DE102016208938A1 - Process and plant for producing a hydrocarbon - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Erzeugung eines Kohlenwasserstoffs (HC). Dabei sind ein erster Produktionsprozess (11), bei dem ein Rohstoff (RM) in einer endothermen Reaktion zu einem Produkt (P) und Kohlendioxid (CO2) umgesetzt wird, und ein zweiter Produktionsprozess (12), bei dem Kohlendioxid (CO2) in einer exothermen Reaktion mit Wasserstoff (H2) unter Erhalt des Kohlenwasserstoffs (HC) umgesetzt wird, sowohl stofflich als auch thermisch miteinander gekoppelt. Die stoffliche Kopplung besteht in der Zuführung des im ersten Produktionsprozess (11) erzeugten CO2 zu dem zweiten Produktionsprozess (12). Darüber hinaus wird eine thermische Kopplung erzielt, indem die im zweiten Produktionsprozess (12) freigesetzte Wärmeenergie (Q) dem ersten Produktionsprozess (11) zur zumindest teilweisen Deckung seines Energiebedarfs zugeführt wird.The invention relates to a method and a plant for producing a hydrocarbon (HC). Here are a first production process (11), in which a raw material (RM) in an endothermic reaction to a product (P) and carbon dioxide (CO2) is implemented, and a second production process (12), in which carbon dioxide (CO2) in a exothermic reaction with hydrogen (H2) to give the hydrocarbon (HC) is reacted, both materially and thermally coupled to each other. The material coupling consists in the supply of the CO2 produced in the first production process (11) to the second production process (12). In addition, a thermal coupling is achieved by the heat energy (Q) released in the second production process (12) being supplied to the first production process (11) for at least partially covering its energy requirement.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anlage zur Erzeugung eines Kohlenwasserstoffs, insbesondere eines Kraftstoffs für Fahrzeuge, aus Kohlenstoffdioxid (nachfolgend Kohlendioxid) CO2 durch stoffliche und thermische Kopplung zweier Produktionsprozesse. The invention relates to a method and a system for producing a hydrocarbon, in particular a fuel for vehicles, from carbon dioxide (hereinafter carbon dioxide) CO 2 by material and thermal coupling of two production processes.
Die Suche nach alternativen Kraftstoffen für eine auch auf Dekarbonisierung basierende nachhaltige Mobilität hat bisher keine praktikablen Lösungen erbracht, die ausreichende Energiemengen für die Massenmobilität liefern. Dezentrale, lokale/regionale Nischenlösungen und auf Biomasse basierende Ansätze sind langfristig kritisch zu bewerten, da im zunehmenden Anbauflächenwettbewerb Nahrungs- und Futtermittel Priorität haben werden und Kollateralschäden wie die Regenwaldzerstörung inakzeptabel sind. The search for alternative fuels for decarbonization-based sustainable mobility has so far failed to produce workable solutions that provide sufficient mass mobility energy. Decentralized, local / regional niche solutions and biomass-based approaches must be critically evaluated in the long term, as food crops will become a priority in increasing acreage competition and collateral damage such as rainforest destruction is unacceptable.
Auf der anderen Seite wird Kohlendioxid in verschiedenen Industriezweigen in großen Mengen als Nebenprodukt produziert und emittiert. So entstehen bei dem „Entsäuerungsprozess“ (Kalzination) von Kalkstein CaCO3 für die Erzeugung der Wirtschaftsgüter Zement und Kalk gewaltige CO2-Prozessemissionen (2008 in Deutschland: insgesamt 21 Mio. t CO2 beziehungsweise pro Standort ca. 1 Mio. t CO2). Das gleiche gilt für die Eisen/Stahl-Industrie (2009 in Deutschland 52,3 Mio. t CO2 beziehungsweise pro Hochofen im Mittel 5,5 Mio. t CO2). Diese beiden Industrien zeichnen sich zudem durch relativ hohe CO2-Anteile im Abgas aus, nämlich durch einen CO2-Anteil im Abgas der Zementproduktion zwischen 20 und 30 Vol.-% und 27 Vol.-% bei der Stahlproduktion gegenüber nur 14 % als typische CO2-Konzentration im Abgas eines Kohlekraftwerkes. Diese hohen Anteile mindern die Kosten für die CO2-Abtrennung. Wünschenswert ist, diese Emissionen möglichst effizient für weitere Verarbeitungsprozesse aufzufangen und weiter zu verwerten. On the other hand, carbon dioxide is produced and emitted in large quantities as by-product in various industries. The "deacidification" process (calcination) of limestone CaCO 3 for the production of the economic assets cement and lime generates enormous CO 2 process emissions (2008 in Germany: a total of 21 million t CO 2 or approx. 1 million t CO 2 per site ) ). The same applies to the iron / steel industry (2009 in Germany 52.3 million t CO 2 or per blast furnace on average 5.5 million t CO 2 ). These two industries are also characterized by relatively high CO 2 contents in the exhaust gas, namely by a CO 2 content in the exhaust gas of the
In
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung eines beispielsweise als Kraftstoff verwendbaren Kohlenwasserstoffs bereitzustellen, das einen weiter verbesserten energetischen Wirkungsgrad aufweist. Es soll ferner eine zur Ausführung des Verfahrens geeignete Anlage bereitgestellt werden. The invention is based on the object of providing a method for producing a hydrocarbon which can be used, for example, as a fuel, which has a further improved energy efficiency. It is also intended to provide a system suitable for carrying out the method.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Erzeugung eines Kohlenwasserstoffs sowie eine entsprechende Anlage mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. This object is achieved by a method for producing a hydrocarbon and a corresponding system with the features of the independent claims. Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst:
- – einen ersten Produktionsprozess, bei dem ein Rohstoff in einer endothermen Reaktion zu einem Produkt und Kohlendioxid umgesetzt wird, und
- – einen zweiten Produktionsprozess, bei dem das im ersten Produktionsprozess erzeugte Kohlendioxid in einer exothermen Reaktion mit Wasserstoff, der vorzugsweise aus erneuerbarer Energie erzeugt wird, unter Erhalt des Kohlenwasserstoffs umgesetzt wird.
- A first production process in which a raw material is converted into a product and carbon dioxide in an endothermic reaction, and
- A second production process in which the carbon dioxide generated in the first production process is reacted in an exothermic reaction with hydrogen, which is preferably generated from renewable energy, to obtain the hydrocarbon.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Anlage zur Erzeugung eines Kohlenwasserstoffs, umfassend:
- – einen ersten Prozessreaktor, der eingerichtet ist, einen Rohstoff in einer endothermen Reaktion zu einem Produkt und Kohlendioxid umzusetzen, und
- – einen zweiten Prozessreaktor, der eingerichtet ist, das im ersten Prozessreaktor erzeugte Kohlendioxid in eine exotherme Reaktion mit Wasserstoff unter Erhalt des Kohlenwasserstoffs umzusetzen.
- A first process reactor adapted to convert a raw material into a product and carbon dioxide in an endothermic reaction, and
- A second process reactor arranged to convert the carbon dioxide generated in the first process reactor into an exothermic reaction with hydrogen to obtain the hydrocarbon.
Die beiden Produktionsprozesse beziehungsweise Prozessreaktoren sind erfindungsgemäß somit einerseits stofflich miteinander gekoppelt, indem einerseits das im ersten Produktionsprozess als Nebenprodukt anfallende CO2 als Rohstoff (Edukt) dem zweiten Produktionsprozess zugeführt wird. Darüber hinaus sind die beiden Produktionsprozesse beziehungsweise Produktionsreaktoren auch thermisch miteinander gekoppelt, indem die Abwärme des exothermen zweiten Produktionsprozesses beziehungsweise -reaktors zur Deckung des Energiebedarfs des endothermen ersten Reduktionsprozesses beziehungsweise -reaktors genutzt wird. Durch diese prozessinterne thermische Kopplung der beiden Prozesse und Reaktoren wird der von außen einzuspeisende Energiebedarf weiter gesenkt und somit der energetische Wirkungsgrad des Verfahrens erhöht. The two production processes or process reactors are thus on the one hand materially coupled to each other according to the invention, on the one hand, the CO 2 as by-product occurring in the first production process as raw material (educt) is fed to the second production process. In addition, the two production processes or production reactors are thermally coupled to each other by the waste heat of the exothermic second production process or reactor is used to meet the energy needs of the endothermic first reduction process or reactor. This in-process thermal coupling of the two processes and reactors further reduces the energy requirement to be supplied from the outside, thus increasing the energy efficiency of the process.
Der hier vorgestellte Ansatz eignet sich insbesondere zur großtechnischen Erzeugung eines als regenerativ zu bezeichnenden Kraftstoffs unter Verwendung von Wasserstoff aus der Elektrolyse regenerativ erzeugten Stroms. Der gemäß der Erfindung erzeugte, besonders für den Mobilitätseinsatz geeignete Energieträger, beispielsweise in Form von Methan, kann somit aufgrund seiner großtechnischen Herstellung wettbewerbsfähig gegenüber anderen regenerativen Kraftstoffen dargestellt werden. Das Verfahren kann auch als Power-to-Gas (PtG) bezeichnet werden. Anstelle von Methan kann ein Kohlenwasserstoff in flüssiger Form erzeugt werden – dieser Prozess wird auch als Power-to-Liquid (PtL) bezeichnet. The approach presented here is particularly suitable for the large-scale production of a fuel to be designated as regenerative using hydrogen from the electrolysis regeneratively generated stream. The energy carrier, for example in the form of methane, which is suitable for use in mobility, produced according to the invention, can thus be presented competitively over other regenerative fuels because of its large-scale production. The process can also be referred to as power-to-gas (PtG). Instead of methane, a hydrocarbon can be produced in liquid form - this process is also known as power-to-liquid (PtL).
Verschiedene Ausgestaltungen des ersten, Kohlendioxid als Nebenprodukt erzeugenden Produktionsprozesses sind im Rahmen der Erfindung möglich. Gemäß einer ersten Ausgestaltung umfasst der erste Produktionsprozess eine Kalzinierung von Kalkstein, bei dem Kalkstein (hauptsächlich CaCO3) als Rohstoff in einer endothermen Reaktion zu Kalk (CaO) als Produkt und CO2 umgesetzt wird (siehe Gleichung 1). Kalzinierung, das auch als Kalkbrennen bezeichnet wird, erfolgt in Zementwerken, bei der Produktion von Kalk zur Herstellung von Zement und anderen Materialien. Durch Nutzung des als Nebenprodukt der Kalzinierung von Kalk anfallenden CO2 für den zweiten Produktionsprozess werden somit sämtliche Produkte der Kalzinierung als marktfähige Produkte oder Zwischenprodukte genutzt.
In alternativer Ausführung des Verfahrens umfasst der erste Produktionsprozess die Eisenverhüttung von Eisenerz, bei welcher Eisenerz, das verschiedene Eisenoxide (FeOx = Fe2O3, Fe3O4, FeO) enthalten kann, als Rohstoff in verschiedenen endothermen Reaktionen zu elementarem Eisen als Produkt und CO2 umgesetzt wird (siehe Gleichungen 2 bis 4). Die Eisenerzverhüttung findet üblicherweise in Hochöfen statt, bei dem das Eisenerz mit Kohlenmonoxid, welches aus der simultanen Verbrennung von Kohle gewonnen wird, zu elementarem Eisen reduziert wird. Das Roheisen findet insbesondere in der Stahlproduktion Verwendung.
Beide Produktionsprozesse, Kalkbrennen und Eisenerzverhüttung, stellen technische Prozesse dar, die in großtechnischem Maßstab weltweit erfolgen und somit entsprechend hohe CO2-Emissionen und immense Energieverbräuche aufweisen. Durch Nutzung dieser CO2-Emissionen als Wertstoff zur Kohlenwasserstoffproduktion und durch die zumindest teilweise Deckung des immensen Energiebedarfs dieser Produktionsprozesse aus der exothermen Methanisierungsreaktion oder anderen Kohlenwasserstoff produzierenden Reaktionen wird ein erheblicher energetischer und ökologischer Nutzen erzielt. Both production processes, lime burning and iron ore smelting, represent technical processes that take place on an industrial scale worldwide and thus have correspondingly high CO 2 emissions and immense energy consumption. By utilizing these CO 2 emissions as a valuable material for hydrocarbon production and by at least partially covering the immense energy demand of these production processes from the exothermic methanation reaction or other hydrocarbon-producing reactions, a significant energy and environmental benefit is achieved.
Der erfindungsgemäße Ansatz bietet insbesondere für integrierte Eisenhütten-, Stahl- und Zementwerke eine ökonomische Option zur Reduzierung der CO2-Emissionen und der Verbesserung der ökonomischen Bedingungen des volatilen Stahl- und Zementgeschäfts durch die Nutzung oder Vermarktung von sogenannten Koppelprodukten wie der Erzeugung von Industriesauerstoff in der Elektrolyse, der für die Stahlherstellung unmittelbar genutzt werden kann. The approach according to the invention offers, in particular for integrated iron and steel, steel and cement plants, an economic option for reducing CO 2 emissions and improving the economic conditions of the volatile steel and cement business through the use or marketing of so-called co-products such as the production of industrial oxygen the electrolysis, which can be used directly for steel production.
Im zweiten Produktionsprozess wird das aus dem ersten Produktionsprozess gewonnene CO2 in einer exothermen Reaktion mit Wasserstoff zu einem Kohlenwasserstoff umgesetzt. Bei dem im zweiten Produktionsprozess erzeugten Kohlenwasserstoff handelt es sich insbesondere um Methan CH4, da dieses in einfacher Weise aus CO2 durch Umsetzen mit Wasserstoff erhalten werden kann (Gleichung 5).
Vorzugsweise erfolgt der zweite Produktionsprozess ohne externe Zufuhr eines kohlenstoffhaltigen Energieträgers, das heißt, der gesamte Kohlenstoffanteil des erzeugten Kohlenwasserstoffs stammt aus dem CO2 des ersten Produktionsprozesses. Weiterhin ist bevorzugt, den zweiten Produktionsprozess ohne Zufuhr von Sauerstoff durchzuführen. Vorzugsweise wird für den zweiten Produktionsprozess ein Katalysator eingesetzt, wobei ein für die Fischer-Tropsch-Synthese gebräuchlicher Katalysator eingesetzt werden kann. Hier kommen insbesondere Übergangsmetalle zum Einsatz, speziell Kobalt, Eisen, Nickel und/oder Ruthenium. Preferably, the second production process is carried out without external supply of a carbonaceous energy source, that is, the total carbon content of the hydrocarbon produced comes from the CO 2 of the first production process. Furthermore, it is preferable to carry out the second production process without supplying oxygen. Preferably, a catalyst is used for the second production process, wherein one for the Fischer Tropsch synthesis common catalyst can be used. In particular transition metals are used here, especially cobalt, iron, nickel and / or ruthenium.
In bevorzugter Ausführung des Verfahrens wird der im zweiten Produktionsprozess eingesetzte Wasserstoff aus einem Elektrolyseprozess gewonnen, insbesondere aus der Elektrolyse von Wasser (Gleichung 6). Ein solcher Elektrolyseprozess kann mit etablierten Methoden durchgeführt werden und lässt sich ohne umweltrelevante Nebenprodukte durchführen. Zudem stellt auch der bei der Elektrolyse von Wasser erzeugte Sauerstoff ein werthaltiges Produkt dar, welches extern, vorzugsweise aber intern im Verfahren genutzt werden kann.
Ein weiterer positiver Effekt der Elektrolyse ist die Stabilisierung des Stromnetzes durch die extrem hohe Aufnahmekapazität überschüssigen volatilen Stroms mittels der Elektrolyse-Anlage und die Langzeitspeicherfähigkeit in Form der hiermit erzeugten Wasserstoff- und Sauerstoff-Gase. Diese Stabilisierung lässt einen praktisch unbegrenzten Ausbau der regenerativen Stromerzeugung zu. Another positive effect of the electrolysis is the stabilization of the power grid by the extremely high absorption capacity of excess volatile electricity by means of the electrolysis plant and the long-term storage capacity in the form of the hydrogen and oxygen gases produced hereby. This stabilization allows a virtually unlimited expansion of renewable electricity generation.
Eine weitere Ausführung des Verfahrens sieht vor, dass dem ersten Produktionsprozess Sauerstoff zugeführt wird, welcher dem ersten Produktionsprozesses entweder als unmittelbarer oder mittelbarer Reaktant oder als Oxidationsmittel für einen zugeführten Brennstoff, mit welchem der verbleibende Energiebedarf der endothermen Reaktion des ersten Produktionsprozesses gedeckt wird. Vorzugsweise wird auch dieser dem ersten Produktionsprozess zugeführte Sauerstoff aus einem Elektrolyseprozess gewonnen, insbesondere aus demselben bereits für die Produktion des im zweiten Produktionsprozess eingesetzten Wasserstoffs verwendeten Elektrolyseprozess (siehe oben). Somit können beide Produkte des Elektrolyseprozesses, nämlich Wasserstoff und Sauerstoff, innerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt werden. A further embodiment of the method provides that the first production process oxygen is supplied, which is the first production process either as a direct or indirect reactant or as an oxidant for a supplied fuel, with which the remaining energy needs of the endothermic reaction of the first production process is covered. Preferably, this oxygen supplied to the first production process is also obtained from an electrolysis process, in particular from the same electrolysis process already used for the production of the hydrogen used in the second production process (see above). Thus, both products of the electrolysis process, namely hydrogen and oxygen, can be used within the process of the invention.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Verfahren ferner einen Oxyfuel-Prozess umfasst, bei dem ein Brennstoff mittels angereicherten oder reinen Sauerstoffs verbrannt wird. Dabei kann eine im Oxyfuel-Prozess freigesetzte Wärmeenergie zumindest teilweise dem ersten Produktionsprozess zur zumindest teilweisen Deckung seines Energiebedarfs zugeführt werden und/oder das bei dem Oxyfuel-Prozess erzeugte Kohlendioxid dem zweiten Produktionsprozess als Edukt zugeführt werden. Vorzugsweise werden sowohl die Wärme als auch das CO2 entsprechend im Verfahren genutzt. Der Oxyfuel-Prozess zeichnet sich gegenüber herkömmlichen Verbrennungsprozessen von Brennstoffen dadurch aus, dass als Oxidationsmittel für die Verbrennung nicht Luft, sondern reiner oder zumindest angereicherter Sauerstoff verwendet wird. Aufgrund der Abwesenheit beziehungsweise geringen Konzentration von Stickstoff, Argon und anderen Bestandteilen der Luft entstehen beim Oxyfuel-Verfahren praktisch ausschließlich die Produkte CO2 und Wasser. Somit entstehen beim Oxyfuel-Verfahren nicht nur die genannten Produkte in vergleichsweise hoher Reinheit, sondern auch aufgrund der besonders hohen Flammtemperaturen große freigesetzte Wärmemengen auf hohem Temperaturniveau. Sowohl die chemischen Produkte als auch die thermischen Produkte des Prozesses lassen sich somit sehr gut in das bestehende Verfahren integrieren und nutzen. Der Oxyfuel-Prozess wird vorzugsweise so dimensioniert, dass die in diesem Prozess erzeugte Wärmeenergie zusammen mit der im zweiten Produktionsprozess erzeugten Wärmeenergie ausreicht, um den Wärmeenergiebedarf des ersten Produktionsprozesses zu decken. A further embodiment of the invention provides that the method further comprises an oxyfuel process in which a fuel is burned by means of enriched or pure oxygen. In this case, a heat energy released in the oxyfuel process can be at least partially supplied to the first production process for at least partially covering its energy requirement and / or the carbon dioxide generated in the oxyfuel process can be supplied to the second production process as educt. Preferably, both the heat and the CO 2 are used accordingly in the process. The oxyfuel process is distinguished from conventional combustion processes of fuels in that the oxidant used for combustion is not air, but pure or at least enriched oxygen. Due to the absence or low concentration of nitrogen, argon and other constituents of the air arise in the oxyfuel process almost exclusively the products CO 2 and water. Thus arise in the oxyfuel process not only the above products in relatively high purity, but also due to the particularly high flame temperatures large amounts of heat released at a high temperature level. Both the chemical products and the thermal products of the process can thus be very well integrated and used in the existing process. The oxyfuel process is preferably dimensioned such that the heat energy generated in this process, together with the heat energy generated in the second production process, is sufficient to meet the heat energy requirement of the first production process.
In bevorzugter Ausführung des Verfahrens wird der in dem Oxyfuel-Prozess eingesetzte Sauerstoff aus einem Elektrolyseprozess gewonnen, insbesondere aus der oben beschriebenen Wasserelektrolyse. Nach Abtrennung des Wasserstoffs aus dem Sauerstoff/Wasserstoff-Gemisch des Elektrolyseverfahrens steht der Sauerstoff mit hoher Reinheit zur Verfügung und lässt sich somit sehr gut für den Oxyfuel-Prozess einsetzen. In a preferred embodiment of the method, the oxygen used in the oxyfuel process is obtained from an electrolysis process, in particular from the water electrolysis described above. After separation of the hydrogen from the oxygen / hydrogen mixture of the electrolysis process, the oxygen is available with high purity and can thus be used very well for the oxyfuel process.
In bevorzugter Ausführung der Erfindung wird der für den im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Elektrolyseprozess erforderliche Strom aus regenerativen (erneuerbaren) Energien gewonnen. Hier kommt beispielsweise aus Windkraftanlagen und/oder Photovoltaikanlagen erzeugter Strom zum Einsatz. Durch die gute Speicherbarkeit der Produkte H2 und O2 kann der Elektrolyseprozess zudem der Stabilisierung des Stromnetzes dienen. In a preferred embodiment of the invention, the electricity required for the electrolysis process used in the method according to the invention is obtained from regenerative (renewable) energies. Here, for example, electricity generated from wind turbines and / or photovoltaic systems is used. Due to the good storability of the products H 2 and O 2 , the electrolysis process can also serve to stabilize the power grid.
In einer weiteren Ausgestaltung wird Wasser, das im Abgas des zweiten Produktionsprozesses enthalten ist, zumindest teilweise dem Elektrolyseprozess zugeführt. Somit kann der externe Wasserbedarf des Verfahrens gesenkt werden. In a further embodiment, water which is contained in the exhaust gas of the second production process is at least partially supplied to the electrolysis process. Thus, the external water requirement of the process can be reduced.
Weiterhin kann vorgesehen sein, das Abgas des zweiten Produktionsprozesses, das üblicherweise Wasserdampf enthält, einer Dampfturbine zuzuführen, um somit nutzbare mechanische Energie unter Abtrennung des Wasserdampfes zu erzeugen. Das hierbei abgetrennte kondensierte Wasser kann mit Vorteil dem Elektrolyseprozess zugeführt werden. Furthermore, it can be provided to supply the exhaust gas of the second production process, which usually contains steam, to a steam turbine in order to thus generate usable mechanical energy with the removal of the steam. The condensed water separated in this case can be advantageously supplied to the electrolysis process.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner einen CO2-Abtrennungsprozess, bei dem das aus dem ersten Produktionsprozess (und gegebenenfalls aus dem Oxyfuel-Prozess) erhaltene Kohlendioxid vor seiner Zuführung zu dem zweiten Produktionsprozess von weiteren Bestandteilen abgetrennt wird. Der Abtrennungsprozess richtet sich insbesondere nach Art des ersten Produktionsprozesses und den damit verbundenen Nebenprodukten. Grundsätzlich kann jedoch eventuell im Gasgemisch enthaltenes Kohlenmonoxid in dem dem zweiten Produktionsprozess zugeführten Eduktgas enthalten bleiben, da dieses ohne Weiteres neben dem CO2 im zweiten Produktionsprozess in den Kohlenwasserstoff überführt werden kann. Geeignete Verfahren zum Abtrennen von CO2 umfassen beispielsweise Gaswäscheverfahren mittels Absorption (zum Beispiel Aminwäsche), Temperaturwechseladsorption, Druckwechseladsorption, kryogene Abtrennverfahren, Membranabtrennverfahren und andere. Preferably, the method further comprises a CO 2 separation process in which the carbon dioxide obtained from the first production process (and optionally from the oxyfuel process) is separated before its delivery to the second production process of other ingredients. The separation process depends in particular on the nature of the first production process and the associated by-products. In principle, however, carbon monoxide possibly contained in the gas mixture can remain contained in the educt gas fed to the second production process, since this can readily be converted into the hydrocarbon in addition to the CO 2 in the second production process. Suitable methods of separating CO 2 include, for example, gas scrubbing processes by absorption (for example, amine scrubbing), thermal swing adsorption, pressure swing adsorption, cryogenic separation processes, membrane separation processes, and others.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es grundsätzlich möglich, den ersten und zweiten Produktionsprozess in einer gekoppelten Reaktion in einem einzigen Reaktor durchzuführen. Dabei werden dem Reaktor der Rohstoff, beispielsweise Kalkstein oder Eisenerz, Wasserstoff und Sauerstoff und gegebenenfalls weitere Edukte zugeführt, sodass diese unter Erzeugung von CO2 als Zwischenprodukt zu dem Produkt, insbesondere Calciumoxid oder Roheisen, und dem Kraftstoff reagieren. In the context of the present invention, it is basically possible to carry out the first and second production processes in a coupled reaction in a single reactor. In this case, the raw material, such as limestone or iron ore, hydrogen and oxygen and optionally further reactants are fed to the reactor, so that they react to produce CO 2 as an intermediate to the product, in particular calcium or pig iron, and the fuel.
Vorzugsweise werden der erste und der zweite Produktionsprozess jedoch in voneinander getrennten Reaktoren durchgeführt. Der Vorteil ist hier, dass die unterschiedlichen Druck- und Temperaturniveaus, die für die jeweiligen Prozesse zu bevorzugen sind, unabhängig voneinander eingestellt werden können. Dies schließt jedoch nicht aus, dass die beiden Reaktoren in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein können. Preferably, however, the first and second production processes are carried out in separate reactors. The advantage here is that the different pressure and temperature levels, which are to be preferred for the respective processes, can be set independently of each other. However, this does not rule out that the two reactors can be housed in a common housing.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar. The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen: The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
Kern der Anlage
Der erste Produktionsprozess
Die im zweiten Produktionsprozess
Abhängig von der Natur des ersten und zweiten Produktionsprozesses
Die in
Abhängig von der Art des ersten Produktionsprozesses
Die Anlage gemäß
Das chemische Hauptprodukt des Oxyfuel-Prozesses
Der Oxyfuel-Prozess
In der ersten Prozessstufe
Der dem Prozess
Das als Produkt anfallende Calciumoxid CaO (gebrannter Kalk oder Brandkalk) kann dem Prozess als marktfähiges Produkt entnommen werden oder durch Beimischung entsprechender Zuschläge zur Erzeugung von Zement eingesetzt werden. Beispielsweise kann das CaO zusammen mit entsprechenden Zuschlägen in einem verkürzten Drehrohrofen zur Herstellung von Zementklinker gesintert werden. The calcium oxide CaO (quick lime or quicklime) can be taken from the process as a marketable product or used to produce cement by adding appropriate additives. For example, the CaO can be sintered together with corresponding additives in a shortened rotary kiln for the production of cement clinker.
Die im Reaktor
Der zweite Produktionsprozess
Das Abgas des Hochofenprozesses enthält neben dem CO2 auch nicht umgesetztes Kohlenmonoxid CO. Beide Bestandteile werden in einer Trennstufe
Nachfolgend erfolgen einige quantitative Betrachtungen des erfindungsgemäßen Gesamtprozesseses am Beispiel der Kopplung Methanisierung und Kalzination:
- – Basis ist ein Zementwerk mittlerer Größe mit CO2-Emissionen von 1 Mio. Jahrestonnen (t/a). Von 1 Mio. t CO2-Gesamtemissionen stammen konservativ angenommen 50 % aus den Prozessemissionen der Kalzination des Kalksteins CaCO3. Diese 0,5 Mio. t/a CO2 führen zu 0,636 Mio. t/a CaO für das Zementwerk und ermöglichen auf Basis der Kohlenstoffbilanz und der Stöchiometrie
die Herstellung von 0,18 Mio. t/a Methan CH4. Diese Methanmenge hat einen Gesamt-Heizwert von 2,54 TWh/a basierend auf demspezifischen Heizwert von 14 MWh/t CH4. - – Nach der Elektrolyse-Reaktionsgleichung 2H2O → 2H2 + O2 entstehen 2 mol H2 mit einer Bildungsenthalpie von 0,079 kWh/(2 mol H2) beziehungsweise 39,5 MWh/(t H2). Die Methanisierung benötigt nach der Reaktionsgleichung CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O jedoch 4 mol H2, um 1 mol CH4 herzustellen. Daraus ergibt sich ein theoretischer Mindestbedarf von 2 × 0,045 = 0,09 Mio. t/a H2 mit einem Heizwert von 3,2 TWh/a. Der reale elektrische Energiebedarf für eine entsprechend leistungsfähige Elektrolyseanlage erreicht auf Basis eines Stromverbrauchs von 53,6 MWh/t H2 beziehungsweise einem Elektrolyseur-Wirkungsgrad von 74 % 4,3 TWh/a. Bei Wirkungsgraden der Elektrolyse unter 70 % ergibt sich ein elektrischer Energiebedarf von über 4,6 TWh/a.
- – Bei ausschließlich elektrischer Bereitstellung des Energiebedarfs zur Zementherstellung von 830–908 kWh/t Zement ergibt sich ein Kostenblock auf Basis eines Outputs von 0,7 Mio. t Zement und eines mittleren Lieferpreises von 50 EUR/MWh von etwa 30 Mio. EUR. Der Erlös für den Zement beläuft sich bei einem Zementpreis zwischen 127 und 139 EUR/t auf ca. 100 Mio. EUR.
- – Die Kosten für den elektrischen Energiebedarf in einem weiterentwickelten Elektrolyseur 53,6 MWh/t H2 ergeben für 0,09 Mio. t H2 und dem resultierenden Energiebedarf von 4,3 TWh/a den dominierenden Kostenblock von 215 Mio. EUR.
- – Die Kosten des Prozesswassers für die Elektrolyse (0,8 Mio. t) werden auf Basis von 2 EUR/t H2O mit 1,6 Mio. EUR geschätzt (ohne Wasserrückgewinnung aus dem Prozess).
- – Der als Industriegas vermarktbare Sauerstoff fällt in Höhe von 0,7 Mio. t an und stellt bei
Sauerstoffpreisen von 100 EUR/t O2 ein Erlöspotenzial von 70 Mio. EUR, bei 140 EUR/t von ca. 100 Mio. EUR dar. Hauptverbraucher für Industrie-Sauerstoff ist die Stahlindustrie. Die derzeit häufigste Produktionsmethode für die wichtigsten Industriegase aus der Luft ist die kryotechnische Luftzerlegung, die auch wertvolle Edel- und Spurengase liefert. Insofern kann der Elektrolyse-Sauerstoff die Stahlindustrie im Hinblick auf ihre CO2-Verpflichtungen bei Nutzung des Elektrolyse-EE-Sauerstoffs aber auch wesentlich entlasten. - – Die Methanisierung weist
ein Output von 0,18 Mio. t CH4 auf und führt zu einem Methan-Erlöspotenzial von 65,5 Mio. EUR bei einem angenommenen Erdgaspreis von 26 EUR/MWh (0,36 EUR/kg) oder zu einem Potenzial von 151 Mio. EUR bei einem angenommenen Gaspreis von 60 EUR/MWh (0,84 EUR/kg). Das Methan kann Tankstellen für mobile Anwendungen zugeführt werden. - – Die derzeit bestehende Gesamtspeicherkapazität der deutschen Erdgasinfrastruktur von ca. 200 TWh sollte für die Nutzung als Speicher für die volatilen Überschuss-Strommengen in Form von EE-PtG-H2 (PtG = Power-to-Gas) und EE-PtG-Methan ausreichend sein.
- – Aufgrund des modulartigen Aufbaus von Elektrolyseanlagen und der systembedingten Entkoppelung von Elektrolyse und der Methanisierung steht die gegenüber Anlagen für komplexe verfahrenstechnische Prozesse relativ leicht zu erweiternde und unter anderem durch Zuschaltung von Modulen instationär arbeitsfähige Elektrolyseanlage als Überschussstromsenke zur Verfügung. Der erzeugte Wasserstoff kann sowohl in das Erdgasnetz eingespeist werden als auch für die weitere Methanisierung eingesetzt werden. Die Kapazität der Methanisierung wird vom CO2-Angebot der Zementherstellung bestimmt.
- – Zu dem hier ermittelten Bedarf von 4,3 TWh für die Elektrolyse und beispielsweise einer Übertragung mittels einer Doppelsystem-380 kV-Drehstromleitung mit 3,5 GW Übertragungskapazität ergibt sich eine minimale Einspeisezeit von ca. 1200 h bei entsprechender Aufnahmefähigkeit der Elektrolyse-Anlage von mindestens 3,5 GW. Bei Einhaltung der Überbrückungszeit während der Überschussphasen des EE-
Stroms von 14 Tagen oder 336 h ergeben sich etwa vierfache Leitungskapazität und vierfache Aufnahmefähigkeit des Elektrolyseurs mit jeweils notwendigen 15 GW. Bei einemgeschätzten Gesamtspeicherbedarf von 15TWh und 14 Tagen Überbrückungszeit würden 3 bis 4 derartige Anlagen in Deutschland mit einer Gesamtkapazität von 45 GW benötigt. Eine ausreichend dimensionierte Elektrolyseanlage kann in der verbrauchernahen Koppelung mit dem Erdgasnetz anfallende Überschussmengen kurzfristig aufnehmen. - – Die (zwangsläufig mit Unsicherheiten behaftete) Gesamtbilanz lässt die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens aussichtsreich erscheinen.
- – Als ein präferierter Nutzungspfad wird das erzeugte EE-PtG-Methan (PtG = Power-to-Gas) gegebenenfalls unter Anreicherung mit Wasserstoff (derzeit für Verbrennungsmotoren auf 2 Vol. % begrenzt) unter Einhaltung der Erdgasnetzspezifikationen dazu genutzt, um bei einem angenommenen spezifischen Gasverbrauch/Fahrzeug von 3 kg Methan/Wasserstoff-Gemisch/100 km mit einem Heizwert
von mehr als 15 kWh/kg Mischgas ca. 400.000 Gasfahrzeuge bei einer Jahresfahrleistung von 15.000 km zu versorgen. Damit kann zum Beispiel der PKW-Bestand der Stadt und der Region Hannover nachhaltig betrieben werden.
- - Based on a medium-sized cement plant with CO 2 emissions of 1 million tonnes per year (t / a). Conservatively speaking, 50% of 1 million tonnes of CO 2 total emissions come from the process emissions of calcination of the limestone CaCO 3 . These 0.5 million t / a CO 2 lead to 0.636 million t / a CaO for the cement works and enable the production of 0.18 million t / a methane CH 4 based on the carbon balance and the stoichiometry. This amount of methane has a total calorific value of 2.54 TWh / a based on the specific calorific value of 14 MWh / t CH 4 .
- - According to the electrolysis reaction equation 2H 2 O → 2H 2 + O 2 2 moles of H 2 are formed with an enthalpy of formation of 0.079 kWh / (2 mol H 2 ) or 39.5 MWh / (t H 2 ). However, according to the reaction equation CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O, methanation requires 4 mol of H 2 to produce 1 mol of CH 4 . This results in a theoretical minimum requirement of 2 × 0.045 = 0.09 million t / a H 2 with a calorific value of 3.2 TWh / a. Based on a power consumption of 53.6 MWh / t H 2 and an electrolyzer efficiency of 74%, the real electrical energy requirement for a correspondingly efficient electrolysis plant reaches 4.3 TWh / a. With efficiencies of the electrolysis below 70% results in an electrical energy requirement of over 4.6 TWh / a.
- - Providing electrical energy alone for cement production of 830-908 kWh / t of cement results in a cost block based on an output of 0.7 million t of cement and a mean delivery price of 50 EUR / MWh of around EUR 30 million. With a cement price of between 127 and 139 EUR / t, the proceeds from the cement amount to approximately 100 million EUR.
- - The costs for the electrical energy demand in an advanced electrolyzer 53.6 MWh / t H 2 result in 0.09 million t H 2 and the resulting energy demand of 4.3 TWh / a the dominating cost block of 215 million EUR.
- - The cost of process water for electrolysis (0.8 million tonnes) is estimated at EUR 2 / t H 2 O at EUR 1.6 million (excluding water recovery from the process).
- - The marketable as industrial gas oxygen comes to the amount of 0.7 million t and represents a revenue potential of 70 million EUR at oxygen prices of 100 EUR / t O 2 , at 140 EUR / t of about 100 million EUR. The main consumer of industrial oxygen is the steel industry. Currently the most common production method for the most important industrial gases from the air is the cryogenic air separation, which also supplies valuable noble and trace gases. In this respect, the electrolysis oxygen can also significantly relieve the steel industry in terms of its CO 2 obligations when using the electrolysis EE oxygen.
- - Methanation has an output of 0.18 million tonnes of CH 4 , resulting in a methane revenue potential of € 65.5 million assuming a natural gas price of € 26 / MWh (€ 0.36 / kg) or at one Potential of EUR 151 million assuming a gas price of EUR 60 / MWh (EUR 0,84 / kg). The methane can be fed to gas stations for mobile applications.
- - The current total storage capacity of the German natural gas infrastructure of approximately 200 TWh should be sufficient for use as storage for the volatile excess electricity volumes in the form of EE-PtG-H 2 (PtG = power-to-gas) and EE-PtG methane be.
- - Due to the modular structure of electrolysis systems and the systemic decoupling of electrolysis and methanation is compared to systems for complex process engineering processes relatively easy to expand and, inter alia, by switching modules unsteady working electrolysis system as surplus current sink available. The generated hydrogen can be fed into the natural gas grid as well as used for further methanation. The capacity of methanation is determined by the CO 2 supply of cement production.
- - For the here determined need of 4.3 TWh for the electrolysis and, for example, a transmission by means of a double system 380 kV three-phase line with 3.5 GW transmission capacity results in a minimum feed time of about 1200 h with a corresponding absorption capacity of the electrolysis plant at least 3.5 GW. By maintaining the bridging time during the surplus phases of the renewable energy supply of 14 days or 336 h, this results in approximately four times the line capacity and four times the absorption capacity of the electrolyzer, each with a necessary 15 GW. With an estimated total storage requirement of 15 TWh and 14 days bridging time, 3 to 4 such installations would be required in Germany with a total capacity of 45 GW. An adequately dimensioned electrolysis plant can absorb surplus quantities occurring in the near-consumer coupling with the natural gas grid in the short term.
- - The overall balance (inevitably subject to uncertainty) makes the economic viability of the procedure look promising.
- As a preferred utilization path, the generated EE-PtG methane (PtG = power-to-gas), possibly enriched with hydrogen (currently limited to 2% by volume for internal combustion engines) in compliance with the natural gas network specifications, will be used at an assumed specific Gas consumption / vehicle of 3 kg of methane / hydrogen mixture / 100 km with a calorific value of more than 15 kWh / kg mixed gas to supply approx. 400,000 gas vehicles with an annual mileage of 15,000 km. Thus, for example, the car population of the city and the Hanover region can be operated sustainably.
Vorteile der Erfindung: Advantages of the invention:
- – Das vorliegende Konzept der Erzeugung von EE-PtG-Methan durch EE-Strom und unter Nutzung der im Kalkstein gespeicherten CO2-Emissionen, die bei der Zementherstellung freigesetzt und für EE-Methan sinnvoll genutzt werden, kombinieren das Beste aus den drei Welten Strom, Gas und Mobilität und auch der Wasserstoff findet seinen Platz in diesem System, ohne eine zum Erdgasnetz zusätzliche und aufwendige Wasserstoffinfrastruktur entwickeln und aufbauen zu müssen. Die mit Nachteilen verbundene Einlagerung von CO2 (Carbon Capture and Storage, CCS) wird hiermit obsolet - The present concept of the generation of EE-PtG methane by EE electricity and the use of the stored in the limestone CO 2 emissions, which are released in the cement production and used for RE methane, combine the best of the three worlds electricity , Gas and mobility as well as hydrogen find their place in this system, without having to develop and build up an additional and complex hydrogen infrastructure to the natural gas network. The associated with disadvantages storage of CO 2 (carbon capture and storage, CCS) is hereby obsolete
- – Die nachhaltige Mobilität, die bisher auf Nischenansätze beschränkt war, findet nun eine massen- und systemkompatible erneuerbare Energiebasis, deren Nutzung im Fahrzeug erprobt ist. - Sustainable mobility, which used to be limited to niche approaches, now has a mass and system compatible renewable energy base that has been tried and tested in the vehicle.
- – Der Ausbau einschließlich des Repowering der regenerativen Energien Wind und Photovoltaik kann im Hinblick auf die sinnvolle Nutzung der eingesammelten Energie unter Einsatz der hier gezeigten Speichermöglichkeiten weiter vorangetrieben werden. - The expansion, including the repowering of the renewable energies wind and photovoltaics, can be further promoted with regard to the sensible use of the collected energy using the storage possibilities shown here.
- – Wirtschaftliche Faktoren für das Konzept sind nicht nur die Kurzzeit-Speicherung von Strom-Überschussmengen im Erdgasnetz in Form von EE-H2 oder EE-Methan und die Vermarktung dieser der Kraftstoffe (insbesondere EE-PtG-Methan mit erhöhtem H2-Gehalt). Durch das Potenzial am Kraftstoffmarkt steht eine Nutzungsoption für den Kraftstoffanbieter oder den Fahrzeughersteller zur Verfügung, um die EE-PtG-Methan-Mengen und Anteile der EE-PtG-H2-Mengen im Rahmen CO2-Minderungsstrategie als Dekarbonisierungsmaßnahme zu nutzen. - Economic factors for the concept are not only the short-term storage of surplus electricity in the natural gas network in the form of EE-H 2 or EE methane and the marketing this of the fuels (especially EE-PtG methane with increased H 2 content). By the potential of the fuel market is a useful option for the fuel supplier or the vehicle manufacturer to use the EE PtG methane amounts and proportions of EE PtG H 2 amounts under CO 2 -Minderungsstrategie as Dekarbonisierungsmaßnahme.
- – Die verfügbaren CO2-Mengen sind aufgrund der insbesondere in Deutschland vorhandenen Kapazitäten der Grundstoffindustrien, insbesondere der Zementherstellung und der Stahlindustrie, vorhanden. - The available quantities of CO 2 are present due to the existing capacities of the basic industries, in particular cement production and the steel industry, especially in Germany.
-
– So könnten alle Zementwerke in Deutschland auf Basis von 10 Mio. t CO2 als Prozessemissionen den nachhaltigen Betrieb von 8 Mio. Gasfahrzeugen und die integrierten Eisenhütten- und Stahlwerke auf Basis von angenommenen 25 Mio. t CO2 als unvermeidbare Prozessemissionen den nachhaltigen Betrieb von 20 Mio. Gasfahrzeugen auf Jahresbasis ermöglichen. For example, all cement plants in Germany, based on 10 million tonnes of CO 2 as process emissions, could sustain the sustainable operation of 8 million gas vehicles and the integrated iron and steel plants based on an assumed 25 million tonnes of CO 2 as
unavoidable process emissions 20 million gas vehicles on an annual basis.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- Anlage zur Erzeugung eines Kohlenwasserstoffs Plant for the production of a hydrocarbon
- 1111
- erster Produktionsprozess / erster Prozessreaktor / Kalzinierung / Eisenverhüttung first production process / first process reactor / calcination / iron smelting
- 1212
- zweiter Produktionsprozess / zweiter Prozessreaktor / Methanisierung second production process / second process reactor / methanation
- 1313
- Rohstoffspeicher raw material storage
- 1414
- Produktspeicher product memory
- 1515
- CO2-Speicher CO 2 storage
- 1616
- Wasserstoffspeicher Hydrogen storage
- 1717
- Kohlenwasserstoffspeicher / Methanspeicher Hydrocarbon storage / methane storage
- 1818
- Sauerstoffspeicher oxygen storage
- 1919
- Elektrolyseprozess electrolysis process
- 2020
- Wasserspeicher water-tank
- 2121
- Oxyfuel-Prozess / Oxyfuel-Reaktor Oxy-fuel process / oxy-fuel reactor
- 2222
- CO2-Trennstufe oder CO/CO2-Trennstufe CO 2 separation stage or CO / CO 2 separation stage
- EEEE
- elektrischer Strom aus regenerierbarer/erneuerbarer Energie Electric power from regenerable / renewable energy
- Wärme warmth
- RMRM
- Rohstoff / Rohmaterial Raw material / raw material
- PP
- Produkt product
- CH4 CH 4
- Methan methane
- CO2 CO 2
- Kohlendioxid carbon dioxide
- HCHC
- Kohlenwasserstoff Hydrocarbon
- H2 H 2
- Wasserstoff hydrogen
- O2 O 2
- Sauerstoff oxygen
- H2OH 2 O
- Wasser water
- CaCO3 CaCO 3
- Calciumcarbonat / Kalkstein Calcium carbonate / limestone
- CaOCaO
- Calciumoxid / gebrannter Kalk Calcium oxide / burnt lime
- FeFe
- Eisen (Roheisen) Iron (pig iron)
- FeOX FeO X
- Eisenoxide (Eisenerz) Iron oxides (iron ore)
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- WO 2010/069622 A1 [0004] WO 2010/069622 A1 [0004]
- DE 102013010909 B3 [0005] DE 102013010909 B3 [0005]
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