorzugt weist der bei der Aufspaltung entstehende Kohlenstoff nach der Aufspaltung eine Temperatur oberhalb 800°C auf, und der Kohlenstoff wird mit dem CO₂ vermischt, bevor er sich auf eine Temperatur unterhalb 700°C abgekühlt hat. Hierdurch kann für die Aufspaltung eingesetzte Wärme für weitere Prozesse eingesetzt werden.
Bevorzugt stammt das CO₂ aus der Verbrennung von fossilen Brennstoffen und/oder Biomasse für eine Energieerzeugung, die wenigstens teilweise für die Aufspaltung des weiteren Kohlenwasserstoffs eingesetzt wird. Hierdurch kann ein im Wesentlichen geschlossenes System bereitgestellt werden, das die erforderliche Energie für die Förderung bereitstellt aber ohne oder wenigstens mit reduzierten CO₂ Emissionen auskommt, indem das erzeugte CO₂ in dem Kohlenwasserstoff für die Förderung gebunden wird.
Bei einer Ausführungsform wird der Kohlenwasserstoff in flüssiger Form über eine erste Leitung in eine unterirdischen Lagerstätte von hochviskosem Öl und/oder Bitumen eingebracht und anschließend über die erste Leitung oder über eine zweite Leitung nach der Aufnahme von hochviskosem Öl und/oder Bitumen in dem Kohlenwasserstoff aus der unterirdischen Lagerstätte ausgeleitet. Mit diesem Verfahren können auf einfache Weise unterirdische Lagerstätten ausgebeutet werden. Insbesondere können mit diesem Verfahren schon aufgegebene Ölfelder weiter ausgebeutet werden. Bevorzugt kann der Kohlenwasserstoff direkt nach der Ausleitung d. h. ohne weitere Aufbereitung vor Ort über eine Pipeline zu einer entfernt liegenden Weiterverarbeitungsanlage gefördert werden.
Zusätzlich zu dem Kohlenwasserstoff in flüssiger Form kann ein Gas in die unterirdische Lagerstätte eingeleitet wird, um eine Durchmischung des Kohlenwasserstoffs mit dem zu fördernden hochviskosen Öl und/oder dem Bitumen zu fördern.
Bevorzugt wird gemäß der Erfindung am Standort der Förderung flüssiger Kohlenwasserstoff als Lösungsmittel bereitgestellt, welcher die Förderung von hochviskosen Ölen und/oder Bitumen unter erheblicher Einsparung von Primärenergie ermöglicht. Insbesondere kann gemäß einem Aspekt der Erfindung die Bereitstellung des Lösungsmittels CO₂-neutral erfolgen, sodass zum Beispiel der Ölsandabbau in Zukunft umweltverträglicher erfolgen kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert; in den Zeichnungen zeigt:
1 eine schematische Ansicht einer Anlage zum Fördern von hochviskosen Ölen und/oder Bitumen gemäß einer Ausführungsform;
2 eine schematische Ansicht einer Anlage zum Fördern von hochviskosen Ölen und/oder Bitumen gemäß einer weiteren Ausführungsform;
3 eine schematische Darstellung einer weiteren Anlage zur Erzeugung von synthetischem Kohlenwasserstoff gemäß einer Ausführungsform;
4 eine schematische Darstellung einer weiteren Anlage zur Erzeugung von synthetischem Kohlenwasserstoff gemäß einer weiteren Ausführungsform; Es sei bemerkt, dass sich in der folgenden Beschreibung die Ausdrücke oben, unten, rechts und links sowie ähnliche Angaben auf die in den Figuren dargestellten Ausrichtungen bzw. Anordnungen beziehen und nur zur Beschreibung der Ausführungsbeispiele dienen. Diese Ausdrücke sind jedoch nicht im einschränkenden Sinne zu verstehen. Ferner werden in den unterschiedlichen Figuren zum Teil dieselben Bezugszeichen verwendet, sofern gleiche oder ähnliche Teile bezeichnet werden.
1 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht einer Anlage 1 zum Fördern von hochviskosen Ölen und/oder Bitumen aus einer unterirdischen Lagerstätte 3 für hochviskose Öle und/oder Bitumen. Die Anlage besteht im Wesentlichen aus einer Zuführeinheit 5 zum Zuführen von flüssigem Kohlenwasserstoff in die Lagerstätte 3 und einer Fördereinheit 7 zum Fördern eines Gemischs aus dem flüssigen Kohlenwasserstoff und hochviskosen Ölen und/oder Bitumen aus der Lagerstätte 3.
Die Zuführeinheit 5 kann über eine Pipeline 9 mit einem bei Raumtemperatur und Normaldruck flüssigem Kohlenwasserstoff versorgt werden, der über eine erste Bohrung 10 in die Lagerstätte 3 eingebracht wird. Dies kann bei einer erhöhten Temperatur und oder erhöhtem Druck erfolgen, solange der Kohlenwasserstoff weiterhin in flüssiger Form vorliegt. Die Bohrung 10 erstreckt sich in beliebiger Orientierung von einem überirdischen Punkt zu der Lagerstätte 3 und endet bevorzugt in einem oberen Bereich der Lagerstätte 3. Die Zuführeinheit 5 kann sich somit im einfachsten Fall auf eine Pumpstation mit entsprechender Zuführung (Pipeline 9) eines flüssigen Kohlenstoffs und die erste Bohrung 10 beschränken. Obwohl dies nicht dargestellt ist, kann zusätzlich eine Gaszuführung vorgesehen sein, sodass der flüssige Kohlenwasserstoff gemeinsam mit einem Gas über die erste Bohrung 10 in die Lagerstätte 3 eingebracht werden kann, um eine Durchmischung mit den hochviskosen Ölen und/oder Bitumen in der Lagerstätte 3 zu fördern.
Die Fördereinheit 7 steht einerseits über eine zweite Bohrung 12 mit der Lagerstätte 3 in Verbindung und andererseits mit einer Pipeline 13 zum Abführen einer Mischung aus dem flüssigen Kohlenwasserstoff und darin gelösten und/oder aufgenommenen Ölen und/oder Bitumen aus der Lagerstätte 3. Die zweite Bohrung 12 erstreckt sich in beliebiger Orientierung von einem überirdischen Punkt zu der Lagerstätte 3 und endet bevorzugt in einem unteren Bereich der Lagerstätte 3. Insbesondere ist es Vorteilhaft, wenn die Bohrung 12 höhenmäßig unter der Bohrung 10 endet. Als Bohrung ist hier in der Regel eine Leitung zu Verstehen, die durch einen Bohrvorgang in die Lagerstätte 3 eingebracht wurde. Die Mischung aus dem flüssigen Kohlenwasserstoff und darin gelösten und/oder aufgenommenen Ölen und/oder Bitumen kann über eine nicht näher dargestellte Pumpe über die Bohrung 12 aus der Lagerstätte 3 gefördert und der Pipeline 13 zugeführt werden. Die Pipeline 13 kann mit einer Weiterverarbeitungsanlage für die Mischung in Verbindung stehen.
Nachfolgend wird ein einfacher Betrieb der Anlage 1 erläutert, bei dem zunächst ein bei Raumtemperatur und Normaldruck flüssiger Kohlenwasserstoff über die Pipeline 9 und die Zuführeinheit 5 mit der ersten Bohrung 10 in die Lagerstätte 3 eingebracht wird. Innerhalb der Lagerstätte 3 kommt der flüssige Kohlenwasserstoff mit hochviskosen Ölen und/oder Bitumen in der Lagerstätte 3 in Kontakt und löst diese teilweise auf. Ferner können auch hochviskose Öle und/oder Bitumen in Suspension in dem flüssigen Kohlenwasserstoff aufgenommen werden. Der flüssige Kohlenwasserstoff mit darin aufgenommenen hochviskosen Ölen und/oder Bitumen fließt innerhalb der Lagerstätte 3 in Richtung tiefer gelegener Punkte, wie zum Beispiel in den Bereich am Ende der Bohrung 12. Von dort wird der flüssige Kohlenwasserstoff mit darin aufgenommenen hochviskosen Ölen und/oder Bitumen über die Bohrung 12 abgepumpt und der Pipeline 13 zugeführt. Dabei besitzt der flüssige Kohlenwasserstoff mit darin aufgenommenen hochviskosen Ölen und/oder Bitumen bevorzugt eine ausreichend geringe Viskosität um eine Förderung auch über weitere Strecken zu einer entfernt gelegenen Weiterverarbeitungsanlage zu ermöglichen. Hierdurch können im Bereich der Lagerstätte 3 aufwändige Crackingverfahren oder sonstige Prozesse zur Aufbereitung der geförderten hochviskosen Öle und/oder Bitumen für einen Weitertransport entfallen.
2 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht einer alternativen Anlage 1 zum Fördern von hochviskosen Ölen und/oder Bitumen aus einer unterirdischen Lagerstätte 3. Die Anlage 1 gleicht im Wesentlichen der zuvor beschriebenen mit einer Zuführeinheit 5, einer Fördereinheit 7, einer Pipeline 9, einer ersten Bohrung 10, einer zweiten Bohrung 12 und einer weiteren Pipeline 13. Diese können in der gleichen Weise ausgebildet sein wie bei der ersten Ausführungsform.
Jedoch sind im Bereich der Lagerstätte 3 an den jeweiligen Enden der Bohrungen 10, 12 zusätzliche Querbohrungen 15, 16 mit einer jeweiligen Vielzahl von Durchgangsöffnungen 18, 19 vorgesehen. Die Querbohrungen 15, 16 erstrecken sich jeweils Quer zu den Bohrungen 10, 12 innerhalb der Lagerstätte 3, wobei sie horizontal oder auch angepasst an die Kontur der Lagerstätte 3 schräg verlaufen können. Bei der dargestellten Ausführungsform verläuft die mit der Bohrung 10 in Verbindung stehende Querbohrung 15 höhenmäßig oberhalb der mit der Bohrung 12 in Verbindung stehenden Querbohrung 16. Ferner überlappen sich die Querbohrungen 15, 16 in ihren Längserstreckungen. Die Querbohrung 15 ermöglicht während des Betriebs eine verbesserter Verteilung des flüssigen Kohlenwasserstoffs in die Lagerstätte 3 und die Querbohrung 16 eine verbesserte Aufnahme des Gemischs aus dem flüssigen Kohlenwasserstoff und hochviskosen Ölen und/oder Bitumen aus der Lagerstätte 3.
Obwohl bei den obigen Ausführungsformen jeweils wenigstens zwei Bohrungen 10, 12 zur Lagerstätte 3 vorgesehen sind, wäre es auch möglich nur eine einzelne Bohrung vorzusehen, wie beispielsweise die Bohrung 12, über die zunächst ein flüssiger Kohlenwasserstoff in die Lagerstätte 3 eingebracht und anschließend eine Mischung aus flüssigem Kohlenwasserstoff mit darin aufgenommenen hochviskosen Ölen und/oder Bitumen aus der Lagerstätte 3 gefördert wird. Auch sei bemerkt, dass mit dem Grundprinzip der Zuführung eines flüssigen Kohlenwasserstoffs auch hochviskose Öle und/oder Bitumen in überirdischen Lagerstätten abgebaut werden können. Es ist mit dem Grundprinzip auch ein Recycling von bitumen- und/oder asphalthaltigen Materialien in einer Wiederaufbereitungsanlage möglich.
Bei den obigen Ausführungsformen wurden über die Herkunft des bei Raumtemperatur und Normaldruck flüssigen Kohlenwasserstoffs keine Aussagen getroffen. Dieser kann aus unterschiedlichsten Quellen stammen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich jedoch um einen synthetisch hergestellten Kohlenwasserstoff.
Im Nachfolgenden wird unter Bezugnahme auf 3 eine Anlage 100 zur Herstellung eines solchen synthetischen Kohlenwasserstoffs, die bevorzugt in Kombination mit einer Anlage bzw. einem Verfahren zum Fördern von hochviskosen Ölen und/oder Bitumen des oben beschriebenen Typs verwendet wird.
3 zeigt eine Anlage 100 zur Erzeugung von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen, welche einen Anlagenteil 101 zur Umwandlung von Kohlendioxid in Kohlenmonoxid und einen CO-Konverter 131 aufweist.
Der Anlagenteil 101 weist einen Kohlenwasserstoffkonverter 103 auf, welcher einen Kohlenwasserstoffeingang 104 sowie einen ersten Kohlenstoffausgang 105, einen optionalen Wasserstoffausgang 106 sowie einen optionalen zweiten Kohlenstoffausgang 107 aufweist. Der Anlagenteil 101 zur Erzeugung von Kohlenmonoxid weist weiter einen CO₂-Konverter 109 mit einem CO₂-Eingang 110 einem Kohlenstoffeingang 111 (auch als C-Eingang bezeichnet) und einen Ausgang 112 auf. Der Kohlenwasserstoffkonverter 103 und der CO₂-Konverter 109 sind derart angeordnet, dass der Kohlenstoffausgang 105 des Kohlenwasserstoffkonverters 103 über eine direkte Verbindung 108 mit dem Kohlenstoffeingang 111 des CO₂-Konverters 109 verbunden ist, wobei der Ausgang 105 auch direkt den Kohlenstoffeingang 11 des CO₂-Konverters 109 bilden kann. So kann Kohlenstoff aus dem Kohlenwasserstoffkonverter 103 direkt in den CO₂-Konverter 109 transportiert werden.
Der Kohlenwasserstoffkonverter 103 ist irgendein Kohlenwasserstoffkonverter, der eingespeiste Kohlenwasserstoffe in Kohlenstoff und Wasserstoff umwandeln bzw. aufspalten kann. Der Kohlenwasserstoffkonverter 103 weist einen Prozessraum mit einem Einlass für ein Kohlenwasserstoff enthaltendes Fluid, wenigstens eine Einheit zum Einbringen von Aufspaltungsenergie in das Fluid und wenigstens einen Auslass auf. Die Aufspaltungsenergie wird wenigstens teilweise durch Wärme zur Verfügung gestellt, die beispielsweise durch ein Plasma erzeugt wird. Sie kann aber auch auf andere Weise zur Verfügung gestellt werden und wenn primär eine Aufspaltung über Wärme erfolgt, so sollte das Fluid auf über 1000°C insbesondere auf eine Temperatur über 1500°C aufgeheizt werden.
Bei der dargestellten Ausführungsform wird ein Kvaerner Reaktor eingesetzt, der mittels eines Plasmabogens in einem Plasma-Brenner die erforderliche Wärme zur Verfügung stellt. Es sind aber auch andere Reaktoren bekannt, die bei niedrigeren Temperaturen insbesondere unter 1000°C arbeiten und neben der Wärme zusätzliche Energie in den Kohlenwasserstoff einbringen, wie beispielsweise über ein Mikrowellenplasma. Wie Nachfolgend noch näher erläutert wird, zieht die Erfindung beide Reaktortypen (und auch solche die ohne ein Plasma arbeiten) in Betracht, insbesondere auch in Kombination miteinander. Kohlenwasserstoffkonverter die bei einer Temperatur von mehr als 1000°C arbeiten werden nachfolgend als Hochtemperatur-Reaktoren bezeichnet, während solche, die bei Temperaturen unter 1000°C arbeiten, insbesondere bei einer Temperatur zwischen 200°C und 1000°C, als Niedertemperatur-Reaktoren bezeichnet werden.
In dem Reaktor werden mittels Wärme und/oder einem Plasma Wasserstoff und Kohlenstoff aus Kohlenwasserstoffen (CnHm) generiert. Die Kohlenwasserstoffe werden dabei bevorzugt in Gasform in den Reaktor eingebracht. Bei unter Normalbedingungen flüssigen Kohlenwasserstoffen können diese vor dem Einbringen in den Reaktor in Gasform gebracht werden, oder sie könnten auch in einer fein zerstäubten Form eingeleitet werden. Beide Formen werden nachfolgend als Fluide bezeichnet.
Die Auftrennung der Kohlenwasserstoffe sollte möglichst unter Ausschluss von Sauerstoff erfolgen, um die unerwünschte Bildung von Kohlenstoffoxiden oder Wasser zu unterbinden. Geringe Mengen an Sauerstoff, die beispielsweise mit den Kohlenwasserstoffen eingebracht werden, sind aber auch wiederum für den Prozess nicht schädlich.
Bei dem oben beschriebenen Kvaerner Reaktor werden Kohlenwasserstoff enthaltende Fluide in einem Plasmabrenner bei hoher Temperatur in reinen Kohlenstoff (beispielsweise in Form von Aktivkohle, Carbon Black, Graphit oder Industrieruß) und Wasserstoff und ggf. Verunreinigungen getrennt. Die Kohlenwasserstoffe enthaltenden Fluide als Eingangsstoffe für den Kohlenwasserstoffkonverter 103 sind beispielsweise Methan, Erdgas, Biogase, Flüssiggase oder Schweröl, es können aber auch synthetische, funktionalisierte und/oder nicht-funktionalisierte Kohlenwasserstoffe als Eingangsstoffe für den Kohlenwasserstoffkonverter 103 verwendet werden. Nach der ursprünglichen Trennung liegen die Elemente in der Regel als eine Mischung, insbesondere in Form eines Aerosols vor. Diese Mischung kann, wie nachfolgend beschrieben wird, in dieser Form einem weiteren Prozess zugeführt werden, oder sie kann auch in einer entsprechenden, nicht dargestellten Trenneinheit in ihre Einzelelemente getrennt werden. Eine solche Trenneinheit wird im Rahmen dieser Anmeldung als Teil des Kohlenwasserstoffkonverters 103 angesehen, auch wenn sie natürlich als getrennte Einheit ausgeführt sein kann. Wenn keine Trenneinheit vorgesehen ist, dann ist der Kohlenstoffausgang 105 der einzige Ausgang des Kohlenwasserstoffkonverters 103, der eine Mischung (ein Aerosol) aus Kohlenstoff und Wasserstoff direkt in den CO₂-Konverter 109 leitet. Mit einer Trenneinheit kann, über den Kohlenstoffausgang 105 wenigstens teilweise vom Wasserstoff getrennter Kohlenstoff in den CO₂-Konverter 109 geleitet werden. Über die optionalen Ausgänge 106 und 107 können dann abgetrennter Wasserstoff und ggf. weiterer Kohlenstoff ausgeleitet werden.
Der CO₂-Konverter 109 kann irgendein geeigneter CO₂-Konverter sein, der Kohlenmonoxid (CO) aus Kohlenstoff (C) und Kohlendioxid (CO₂) erzeugen kann. In der Ausführungsform der 3 arbeitet der CO₂-Konverter 109 nach einem Teil der in der Technik bekannten Hochofenreaktion, welche bei Temperaturen zwischen ca. 750°C und 1200°C ohne die Notwendigkeit eines Katalysators abläuft. Vorzugsweise arbeitet der CO₂-Konverter 109 bei einer Temperatur zwischen 800°C und 1000°C, wobei die für das Erreichen dieser Temperatur erforderliche Wärme primär durch den Produktstrom des Kohlenwasserstoffkonverters 103 zur Verfügung gestellt wird, wie nachfolgend noch näher erläutert wird. Im CO₂-Konverter 109 wird CO₂ über heißen Kohlenstoff geleitet oder mit diesem (und ggf. Wasserstoff) vermischt, um gemäß der chemischen Gleichung CO₂ + C → 2CO umgewandelt zu werden. Der CO₂-Konverter 109 arbeitet am besten bei dem Boudouard-Gleichgewicht und einer Temperatur von 1000°C. Bei Temperaturen von 800°C werden etwa 94% Kohlenmonoxid geliefert, und bei Temperaturen um 1000°C werden etwa 99% Kohlenmonoxid geliefert. Ein weiterer Temperaturanstieg bringt keine wesentlichen Änderungen mehr mit sich.
Der Betrieb der Anlage 101 zur Umwandlung von Kohlendioxid in Kohlenmonoxid wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 101 näher erläutert. Dabei wird im Nachfolgenden davon ausgegangen, dass der Kohlenwasserstoffkonverter 103 ein Hochtemperatur Reaktor des Kvaerner Typs ist. Kohlenwasserstoffe enthaltende Fluide (insbesondere in Gasform) werden über den Kohlenwasserstoffeingang 104 in den Kohlenwasserstoffkonverter 103 eingeleitet. Wenn der Kohlenwasserstoff beispielsweise Methan (CH₄) ist, so entstehen 1 mol Kohlenstoff und 2 mol Wasserstoff aus 1 mol Methan. Die Kohlenwasserstoffe werden in dem Kohlenwasserstoffkonverter 103 bei etwa 1600°C gemäß der folgenden Reaktionsgleichung umgewandelt, wobei die zugeführte Energie Wärme ist, die im Plasma mittels elektrischer Energie erzeugt wird: C_nH_m + Energie → nC + m/2H₂
Bei entsprechender Prozessführung ist der Kvaerner Reaktor in der Lage im kontinuierlichen Betrieb eine nahezu 100% Umwandlung des Kohlenwasserstoffs in seine Bestandteile zu erreichen.
Im Nachfolgenden wird davon ausgegangen, dass der Kohlenstoff und der Wasserstoff im Kohlenwasserstoffkonverter 103 getrennt und weitestgehend getrennt ausgeleitet werden. Es ist aber auch möglich, dass eine Trennung nicht erfolgt, und der Kohlenstoff und der Wasserstoff als Gemisch ausgeleitet und dem CO₂-Konverter 109 zugeführt werden. Der Wasserstoff beeinträchtigt nicht den Umwandlungsprozess im CO₂-Konverter 109, kann aber als zusätzlicher Wärmeträger dienen. Der Kohlenstoff wird zumindest teilweise direkt über den Kohlenstoffausgang 105 in den Kohlenstoffeingang 111 des CO₂-Konverters 109 geleitet. Dabei soll das „direkte” leiten vom Ausgang 105 des Kohlenwasserstoffkonverters 103 zum Kohlenstoffeingang 111 des CO₂-Konverters 109 alle solche Varianten umfassen, bei denen keine Abkühlung von mehr als 50% bezogen auf die Temperatur (vorzugsweise von nicht mehr als 80%) der geleiteten Stoffe auftritt. Da der aus dem Kohlenwasserstoffkonverter 103 austretende Kohlenstoff eine hohe Temperatur bevorzugt über 1000°C aufweist, kann die darin enthaltene Wärmeenergie zum Erhalten der erforderlichen Temperatur für den Umwandlungsprozesses im CO₂-Konverter 109 verwendet werden, der vorzugsweise bei einer Temperatur von ca. 1000°C arbeitet.
Die Verbindung 108 zwischen dem Kohlenwasserstoffkonverter 103 und dem CO₂-Konverter 109 ist so ausgestaltet, dass sich der Kohlenstoff auf dem Weg vom Kohlenwasserstoffkonverter 103 zum CO₂-Konverter 109 nicht stark abkühlt (um weniger als 50%, bevorzugt weniger als 20% bezogen auf die Temperatur). Beispielsweise kann die Verbindung 108 besonders isoliert und/oder sogar aktiv beheizt sein, wobei dem System bevorzugt – neben Wärme die im Kohlenwasserstoffkonverter 103 erzeugt wird – keine weitere Wärme zugeführt wird. Optional ist es aber auch möglich im Bereich der Verbindung 108 eine Wärmetauscher 125 vorzusehen, um Wärme zum Vorheizen einer CO₂-Strömung in den CO₂-Konverter 109 abzuleiten. Der im Kohlenwasserstoffkonverter 103 erzeugte Wasserstoff enthält aufgrund der Betriebstemperatur im Kohlenwasserstoffkonverter 103 ebenfalls Wärmeenergie. Daher besteht optional die Möglichkeit Wärmeenergie des aus dem Wasserstoffausgang 106 herausgeleiteten Wasserstoffes, direkt oder indirekt über eine Wärmetauscheranordnung 127 zum Beheizen der CO₂-Strömung in den CO₂-Konverter 109, der Verbindung 108 und/oder des CO₂-Konverter 109 zu verwenden.
Im CO₂-Konverter 109 wird CO₂, das über den CO₂-Eingang 110 des CO₂-Konverters 109 eingeleitet wird, über den heißen Kohlenstoff geleitet und/oder mit diesem vermischt. Der CO₂-Konverter 109 arbeitet am besten beim Boudouard-Gleichgewicht, welches sich bei der Umsetzung von Kohlendioxid mit heißem Kohlenstoff einstellt. Die Reaktion, welche dem Fachmann bekannt ist, ist abhängig von Druck und Temperatur und wird hier nicht im Einzelnen beschrieben. Entweder die Menge des in den CO₂-Konverter 109 eingeleiteten CO₂ oder die Menge des Kohlenstoffs kann über geeignete Mittel gesteuert und/oder geregelt werden. CO₂ + C → 2CO; ΔH = +172,45 kJ/mol
Das CO₂ kann beispielsweise aus einem beliebigen Verbrennungskraftwerk (Kohle-, Gas- und/oder Ölkraftwerk) stammen, wobei es aber bevorzugt aus einem Gaskraftwerk stammt, das einerseits die für den Kohlenwasserstoffkonverter 103 und/oder für die Anlage 1 (Pumpen, Heizeinheiten etc.) erforderliche Energie erzeugt. Vorzugsweise wird im Wesentlichen der gesamte CO₂ Ausstoß eines solchen Kraftwerks dem CO₂-Konverter 109 zugeführt und dort umgewandelt. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Gesamtanlage und somit die Förderung von hochviskosen Ölen und/oder Bitumen im Wesentlichen ohne CO₂ Emissionen auskommt. Je nach Standort, kann das CO₂ aber auch ganz oder auch zusätzlich aus einem anderen Prozess (wie Beispielsweise der Stahl- oder Zementherstellung) stammen, der geeignete Mengen an CO₂ erzeugt, sofern eine entsprechende Industrie vor Ort ist. Dies wird am ehesten bei einem Recycling von bitumen- und/oder asphalthaltigen Materialien in einer entsprechenden Wiederaufbereitungsanlage in industrialisierten Gegenden der Fall sein.
Abhängig von der Temperatur des CO₂ aus der CO₂-Quelle, ist es vorteilhaft, das in den CO₂-Eingang 110 des CO₂-Konverters 109 eingeleitete CO₂ vorzuwärmen, da der CO₂-Konverter 109 bei einer Temperatur zwischen 800 und 1200°C arbeitet. Eine Vorwärmung des CO₂ kann beispielsweise erreicht werden, indem die in dem heißen Wasserstoff enthaltene Wärmeenergie direkt oder indirekt über eine Wärmetauscheranordnung zum Vorwärmen des CO₂ verwendet wird. Bevorzugt reicht aber auch die im Kohlenstoff enthaltene Wärme, um das CO₂ auf die gewünschte Temperatur zu bringen. Nur für den Fall, dass die im Kohlenwasserstoffkonverter 103 erzeugte Wärme nicht ausreicht, um die gewünschte Umwandlungstemperatur von ungefähr 1000°C zu erreichen, kann eine optionale zusätzliche Heizeinheit zum Erwärmen des CO₂-Konverters 109 oder der darin befindlichen Elemente vorgesehen sein. Eine solche kann auch als eine Vorheizeinheit im Bereich einer Zuleitung für das CO₂ oder den Kohlenstoff eingesetzt werden. Sie kann auch nur für den Start der Anlage eingesetzt werden, um zunächst den CO₂-Konverter 109 oder medienführende Teile der Anlage auf eine Anfangstemperatur zu bringen, damit das System schneller einen gewünschten Temperaturzustand erreicht.
Aus dem CO₂-Konverter 109 tritt heißes Kohlenmonoxid (CO) bei einer Temperatur von ungefähr 800 bis 1000°C aus (abhängig von der Betriebstemperatur des CO₂-Konverters 109). Das aus dem CO₂-Konverter 109 austretende Kohlenmonoxid enthält also ebenfalls Wärmeenergie, die optional direkt oder indirekt über einen in 3 bei 126 angedeuteten Wärmetauscher beispielsweise zum Vorwärmen des in den CO₂-Eingang 110 eingeleiteten CO₂ verwendet werden kann.
Wie oben erwähnt, kann der Kohlenwasserstoffkonverter 103 einen zweiten Kohlenstoffausgang 107 zum Ausleiten von Kohlenstoff aufweisen. Der im Kohlenwasserstoffkonverter 103 erzeugte Kohlenstoff kann – nach einer entsprechenden Trennung (oder auch als C-H₂ Mischung) in unterschiedlichen Anteilen aus dem ersten Kohlenstoffausgang 105 und dem zweiten Kohlenstoffausgang 107 herausgeleitet werden. Der zweite Kohlenstoffausgang 107 wird verwendet, um gegebenenfalls einen Anteil des erzeugten Kohlenstoffes zu entnehmen, der nicht im CO₂-Konverter 109 zur Erzeugung von Kohlenmonoxid verwendet wird. Der aus dem zweiten Kohlenstoffausgang 107 entnommene Kohlenstoff kann als Aktivkohle, Graphit, Carbon Black oder andere Modifikation, wie Carbon Cones oder Carbon Discs, entnommen werden. Je nach Form und Qualität des entnommenen Kohlenstoffes kann der entnommene Kohlenstoff als Rohstoff industriell verwertet werden. Sollte ein entsprechender Abtransport aufgrund der Lage einer Lagerstätte 3 nicht möglich sein, wäre auch eine Verwertung zur Energieerzeugung denkbar.
Mit Hilfe des oben dargestellten Verfahrens zur Umwandlung von Kohlendioxid in CO ist es möglich, den heißen Kohlenstoff aus dem Kohlenwasserstoffkonverter 103 mit warmem bis heißem Kohlendioxid aus der Abluft von Industrieprozessen im CO₂-Konverter 109 ohne oder wenigstens ohne nennenswerte externe Energiezufuhr zu Kohlenmonoxid umzusetzen. Bevorzugt sollten wenigstens 80%, insbesondere wenigstens 90% der zum Erreichen der Umwandlungstemperatur erforderlichen Wärme aus dem Kohlenwasserstoffkonverter 103 stammen.
Der CO-Konverter 131 ist stromabwärts zum CO₂-Konverter 109 angeordnet und weist einen CO-Eingang 132 zum Einleiten von CO, einen H₂-Eingang 133 zum Einleiten von Wasserstoff und einen Kohlenwasserstoffausgang 134 zum Ausleiten von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffe auf. Der CO-Eingang 132 des CO-Konverters 131 ist mit dem CO-Ausgang 112 des CO₂-Konverters 109 durch eine CO-Verbindung 135 verbunden. Der H₂-Eingang 133 des CO-Konverters 131 ist durch eine H₂-Verbindung 136 mit dem H₂-Ausgang 106 des Kohlenwasserstoffkonverters 103 verbunden. Alternativ ist es aber auch möglichen, dass der CO-Konverter nur einen Synthesegaseingang für Synthesegas aufweist, das in einem Mischer erzeugt wird. Ein solcher Mischer kann zum Beispiel mit dem CO-Ausgang 112 des CO₂-Konverters 109 und dem H₂-Ausgang 106 des Kohlenwasserstoffkonverters 103 verbunden sein, um eine Vermischung der Gase zur Bildung eines Synthesegases außerhalb des CO-Konverters 131 zu ermöglichen. Der Ausgang des Mischers würde dann mit dem Synthesegaseingang des CO-Konverters in Verbindung stehen.
Der CO-Konverter 131 kann ein beliebiger CO-Konverter zur Herstellung von synthetischen, funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen sein. In der gezeigten Ausführungsform der 103, ist der CO-Konverter bevorzugt entweder ein Fischer-Tropsch-Konverter, ein Bergius-Pier-Konverter oder ein Pier-Konverter mit einem entsprechenden Katalysator und einer Temperatur und/oder Druck-Steuereinheit.
In einer Ausführungsform weist der CO-Konverter 131 einen Fischer-Tropsch-Konverter auf. Ein Fischer-Tropsch-Konverter wandelt katalytisch ein Synthesegas zu Kohlenwasserstoffen und Wasser um. Dem Fachmann sind verschiedene Ausführungen von Fischer-Tropsch-Reaktoren und Fischer-Tropsch-Verfahren bekannt, die hier nicht im Detail dargestellt werden sollen. Die Hauptreaktionsgleichungen lauten wie folgt: nCO + (2n + 1)H₂ → CnH_2n+2 + nH₂O für Alkane nCO + (2n)H2 → C_nH_2n + nH₂O für Alkene nCO + (2n)H₂ → C_nH_2n+1OH + (n – 1)H₂O für Alkohole
Die Fischer-Tropsch-Verfahren können als Hochtemperatur-Verfahren oder als Niedrigtemperatur-Verfahren durchgeführt werden, wobei die Prozesstemperaturen im Allgemeinen zwischen 200 und 400°C liegen. Bekannte Varianten des Fischer-Tropsch-Verfahrens sind u. a. die Hochlast-Synthese, die Synthol-Synthese und das SMDS-Verfahren der Firma Shell (SMDS = Shell Middle Distillate Synthesis). Durch einen Fischer-Tropsch-Konverter wird typischerweise eine Kohlenwasserstoffverbindung aus Flüssiggasen (Propan, Butan), Benzin, Kerosin (Dieselöl), Weichparaffin, Hartparaffin, Methanol, Methan-Dieselkraftstoff oder eine Mischung mehrerer derselben erzeugt. Dabei sollte das Verfahren so eingestellt und/oder gesteuert werden, dass ein möglichst großer Anteil an flüssigem Kohlenwasserstoff, der für die Förderung von hochviskosen Ölen und/oder Bitumen in der Lagerstätte 3 geeignet ist, anfällt. Die Fischer-Tropsch-Synthese ist exotherm, wie dem Fachmann bekannt ist. Die Reaktionswärme aus dem Fischer-Tropsch-Verfahren kann mittels eines (in den Figuren nicht gezeigten) Wärmetauschers, beispielsweise zum Vorwärmen von CO₂ verwendet werden. Es wird beispielsweise eine zweistufige Vorwärmung des in den CO₂-Konverter 109 eingeleiteten CO₂ in Betracht gezogen, wobei zuerst eine Vorwärmung mittels der Abwärme des CO-Konverters 131 (in der Ausführung als Fischer-Tropsch-Konverter) erfolgt und danach eine weitere Erwärmung des CO₂ mittels Wärme von einem oder mehreren der Wärmetauscher 125, 126, 127.
In einer alternativen Ausführungsform weist der CO-Konverter 131 einen Bergius-Pier-Konverter oder eine Kombination eines Pier-Konverters mit einem MtL-Konverter (MtL = Methanol-to-Liquid) auf.
In einem Bergius-Pier-Konverter läuft das dem Fachmann wohl bekannte Bergius-Pier-Verfahren ab, bei dem Kohlenwasserstoffe durch Hydrierung von Kohlenstoff mit Wasserstoff in einer exothermen chemischen Reaktion erzeugt werden. Das Spektrum der Ausgangsprodukte aus dem Bergius-Pier-Verfahren hängt von den Reaktionsbedingungen und der Reaktionsführung ab. Es werden hauptsächlich flüssige Endprodukte erhalten, die als Kraftstoffe verwendet werden können, beispielsweise Schwer- und Mittelöle. Bekannte Entwicklungen des Bergius-Pier-Verfahrens sind beispielsweise das Konsol-Verfahren und das H-Coal-Verfahren.
In der oben erwähnten Kombination eines Pier-Konverters mit einem MtL-Konverter wird zunächst Synthesegas nach dem bekannten Pier-Verfahren in Methanol umgewandelt. Der MtL-Konverter ist ein Konverter, in dem Methanol zu Benzin umgewandelt wird. Ein verbreitetes Verfahren ist das MtL-Verfahren der Fa. ExxonMobil bzw. Esso. Eingangsprodukt des MtL-Konverters ist typischerweise Methanol, beispielsweise aus dem Pier-Konverter. Das Ausgangsprodukt, das vom MtL-Konverter erzeugt wird, ist typischerweise Benzin, das als flüssiger Kohlenwasserstoff für die Förderung von hochviskosen Ölen und/oder Bitumen in der Lagerstätte 3 geeignet ist.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass in dem CO-Konverter 131, egal nach welchem der oben dargestellten Prinzipien dieser arbeitet, als Endprodukt unter anderem flüssige Kohlenwasserstoffe, die für die Förderung von hochviskosen Ölen und/oder Bitumen in der Lagerstätte 3 geeignet sind, aus CO und H₂ hergestellt werden können. Die Prozesswärme, die bei der exothermen Umsetzung im CO-Konverter 131 auftritt, kann wiederum über einen Wärmetauscher zum Beheizen unterschiedlicher Bereiche der Anlage oder zum Erzeugen von Strom verwendet werden, um den Wirkungsgrad der hier beschriebenen Anlagen zu verbessern.
Als Produkt des CO-Konverters 131 kann eine Mischung von Kohlenwasserstoffen vorliegen, die einen Anteil an Kohlenwasserstoffen enthält, der nach Auftrennung nicht als flüssiger Kohlenwasserstoffe für die Förderung von hochviskosen Ölen und/oder Bitumen in der Lagerstätte 3 geeignet ist. Dieser Anteil kann, sofern er nicht direkt weiterverarbeitet oder als Fertigprodukt profitabel verkauft werden kann, wie beispielsweise Methan oder Paraffine in den hier beschriebenen Prozess zurückgeführt werden. Zu diesem Zweck weist die Anlage 100 eine Rückleitungsverbindung 139 auf, mit deren Hilfe ein Teil der synthetisch erzeugten Kohlenwasserstoffe zurück zum Kohlenwasserstoffeingang 104 des Kohlenwasserstoffkonverters 103 geleitet werden können. Je nach Zusammenstellung der zurückgeleiteten, synthetisch erzeugten Kohlenwasserstoffe erfolgt vor der Einleitung in den Kohlenwasserstoffeingang 104 noch eine Aufbereitung bzw. Abtrennung von nicht geeigneten Kohlenwasserstoffen.
4 zeigt ein Beispiel einer Anlage mit einer Vielzahl von nebeneinander betriebenen Kohlenwasserstoffkonvertern als eine weitere Ausführung der Anlage 100 zur Erzeugung von synthetischen funktionalisierten und/oder nicht-funktionalisierten Kohlenwasserstoffen. In 4 werden dieselben Bezugszeichen, wie bei der vorherigen Ausführungsform verwendet, sofern gleiche oder ähnliche Elemente beschrieben werden. Bei der in 4 gezeigten Ausführung ist statt eines einzelnen Kohlenwasserstoffkonverters 103 eine Kombination eines Hochtemperatur-Kohlenwasserstoffkonverters 103a und eines Niedertemperatur-Kohlenwasserstoffkonverters 103b vorgesehen.
Der Hochtemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter 103a weist einen Kohlenwasserstoffeingang 104a, einen ersten Ausgang 105a zum Ausleiten von Kohlenstoff und einen zweiten Ausgang 106a zum Ausleiten von Wasserstoff auf. Wiederum kann aber auch ein einzelner Ausgang 105a für eine Mischung (insbesondere ein Aerosol) aus Kohlenstoff und Wasserstoff vorgesehen sein. Der Ausgang 105a ist über eine Verbindung 108 mit dem Eingang 111 des CO₂-Konverters 109 verbunden. Der optionale Ausgang 106a des Hochtemperatur-Kohlenwasserstoffkonverters 103a ist mit dem H₂-Eingang 133 des CO-Konverters 131 verbunden. Der Hochtemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter 103a kann optional einen in der 105 nicht gezeigten, weiteren Ausgang für Kohlenstoff aufweisen.
Der Niedertemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter 103b weist einen Prozessraum mit einen Kohlenwasserstoffeingang 104b, einen ersten Ausgang 105b zum Ausleiten von Kohlenstoff, einen zweiten Ausgang 106b zum Ausleiten von Wasserstoff, und einen optionalen dritten Ausgang 107b zum Ausleiten von Kohlenstoff auf. Bevorzugt weist der Niedertemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter 103b eine Trenneinheit auf, um Wasserstoff und Kohlenstoff nach Aufspaltung zu trennen und den jeweiligen Ausgängen zuzuleiten. Der erste Ausgang 105b ist optional über die Verbindung 108 mit dem Eingang 111 des CO₂-Konverters 109 verbunden, kann aber auch mit einer Kohlenstoff-Sammeleinheit verbunden sein. Der Ausgang 106b des Niedertemperatur-Kohlenwasserstoffkonverters 103b ist mit dem H₂-Eingang 133 des CO-Konverters 131 verbunden. Der optionale dritte Ausgang 107b ist mit einer Kohlenstoff-Sammeleinheit verbunden, aus der gesammelter Kohlenstoff zum Beispiel als Carbon Black, Aktivkohle oder einer anderen Form entnommen werden kann.
Der Kohlenwasserstoff, der in den Kohlenwasserstoffeingang 104a und in den Kohlenwasserstoffeingang 104b eingeleitet wird, kann der gleiche Kohlenwasserstoff sein oder es können unterschiedliche Kohlenwasserstoffe sein. In den Kohlenwasserstoffeingang 104a kann Kohlenwasserstoff aus einer ersten Kohlenwasserstoffquelle eingeleitet werden, beispielsweise Erdgas aus einem Erdgasvorrat. In den Kohlenwasserstoffeingang 104b des Niedertemperatur-Kohlenwasserstoffkonverters 103b kann hingegen zum Beispiel funktionalisierter und/oder nicht-funktionalisierter, synthetisch hergestellter Kohlenwasserstoff eingeleitet werden, beispielsweise über die zuvor erwähnte optionale Rückleitungsverbindung 139. Durch die Verwendung von mehreren, parallel betriebenen Kohlenwasserstoffkonvertern 103a, 103b ist die Anlage 100 leichter skalierbar, leichter steuerbar und es können unterschiedliche Arten von Kohlenstoff hergestellt werden.
Darüber hinaus kann zum Beispiel mit Vorteil der Hochtemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter 103a verwendet werden, um „heißen” Kohlenstoff vorzugsweise mit einer Temperatur über 1000°C für die CO₂ Umwandlung im CO₂-Konverter 109 zu erzeugen. Hierbei kann der Hochtemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter 103a insbesondere ohne eine Trenneinheit auskommen, da die durch die Aufspaltung gewonnene C-H₂ Mischung direkt in den CO₂-Konverter 109 eingeleitet werden kann. In diesem Fall gibt der CO₂-Konverter 109 dann am Ausgang zum Beispiel ein Synthesegas mit einem C-H₂ Mischungsverhältnis von ungefähr 1:1 aus.
Der Niedertemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter 103b wird hingegen primär zur Erzeugung von zusätzlichem Wasserstoff verwendet, um für die Erzeugung eines Synthesegases oder einer C-H₂ Mischung mit einem C-H₂ Mischungsverhältnis von größer 1:1 insbesondere größer 1:2 für den CO-Konverter 131 bereitstellen zu können. Da hier kein Wärmetransfer vom Niedertemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter 103b zu einem nachfolgenden Prozess erforderlich ist, kann er vorteilhaft mit Temperaturen unter 1000°C und bevorzugt bei der niedrigsten möglichen Temperatur betrieben werden.
Im Betrieb der Anlage 100 kann somit ein Teil des in den Kohlenwasserstoffkonvertern 103a, 103b erzeugten Kohlenstoffes (bevorzugt der aus dem Hochtemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter 103a) in den CO₂-Konverter 109 eingeleitet werden, während ein anderer Teil (bevorzugt der aus dem Niedertemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter 103b) als Grundstoff für die Erzeugung von weiteren Produkten aus dem Verfahren ausgeleitet werden kann. Gegebenenfalls überschüssiger Wasserstoff kann anderweitig, beispielsweise zur Erzeugung von Strom (durch Verbrennen) verwendet werden, wobei der Niedertemperatur-Kohlenwasserstoffkonverter 103b bevorzugt so betrieben wird, dass er nur den erforderlichen zusätzlichen Wasserstoff bereitstellt.
Aus der obigen Beschreibung ergibt sich ein Verfahren, das durch den Einsatz eines bevorzugt synthetisch hergestellten flüssigen Kohlenwasserstoffs eine gute und umweltfreundliche Förderung von hochviskosen Ölen und/oder Bitumen ermöglicht.
Verwendet man für die erforderliche Energieerzeugung mittels Gas ein modernes Gaskraftwerk mit Kraft-Wärme-Kopplung, so kann dieses Kraftwerk Wärmeenergie und Strom zum Betrieb der Anlage 1 sowie der Anlage 100 zur Verfügung stellen. Mit einem Teil des Stroms erfolgt die Herstellung des flüssigen Kohlenwasserstoffs, wobei die CO₂-Emissionen des Gaskraftwerks vollständig oder zumindest zum größten Teil in die flüssige Kohlenwasserstoffe (insbesondere Benzin, Kerosin, Diesel) eingeht, welches für die Förderung der hochviskosen Öle und/oder Bitumen in der Lagerstätte 3 eingesetzt wird. Gleichzeitig kann genug Strom zum Pumpen der entstehenden Flüssigkeiten und gegebenenfalls auch zum Betrieb eines Crackers bereitgestellt werden, sofern ein solcher vor Ort betrieben werden soll.
Der Abbau kann durch Herauslösen des Bitumens mittels des vor Ort hergestellten flüssigen Kohlenwasserstoffs erfolgen. Es wird praktisch ein künstliches Rohöl hergestellt, das aus der Lagerstätte gepumpt und anschließend per Pipeline in eine Raffinerie verbracht werden kann. Eine Aufarbeitung des so hergestellten künstliches Rohöls kann erst in der Raffinerie erfolgen, sodass vor Ort ein Destillationsschritt gespart werden kann. Gegenüber dem Wasserdampfverfahren entfällt an der Lagerstätte die Erzeugung des Wasserdampfes mit den damit zusammenhängenden Umweltproblemen.
Für Förderfirmen kann sich noch ein weiterer Vorteil ergeben, der durch einen lokalen Arbeitskräftemangel bestehen kann, wie es beispielsweise in Alberta schon der Fall ist, da gegenüber den bestehenden Verfahren einige Arbeitsschritte vollständig wegfallen und andere Arbeitsschritte an einen entfernt gelegenen Raffineriestandort verlagert werden können. Ferner profitiert die Umwelt, da der Wasserverbrauch erheblich reduziert wird, und insbesondere CO₂-Emissionen verringert oder gar komplett vermieden werden können.
Die Erfindung wurde anhand spezieller Ausführungsformen und anhand einiger Beispiele näher erläutert, ohne hierauf beschränkt zu sein. Insbesondere sind die Elemente der einzelnen Ausführungsformen miteinander kombinierbar und/oder austauschbar, sofern kompatibel. Dem Fachmann werden sich zahlreiche Modifikationen und Abweichungen ergeben, die in den Umfang der nachfolgenden Ansprüche fallen. Insbesondere ist auch eine überirdische Förderung von hochviskosen Ölen und/oder Bitumen oder ein Recycling von bitumen- und/oder asphalthaltigen Materialien in einer Wiederaufbereitungsanlage denkbar. Insbesondere können auch Ölsande mit dem flüssigen Kohlenwasserstoff in Kontakt gebracht werden, um das Öl/Bitumen zu lösen und anschließend feste Bestandteile des Ölsandes, insbesondere den Sand herauszufiltern. Auch ein „Ausspülen” von weitestgehend ausgebeuteten Ölfeldern als Lagerstätte von hochviskosem Öl/Bitumen wird in Betracht gezogen. Obwohl die Anlage 100 zur Erzeugung von synthetischen funktionalen und/oder nicht-funktionalen Kohlenwasserstoffen als an einer Lagerstätte 3 liegend beschrieben wurde, kann eine entsprechende Anlage 100 auch eine gewisse Entfernung zur Lagerstätte 3 aufweisen. In diesem Fall könnte der erzeugte flüssige Kohlenwasserstoff zum Beispiel über eine Pipeline zur Lagerstätte 3 verbracht werden. In einer solchen Konstellation können beispielsweise auch mehrere Lagerstätten 3 von einer einzigen Anlage 100 aus mit flüssigem Kohlenwasserstoff versorgt werden. Eine solche Anlage 100 könnte dann zum Beispiel auch noch CO₂-Emissionen aus anderen Anlagen und Prozessen in dem flüssigen Kohlenwasserstoff binden und damit eine Freisetzung in die Umwelt zunächst vermeiden.
In einer besonders einfachen Ausgestaltung einer Anlage zur Erzeugung von synthetischen funktionalen und/oder nicht-funktionalen Kohlenwasserstoffen kann der CO₂-Konverter zum Beispiel als einfache Rohrleitung (zum Beispiel ein Ausgangsrohr eines keine Trenneinheit aufweisenden Hochtemperatur-Kohlenwasserstoffkonverters) ausgebildet sein in das eine CO₂-Leitung einmündet. Dabei sollte die CO₂-Leitung so in die Rohrleitung einmünden, dass eine gute Durchmischung der jeweiligen Medienströme erreicht wird. Die Rohrleitung sollte von einer Isolierung umgeben sein und könnte beispielsweise im Bereich eines Eingangsendes mit einer Heizeinheit in Verbindung stehen, um die Rohrleitung insbesondere zu Beginn des Betriebs auf eine Betriebstemperatur vorzuwärmen. Weiter stromabwärts könnte die Rohrleitung wiederum mit einem Wärmetauscher in Verbindung stehen, der überschüssige Wärme ableiten und gegebenenfalls zum Wärmen anderer Bereiche der Anlage und/oder zur Erzeugung von Strom einsetzen kann. In die Rohrleitung kann zusätzlich (zum Beispiel stromabwärts des Wärmetauschers) eine Zuleitung für Wasserstoff einmünden, sodass dieselbe Rohrleitung nicht nur die Funktion eines CO₂-Konverters sondern auch eines Mischers zum Erzeugen eines Synthesegases übernehmen kann. Die Zuleitung für Wasserstoff kann zum Beispiel von einem Wasserstoffausgang eines Niedertemperatur-Kohlenwasserstoffkonverters (mit Trenneinheit) stammen. Ein Ausgangsende der Rohrleitung, an dem ein Synthesegas mit einem vorbestimmten Mischungsverhältnis ausgegeben werden kann, könnte dann in einem CO-Konverter enden.

Claims

Verfahren zum Fördern von hochviskosen Ölen und/oder Bitumen, das folgendes aufweist: Herstellen eines Kohlenwasserstoffes, der bei Raumtemperatur und Normaldruck flüssig ist, aus einem bei Raumtemperatur und Normaldruck gasförmigen, hochviskosen oder festen, weiteren Kohlenwasserstoff durch: Aufspalten des weiteren Kohlenwasserstoffs unter Ausschluss von Sauerstoff in Kohlenstoff und Wasserstoff; Vermischen wenigstens eines Teils der entstehenden Mischung aus Kohlenstoff und Wasserstoff mit CO₂ bei einer erhöhten Temperatur im Bereich von wenigstens 800°C, um die Mischung in eine Synthesegas umzuwandeln; Leiten des Synthesegases oder des CO in einen CO-Konverter zur Bildung des flüssigen Kohlenwasserstoffs; In-Kontakt-Bringen des flüssigen Kohlenwasserstoffes mit einem hochviskoses Öl und/oder Bitumen enthaltenden Material, um das hochviskose Öl und/oder Bitumen wenigstens teilweise in dem flüssigen Kohlenwasserstoff zu lösen oder aufzunehmen, und Abfördern des so gelösten hochviskosen Öls und/oder Bitumens mit dem flüssigen Kohlenwasserstoff.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei dem Synthesegas vor und/oder in dem CO-Konverter zusätzlicher Wasserstoff, der bei einer Aufspaltung eines bei Raumtemperatur und Normaldruck gasförmigen, hochviskosen oder festen Kohlenwasserstoffs entsteht, zugesetzt wird.
Verfahren zum Fördern von hochviskosen Ölen und/oder Bitumen, das folgendes aufweist: Herstellen eines Kohlenwasserstoffes, der bei Raumtemperatur und Normaldruck flüssig ist, aus einem bei Raumtemperatur und Normaldruck gasförmigen, hochviskosen oder festen, weiteren Kohlenwasserstoff durch: Aufspalten des weiteren Kohlenwasserstoffs unter Ausschluss von Sauerstoff in Kohlenstoff und Wasserstoff; Vermischen wenigstens eines Teils des bei der Aufspaltung entstehenden Kohlenstoffs mit CO₂ bei einer erhöhten Temperatur im Bereich von wenigstens 800°C, um die Mischung in CO umzuwandeln; Leiten des CO in einen CO-Konverter und Vermischen wenigstens eines Teils des bei der Aufspaltung entstandenen Wasserstoffs mit dem CO vor und/oder in dem CO-Konverter zur Bildung des flüssigen Kohlenwasserstoffs; In-Kontakt-Bringen des flüssigen Kohlenwasserstoffes mit einem hochviskoses Öl und/oder Bitumen enthaltenden Material, um das hochviskose Öl und/oder Bitumen wenigstens teilweise in dem flüssigen Kohlenwasserstoff zu lösen oder aufzunehmen, und Abfördern des so gelösten hochviskosen Öls und/oder Bitumens mit dem flüssigen Kohlenwasserstoff.
Verfahren nach Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der flüssige Kohlenwasserstoff vor dem in Kontakt bringen mit dem hochviskoses Öl und/oder Bitumen enthaltenden Material auf eine Temperatur über 50°C erwärmt wird, ohne dass er dabei siedet.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der flüssige Kohlenwasserstoff vor dem in Kontakt bringen mit dem hochviskoses Öl und/oder Bitumen enthaltenden Material auf eine Temperatur über 80°C erwärmt wird, ohne dass er dabei siedet.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der flüssige Kohlenwasserstoff vor dem in Kontakt bringen mit dem hochviskoses Öl und/oder Bitumen enthaltenden Material auf eine Temperatur über 100°C erwärmt wird, ohne dass er dabei siedet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der weitere Kohlenwasserstoff ein gasförmiger Kohlenwasserstoff ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aufspaltung des Kohlenwasserstoffs mit Hilfe eines Plasmas erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der bei der Aufspaltung entstehende Kohlenstoff nach der Aufspaltung eine Temperatur oberhalb 800°C aufweist, und der Kohlenstoff mit dem CO₂ vermischt wird, bevor er sich auf eine Temperatur unterhalb 700°C abgekühlt hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das CO₂ aus der Verbrennung von fossilen Brennstoffen und/oder Biomasse für eine Energieerzeugung stammt, die wenigstens teilweise für die Aufspaltung des weiteren Kohlenwasserstoffs eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kohlenwasserstoff in flüssiger Form über eine erste Leitung in eine unterirdischen Lagerstätte für hochviskoses Öl und/oder Bitumen eingebracht und anschließend über die erste Leitung oder über eine zweite Leitung nach der Aufnahme von hochviskosem Öl und/oder Bitumen in dem Kohlenwasserstoff aus der unterirdischen Lagerstätte ausgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Kohlenwasserstoff nach der Ausleitung über eine Pipeline zu einer entfernt liegenden Weiterverarbeitungsanlage gefördert wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei zusätzlich zu dem Kohlenwasserstoff ein Gas in die unterirdische Lagerstätte eingeleitet wird, um eine Durchmischung des Kohlenwasserstoffs mit dem zu fördernden hochviskosen Öl und/oder dem Bitumen zu fördern.