DE102019005672A1 - Process for the emission-free generation of useful energy (electrical power, heating) by burning natural gas (methane) using a closed carbon cycle. - Google Patents

Process for the emission-free generation of useful energy (electrical power, heating) by burning natural gas (methane) using a closed carbon cycle. Download PDF

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Abstract

Mittels Erdgas (Methan) wird konventionell in BHKW's Nutzenergie erzeugt. (el. Strom , Heizwärme).Aus den Motorabgasen wird das CO2 ausgewaschen und aufkonzentriert. Dieses CO2 dient zur Trockenreformierung von CH4.(1 Mol CO 2/ 1Mol CH4). Das entstehende Synthesegas(2 CO +2 H2) wird nach einem nach Carl Bosch benannten Verfahren katalytisch bei 400 °Cin C + H2O umgewandelt.Der feste Kohlenstoff wird mit Heißgasfiltern abgetrennt, in sonnenreiche Regionen transportiert und dort in zwei Stufen zu Methan hydriert.2C + ½ O2 +H2O → ~ 2CO + H22CO + 6 H2 → 2 CH4 + 2 H2O + EDie erforderlichen Wasserstoff und Sauerstoff werden durch elektrolytische Spaltung von entsalztem Meerwasser erzeugt, der dafür erforderliche el. Strom mit Solarkraftwerken , die von DESERTEC entwickelt wurden. Das Methan wird verflüssigt und mit Flüssiggastankern an den Ausgangsort zurückgeführt.Using natural gas (methane), useful energy is conventionally generated in CHPs. (el. electricity, heating). The CO2 is washed out of the engine exhaust gases and concentrated. This CO2 is used for the dry reforming of CH4. (1 mol CO 2/1 mol CH4). The resulting synthesis gas (2 CO +2 H2) is catalytically converted using a process named after Carl Bosch at 400 ° C C + H2O. The solid carbon is separated with hot gas filters, transported to sunny regions and hydrogenated there in two stages to methane. 2C + ½ O2 + H2O → ~ 2CO + H22CO + 6 H2 → 2 CH4 + 2 H2O + E The required hydrogen and oxygen are generated by electrolytic splitting of desalinated seawater, the required electrical power is generated by solar power plants developed by DESERTEC. The methane is liquefied and returned to the starting point with liquefied gas tankers.

Description

Dass fossiles Kohlendioxid einen wesentlichen Anteil am menschgemachten Klimawandel trägt, ist unbestritten . Falsch ist dagegen die Schlussfolgerung, dass keine fossilen Energieträger mehr verwendet werden sollen . Man verzichtet damit auf die reaktiven Eigenschaften des Kohlenstoffatoms und damit auf viel Flexibilität. Richtig ist nur , dass kein fossiles CO2 mehr in die Atmosphäre gelangen darf. Richtig ist deshalb, dass der fossile Kohlenstoff im Kreislauf geführt werden muss .It is undisputed that fossil carbon dioxide is a major contributor to man-made climate change. On the other hand, it is wrong to conclude that fossil fuels should no longer be used. You do without the reactive properties of the carbon atom and thus a lot of flexibility. It is only correct that no more fossil CO2 is allowed to enter the atmosphere. It is therefore correct that fossil carbon must be recycled.

Auch das heute favorisierte Energiesystem , basierend auf Sonne und Wind kommt ohne Kohlenstoff nicht aus, wenn zur Deckung der Residuallast synthetisches Methan eingesetzt werden soll. Es gibt aber keine ausreichende Quelle für das benötigte CO2, das ja biogenen Ursprungs sein muss. Erwogen wird, das CO2 aus Biogasanlagen einzusetzen. Dies reicht mengenmäßig nicht aus, da die erforderlichen Ackerflächen nicht zur Verfügung stehen.(Teller oder el.Strom) und ist kostenmäßig nicht verkraftbar. Auch wird es nach heutiger Planung 2040 keine Biogasanlagen mehr geben.Even the energy system favored today, based on sun and wind, cannot do without carbon if synthetic methane is to be used to cover the residual load. However, there is no sufficient source for the required CO2, which must be of biogenic origin. Consideration is given to using the CO2 from biogas plants. This is not enough in terms of quantity, as the necessary arable land is not available (plates or electricity) and is cost-prohibitive. According to current planning, there will also be no more biogas plants in 2040.

Gegenstand dieser Erfindung ist daher ein Energiesystem mit vollständig geschlossenem Kohlenstoffkreislauf. Er besteht aus im wesentlich bekannten Einzelprozessen , die erfmdungsgemäß zu diesem Kreislauf zusammengeschaltet werden. In Einzelfällen werden sie technisch optimiert. Das Prinzip diese Kreislaufs ist in Bild 1 dargestellt.The subject of this invention is therefore an energy system with a completely closed carbon cycle. It consists of essentially known individual processes which, according to the invention, are interconnected to form this cycle. In individual cases, they are technically optimized. The principle of this cycle is shown in Figure 1.

1. Mit Erdgas (Methan) betriebenes BHKW zur Erzeugung von Nutzenergie(el. Strom, Heizwärme).2Gasmotoren und eine Radialdampfturbine erzeugen vorzugsweise 10 Mwel mit einem Wirkungsgrad von 50 % .(Bild 2)1. BHKW operated with natural gas (methane) to generate useful energy (el. Electricity, heating). 2 Gas engines and a radial steam turbine generate preferably 10 MWel with an efficiency of 50%. (Fig. 2)

2.Gaswäsche zur Abtrennung des CO2 aus den Motorabgasen und Aufkonzentrierung. Energiebedarf ca 5% der El.Leistung des BHKW2. Gas scrubbing to separate the CO2 from the engine exhaust gases and concentrate it. Energy requirement approx. 5% of the electrical output of the CHP

3.Trockenreformierung des gleichen Molvolumens CH4 mit diesem CO2. Dabei entsteht ein Synthesegas (2 CO + 2 H2). Die Reaktion ist endotherm. Die Zusatzheizung erfolgt allotherm mit Rauchgas, das durch Verbrennung von Biokohle erzeugt wird.3. Dry reforming of the same molar volume of CH4 with this CO2. This creates a synthesis gas (2 CO + 2 H2). The reaction is endothermic. The additional heating takes place allothermally with flue gas, which is generated by burning biochar.

Die Reaktorbedingungen werden so gewählt, dass die Gaskühlung mit Entspannungsmaschinen im Sekundenbereich erfolgen kann (15-20 bar, 1200 °C) und damit eine Rückreaktion (2 CO → CO2 + C) unterbleibt. Gleichzeitig wird noch el. Strom erzeugt.The reactor conditions are chosen in such a way that the gas cooling with expansion machines can take place in a matter of seconds (15-20 bar, 1200 ° C) and thus a reverse reaction (2 CO → CO2 + C) does not occur. At the same time electrical power is generated.

4.Mit einem nach Carl Bosch (Nobelpreisträger) benannten Verfahren (katalytisch ,400°C) wird fester Kohlenstoff gebildet (CO + H2 → C+H2O) Er kann problemlos deponiert werden. Hier schließt ein verkürzter Kohlenstoffkreislauf (Aus der Erde in die Erde)4. With a process named after Carl Bosch (Nobel Prize Winner) (catalytic, 400 ° C), solid carbon is formed (CO + H2 → C + H2O) It can be dumped without any problems. Here a shortened carbon cycle closes (from the earth into the earth)

Beim vollständigen Kreis wird C zu CH4 hydriert.) Schritte 5- 8.On the complete cycle, C is hydrogenated to CH4.) Steps 5-8.

5.Transport des Kohlenstoffs mit Massengutfrachtern in sonnenreiche Regionen. (Afrika, mittlerer Osten.)5. Transporting the carbon by bulk carriers to sunny regions. (Africa, Middle East.)

6.Oxidation von C zu CO 2 C +1/2 O2 + H2O → 2 CO +H2 Der Sauerstoff wird bei der elektrolytischen Spaltung von Wasser gewonnen6. Oxidation of C to CO 2 C +1/2 O2 + H2O → 2 CO + H2 Oxygen is obtained from the electrolytic splitting of water

7.Die Spaltung (entsalztes Meerwassser) erzeugt auch den Wasserstoff für die Hydrierung.Den el.Strom produzieren Solarkraftwerke, wie sie von DESERTEC in Andalusien entwickelt und in Marokko zur Betriebsreife gebracht wurden7. The splitting (desalinated seawater) also generates the hydrogen for the hydrogenation. The electricity is produced by solar power plants as developed by DESERTEC in Andalusia and brought to operational readiness in Morocco

8. Mit dem Sabatier-Prozess wird C zu CH4 hydriert CO + 3 H2 → CH4 + H2O 8. With the Sabatier process, C is hydrogenated to CH4 CO + 3 H2 → CH4 + H2O

Der vollständige Kohlenstoffkreislauf benötigt kein Erdgas mehr Gegenüber dem aktuellen Energiesystem und dem heute verfolgten Konzept einer Energiewende , das auf Windenergie und Photovoltaik und zur Deckung der Residuallast auf synthetischem Methan beruht, hat der beschriebene Kreislaufprozess wesentliche Vorteile:The complete carbon cycle no longer requires natural gas Compared to the current energy system and the current concept of an energy transition based on wind energy and photovoltaics and synthetic methane to cover the residual load, the cycle process described has significant advantages:

  • a.Niedrigere Betriebskosten: Die konsequente Nutzung der Kraft.-Wärme-Kopplung reduziert den Verbrauch an fossilen Energieträgern deutlich stärker gegenüber dem Mehrverbrauch zur Reduzierung von CO2 (bei verkürztem Kreislauf) Der vollständige Kohlenstoffkreislauf benötigt praktisch keine fossilen Energieträger.Lower operating costs: The consistent use of combined heat and power reduces the consumption of fossil fuels significantly more than the additional consumption to reduce CO2 (with a shortened cycle) The complete carbon cycle requires practically no fossil fuels.
  • b.Niedrigere Investitionskosten Die vorhandene Erdgasinfrastruktur (Leitungen, Speicher) kann voll weiter genutzt werden. Bei den Alternativen el. Strom und H2 muss eine weitgehend neue Infrastruktur aufgebaut werden ,wobei stets erhebliche Widerstände der Bevölkerung zu überwinden sind.b.Lower investment costs The existing natural gas infrastructure (pipelines, storage facilities) can continue to be used in full. In the case of the alternatives, electricity and H2, a largely new infrastructure must be built, whereby considerable resistance from the population must always be overcome.
  • c.Der Kohlenstoffkreislauf ist residuallastfähigc. The carbon cycle is capable of residual loads
  • d.Da deutlich weniger investiert werden muss ,ist auch der Zeitbedarf für die Errichtung deutlich niedriger. Nur so lässt sich ein Zeithorizont 2050 für das Ziel "0-Emission„ erreichen.d. Since significantly less has to be invested, the time required for construction is significantly lower. This is the only way to achieve a time horizon of 2050 for the goal of "0 emissions".
  • e.Das Konzept erfordert eine dezentrale Energieproduktion. Zu ihrer Steuerung werden jeweils 50 10-MW-Anlagen zu einem virtuellen Kraftwerk zusammengefasst., das die Steuerung der Einzelanlagen übernimmt. Dazu wird eine Zentralanlage gebaut, die auch weitere Aufgaben zentral übernimmt. Werkstätten und Planungsbüro Ersatzteillager Lager für Hilfs-und Betriebssoffe VE- Wasererzeugung Verwaltung u.a.e.The concept requires decentralized energy production. To control them, 50 10 MW systems are combined to form a virtual power plant, which controls the individual systems. A central system is built for this, which also takes on other tasks centrally. Workshops and planning office Spare parts warehouse Storage for auxiliary and operating materials VE water generation administration i.a.
  • f. Das Konzept ist weltmarktfähig und kann wohl in wesentlichen Punkten auch patentrechtlich geschützt werden.f. The concept can be marketed on the world market and essential points can also be protected by patent law.
  • g. Tausende von Industriearbeitsplätzen im Maschinen -und Apparatebau können entstehen. Ein internationaler Konzern ist zu schaffenG. Thousands of industrial jobs in machine and apparatus construction can arise. An international group must be created
  • h.Allein in Deutschland weren 5000-7000 1 0-MW- Anlagen benötigt Sie umfassen jeweils das BHKW und die Kohlenstoffabscheidung.That is, in Germany alone, 5000-7000 1 0 MW systems are required. They each include the CHP unit and carbon capture.

Salz für DubaiSalt for Dubai

BASF ist Vertragspartner beim weltgrößten Solarprojekt „Noor Energy 1„ in Dubai . Das Unternehmen wird in den kommenden drei Jahren über 100 000 Tonnen Natriumnitrat in das Emirat am persischen Golf liefern.BASF is a contract partner in the world's largest solar project "Noor Energy 1" in Dubai. The company will deliver over 100,000 tons of sodium nitrate to the emirate on the Persian Gulf over the next three years.

Lange gehörte Dubai zu den Städten mit dem höchsten Wasserverbrauch und Stromverbrauch. Seit einiger Zeit unternimmt die Stadt jedoch große Anstrengungen , um zum einen ihren Energieverbrauch zu reduzieren , sich gleichzeitig aber auch Energien aus erneuerbaren Quellen zu erschließen. Bis 2050 sollen 75 % von Dubais Strom aus erneuerbaren Energien gewonnen werden. Mit dem derzeit größten Solarprojekt weltweit „Noor Eneregy 1" macht Dubai einen großen Schritt dahin. Insgesamt 950 MW sollen ab Ende 2020 erzeugt werden. Dabei setzen die Projektbetreiber auf moderne Sonnenwärmekraftwerke ; ein Solarturmkraftwerk , drei Paraboloidkraftwerke , sowie eine Photovoltaikanlage.Für das Solarturmkraftwerk liefert ausschließlich BASF Natriumnitrat.For a long time, Dubai was one of the cities with the highest water and electricity consumption. For some time now, however, the city has been making great efforts to reduce its energy consumption on the one hand, but at the same time to tap energy from renewable sources. By 2050, 75% of Dubai's electricity is to be generated from renewable energies. With the currently largest solar project worldwide, "Noor Energy 1", Dubai is taking a big step in this direction. A total of 950 MW are to be generated from the end of 2020. The project operators are relying on modern solar thermal power plants; a solar tower power plant, three parabolic power plants and a photovoltaic system only BASF sodium nitrate.

BASF ist eines der wenigen Unternehmen ,das Natriumnitrat chemisch herstellt. Eine alternative Gewinnung ist durch Bergbau möglich. Der große Vorteil des chemisch produzierten Salzes ist jedoch dessen Reinheit. Je weniger Magnesium oder Chlorbestandteile im Salz enthalten sind, desto besser ist es für den Einsatz in einem Sonnenwärmekraftwerk geeignet.BASF is one of the few companies that chemically produces sodium nitrate. An alternative extraction is possible through mining. The great advantage of the chemically produced salt, however, is its purity. The less magnesium or chlorine components there are in the salt, the better it is suitable for use in a solar thermal power plant.

In einem solchen Kraftwerk wird die Sonnenstrahlung gebündelt, um das Natrium-nitrat bis zu dessen Schmelze zu erhitzen. Bei Sonnenschein richten sich sich hunderte bis tausende Spiegel so aus ,dss sie das Sonnenlicht auf einen zentralen Absorber reflektieren. Dies ist beim Projekt ein 260 m hoher Turm-auch das ein Superlativ. Durch die starke Konzentration der Sonneneinstrahlung entstehen an der Spitze des Turms Temperaturen bis zu 1000 °C. Über das so verflüssigte und im Kreis gepumpte Nitratsalz wird dieWärmeenergie des Sonnenlichts über einen Wärmetauscher in einen Wasserkreislauf überführt , dessen Dampf eine Turbine antreibt und so elektrische Energie erzeugt .In such a power station, solar radiation is bundled in order to heat the sodium nitrate until it melts. When the sun is shining, hundreds to thousands of mirrors align themselves in such a way that they reflect the sunlight onto a central absorber. In the project, this is a 260 m high tower - also a superlative. The strong concentration of solar radiation causes temperatures of up to 1000 ° C at the top of the tower. The nitrate salt liquefied and pumped in this way is used to transfer the thermal energy of the sunlight via a heat exchanger into a water cycle, the steam of which drives a turbine and thus generates electrical energy.

So wird verständlich ,warum die Reinheit des Salzes eine so große Rolle spielt. Die anorganische Wärmeleitflüssigkeit wird auf über 500 °C erhitzt. Verunreinigungen im verflüssigten Natriumnitrat können teilweise die Zersetzung in Natriumnitrit und beispielsweise Magnesium oder Cloride begünstigen . Diese Zersetzungsprodukte können dann wiederum die Anlagen durch Korrosion und Bildung von Ablagerungen schädigen. Je mehr Verunreinigungen im Salz vorhanden sind,um so mehr werden diese Schädigungen hervorgerufen, erläutert Manuel Atarriba,Sales Manager bei BASF Inorganics, E-CMI.This makes it easy to understand why the purity of the salt plays such an important role. The inorganic heat transfer fluid is heated to over 500 ° C. Impurities in the liquefied sodium nitrate can partially promote the decomposition into sodium nitrite and, for example, magnesium or chlorides. These decomposition products can in turn damage the systems through corrosion and the formation of deposits. The more impurities there are in the salt, the more this damage is caused, explains Manuel Atarriba, Sales Manager at BASF Inorganics, E-CMI.

„Wir haben eine strenge Qualitätskontrolle und führen engmaschige Probenahmen in unseren Laboren durch , um die lückenlose Qualitätssicherung der gesamten Liefermenge sicherzustellen.“
Neben der Produktqualität war für den Ingenieurpartner des Projekts , Shanghai Electric Group CO. Ltd ein weiterer Faktor wichtig;„Lieferzuverlässigkeit„ Das Projekt in Dubai ist ein globales Projekt .Damit es erfolgreich sein kann , müssen wir uns auf unsere Geschäftspartner verlassen können. Bei BASF sind wir überzeugt, dass alle getroffenen Vereinbarungen erfüllt werden, so Yin Haisheng, Vice Projekt Director des Unternehmens.
Unsere Kooperation zeigt, dass es auch für Produkte , die bereits bei BASF eine lange Tradition haben,neue und innovative Anwendungen gibt, ergänzt Michael Wind, Vicepresident „Inorganics“ (E-CMI/B) in Ludwigshafen
"We have strict quality control and carry out close-knit sampling in our laboratories to ensure seamless quality assurance of the entire delivery quantity."
In addition to product quality, the project's engineering partner, Shanghai Electric Group CO. Ltd another factor is important: "Delivery reliability" The project in Dubai is a global project. In order for it to be successful, we have to be able to rely on our business partners. At BASF, we are convinced that all agreements made will be fulfilled, said Yin Haisheng, the company's Vice Project Director.
Our cooperation shows that there are also new and innovative applications for products that already have a long tradition at BASF, adds Michael Wind, Vice President "Inorganics" (E-CMI / B) in Ludwigshafen

Claims (1)

Verfahren zur Erzeugung von Nutzenergie (el. Strom, Heizwärme) dadurch gekennzeichnet, dass folgende an sich bekannte Einzelprozesse optimiert und hinter einander geschaltet werden. a.BHKW betrieben mit Erdgas (Methan) Es besteht aus 2 Gasmotoren (4,4 MWel x2) und einer Radialgasturbine (1,2 MW) b.Abtrennung des CO2 aus de Motorabgasen und Aufkonzentrierung nach bekannten Verfahren. c. Nutzung des CO2 zur Trockenreformierung des gleichen Normvolumens CH4 bei einem Reaktionsenddruck von 15-20 bar und einer Reaktionsendtemperatur von 1200 °C. Bei diesen Bedingungen ist CO die stabile Oxidationsform von C. Es entsteht ein Synthesegas der Zusammensetzung (2 CO + 2H2) d. Abkühlung des Gases mittels einer Entspannungsmaschine (Turbine oder Kolbenmaschine) im Sekundenbereich . Dadurch wird eine Disproportionierung (2 CO → CO2 + C)vermieden und die freie Energie des Gases in el Strom umgewandelt. e. Die Austrittstemperatur aus der Maschine soll ca 400 °C betragen und direkt in einen weiteren Reaktor geleitet werden, in dem mittels einer nach Carl Bosch (Nobelpeisträger) benannten Reaktion (Katalysator Stahl, auch andere Metalle möglich) fester Kohlenstoff abgespalten wird. CO +H2 → C + H2O Der Prozess ist exotherm . Die Reaktionstemperatur wird mittels Wasserdirekteinspritzung gesteuert. C wird mittels Heißgasfilter abgeschieden. f. Transport von C mit Massengutfrachtschiffen in sonnenreiche Regionen g Stromerzeugung mit Solarkraftwerken, wie sie von DESERTEC in Andalusien entwickelt und in Marokko zur Betriebsreife gebracht wurden. h. Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff durch elektrolytische Spaltung von entsalztem Meerwasser. i.Oxidation des C mittels des bei h, erzeugten Sauerstoffs . Steuerung der Endtemperatur durch Hinzufügung von Wasserdampf Abkühlung wie unter d. beschrieben k. Synthese von Methan mittels Sabatier-Prozess. CO + 3 H2 → CH4 + H2O 1. Verflüssigung von Methan und Transport mit Füssiggastankern zum Ausgangsort .Process for generating useful energy (el. Electricity, heating) characterized in that the following individual processes known per se are optimized and switched one after the other. a.BHKW operated with natural gas (methane) It consists of 2 gas engines (4.4 MWel x2) and a radial gas turbine (1.2 MW) b. Separation of the CO2 from the engine exhaust gases and concentration according to known processes. c. Use of CO2 for dry reforming of the same standard volume CH4 at a final reaction pressure of 15-20 bar and a final reaction temperature of 1200 ° C. Under these conditions, CO is the stable oxidation form of C. A synthesis gas with the composition (2 CO + 2H2) is produced. Cooling of the gas by means of an expansion machine (turbine or piston machine) within seconds. This creates a disproportionation (2 CO → CO2 + C) avoided and the free energy of the gas converted into electricity. e. The exit temperature from the machine should be around 400 ° C and be fed directly into another reactor, in which solid carbon is split off by means of a reaction named after Carl Bosch (Nobel Prize Winner) (steel catalyst, other metals also possible). CO + H2 → C + H2O The process is exothermic. The reaction temperature is controlled by direct water injection. C is deposited using a hot gas filter. f. Transport of C with bulk cargo ships to sunny regions g Electricity generation with solar power plants, as developed by DESERTEC in Andalusia and brought to operational readiness in Morocco. H. Generation of hydrogen and oxygen by electrolytic splitting of desalinated seawater. i.Oxidation of C by means of the oxygen generated at h. Control of the final temperature by adding water vapor cooling as under d. described k. Synthesis of methane using the Sabatier process. CO + 3 H2 → CH4 + H2O 1. Liquefaction of methane and transport with liquid gas tankers to the starting point.
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