DE102022105802A1

DE102022105802A1 - Verfahren zum Herstellen eines Flüssigkraftstoffgemisches unter Verwendung eines Kohlenstoff-reduzierenden Prozesses

Info

Publication number: DE102022105802A1
Application number: DE102022105802.6A
Authority: DE
Inventors: Frank Obrist
Original assignee: Obrist Technologies GmbH
Current assignee: Obrist Technologies GmbH
Priority date: 2022-03-11
Filing date: 2022-03-11
Publication date: 2023-09-14
Also published as: WO2023170204A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Flüssigkraftstoffgemisches zur Verwendung in konventionellen Verbrennungsmotoren, bei dem eine Methanolkomponente in einem atmosphärischen Kohlenstoffdioxid-reduzierenden Prozess hergestellt wird, der autark mit Strom aus, insbesondere ausschließlich, mindestens einer regenerativen Energiequelle versorgt wird, wobei die Methanolkomponente mit einer Alkoholkomponente und einer fossilen Kraftstoffkomponente gemischt wird und die Methanolkomponente in einem Prozess hergestellt wird, bei dem aktiv Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre entfernt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Flüssigkraftstoffgemisches unter Verwendung eines Kohlenstoff-reduzierende Prozesses. Die Erfindung bezieht sich ferner auf die Verwendung von Methanol, das durch den Kohlenstoff-reduzierenden Prozess hergestellt wird, als Teil eines Flüssigkraftstoffgemisches.
Seit dem Beginn der industriellen Revolution im Jahr 1800 ist die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre von zuvor stabilen 280 ppmv (parts per million by volume) auf 410 ppmv im Jahr 2020 gestiegen. Es wird vorhergesagt, dass sich dieser Anstieg fortsetzen bzw. noch verstärken wird, wenn keine Techniken zur Eindämmung der Kohlenstoffemissionen eingesetzt werden.
Das ratifizierte Pariser Abkommen nennt als Hauptziel, den Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur unter 2° C über dem vorindustriellen Niveau zu halten, was eine Reduzierung der CO₂-Emissionen auf Null bis 2050 erfordert. Zu den Vorschlägen zur Begrenzung dieser Emissionen gehören der Einsatz von Biokraftstoffen, Solarenergie und Windkraftanlagen. Die Verringerung der bisherigen CO₂-Emissionen und damit die Begrenzung des Anstiegs des CO₂-Anteils in der Atmosphäre reicht langfristig allerdings nicht aus, um das Ungleichgewicht zwischen Sauerstoff und CO₂ in der Atmosphäre zu beheben, das durch die bisherige Überproduktion von CO₂ entstanden ist.
Die heutige Fahrzeuginfrastruktur basiert hauptsächlich auf Flüssigkraftstoffen, insbesondere auf fossilen Kraftstoffen. Um die durch die Verbrennung fossiler Kraftstoffe hergestellten CO₂-Emissionen zu verringern, wurden Kraftstoffgemische mit CO₂-neutralen Komponenten entwickelt. Das resultierende Kraftstoffgemisch sollte in bestehenden Verbrennungsmotoren, insbesondere in bestehenden Autos, verwendet werden können. Das in Europa am häufigsten verwendete Flüssigkraftstoffgemisch ist E10-Benzin, ein Flüssigkraftstoffgemisch, das etwa 90% (fossiles) Benzin und 10% Ethanol enthält. Eine neuere Entwicklung ist ein Flüssigkraftstoffgemisch, das etwa 80% (fossiles) Benzin, etwa 5% Ethanol und etwa 15% Methanol enthält. Dieses Flüssigkraftstoffgemisch wird als A20 bezeichnet und weist im Vergleich zu reinem Benzin eine erhebliche Verringerung der CO₂-Emissionen um etwa 8% (Well-to-Wheel) auf. Dennoch führt die Verwendung von A20 immer noch zu einer beträchtlichen Emission von CO₂, und es besteht Bedarf an einer weiteren Verringerung der CO₂-Emissionen, zumindest bis es möglich ist, den CO₂-Anteil in der Atmosphäre aktiv zu reduzieren.
Die Erfindung zielt daher darauf ab, ein Verfahren zum Herstellen eines Flüssigkraftstoffgemisches zur Verwendung in herkömmlichen Verbrennungsmotoren bereitzustellen, wobei das Flüssigkraftstoffgemisch einen reduzierten Kohlenstoff-Fußabdruck aufweist.
Die Erfindung stellt eine Lösung nach dem Gegenstand des Anspruchs 1 bereit.
Konkret stellt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Flüssigkraftstoffgemisches zur Verwendung in konventionellen Verbrennungsmotoren bereit, bei dem eine Methanolkomponente in einem atmosphärischen Kohlenstoffdioxid-reduzierenden Prozess hergestellt wird, der autark mit Strom aus, insbesondere ausschließlich, mindestens einer regenerativen Energiequelle versorgt wird, wobei der Kohlenstoffdioxid-reduzierende Prozess die folgenden Schritte umfasst:

- Herstellen von Sauerstoff in einer Elektrolyseeinheit, die durch mindestens eine Wasserzuführleitung eine Wassermenge, insbesondere aus dem Meer, aufnimmt und die aufgenommene Wassermenge in eine Sauerstoffteilmenge und eine Wasserstoffteilmenge zerlegt;
- Leiten eines ersten Teils der Wasserstoffteilmenge von der Elektrolyseeinheit zu einer Karbonisierungseinheit und eines zweiten Teils der Wasserstoffteilmenge zu einer Methanol-Syntheseeinheit;
- Reinigen von Umgebungsluft in mindestens einer Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit, wobei die Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit die Umgebungsluft durch mindestens einen Lufteinlass aufnimmt und eine Kohlenstoffdioxidmenge aus der Umgebungsluft in mindestens einer nachgeordneten Sorbereinrichtung extrahiert;
- Leiten eines ersten Teils der Kohlenstoffdioxidmenge zur Karbonisierungseinheit und eines zweiten Teils der Kohlenstoffdioxidmenge zur Methanol-Syntheseeinheit;
- Herstellen von Kohlenstoff in der Karbonisierungseinheit durch Methansynthese und Methanspaltung, wobei die Methanspaltung durch Kvaerner-Prozess und/oder Methanpyrolyse bewirkt wird, und Transportieren des Kohlenstoffs zu einem langfristigen Kohlenstoffspeicher, insbesondere einem Bereich des Meeresbodens,
- Kombinieren des zweiten Teils der Wasserstoffteilmenge und des zweiten Teils der Kohlenstoffdioxidmenge in der Methanol-Syntheseeinheit zur Herstellung der Methanolkomponente,

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Methanolkomponente mit der Alkoholkomponente und der fossilen Kraftstoffkomponente in einem solchen Verhältnis gemischt, dass das Flüssigkraftstoffgemisch nicht mehr als 80 Volumenprozent der fossilen Kraftstoffkomponente, mindestens 5 Volumenprozent der Alkoholkomponente, und mindestens 15 Volumenprozent der Methanolkomponente enthält.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Methanolkomponente mit der Alkoholkomponente und der fossilen Kraftstoffkomponente in einem solchen Verhältnis gemischt, dass das Flüssigkraftstoffgemisch zwischen 50, insbesondere 65, und 80 Volumenprozent der fossilen Kraftstoffkomponente, zwischen 5 und 20 Volumenprozent der Alkoholkomponente, und zwischen 10 und 30, insbesondere 15, Volumenprozent der Methanolkomponente enthält.
Das aus dem erfindungsgemäßen Verfahren resultierende Flüssigkraftstoffgemisch enthält vorzugsweise eine Methanolkomponente, die wenigstens einen Null-, insbesondere einen negativen, Kohlenstoff-Fußabdruck aufweist, da der Prozess zum Herstellen der Methanolkomponente den CO₂-Anteil in der Atmosphäre aktiv reduziert und damit einen Teil der CO₂-emittierenden Industrieprozesse des letzten Jahrhunderts umkehrt. Diese Methanolkomponente wird im Folgenden als C-Senken-Methanol bezeichnet. Infolgedessen werden die Well-to-Wheel CO₂-Emissionen um eine beträchtliche Menge weiter reduziert. Insbesondere wird erwartet, dass die CO₂-Emissionen des C-Senken-Methanols um wenigstens etwa 30%, insbesondere 38%, niedriger als die CO₂-Emissionen von reinem Benzin sind. Das erfindungsgemäße Verfahren sorgt daher für eine erhebliche Verringerung der laufenden CO₂-Emissionen und könnte daher zur Bereitstellung eines Flüssigkraftstoffgemisches für bestehende Verbrennungsmotoren verwendet werden, bis die bestehenden Verbrennungsmotoren durch Motoren ersetzt werden, die mit nachhaltigeren Kraftstoffen oder Energiequellen betrieben werden können. Solche zukünftigen Motoren könnten Verbrennungsmotoren sein, die nur für die Verwendung von C-Senken-Methanol ausgelegt sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die regenerative Energiequelle mindestens eine Photovoltaikeinheit zur Umwandlung von Sonnenenergie in Strom. Die Photovoltaikeinheit kann sich in einer Region mit einer globalen horizontalen Sonneneinstrahlung pro Jahr von mindestens 1.500 kWh/m², insbesondere 2000 kWh/m² befinden. Das Problem der steigenden CO₂-Emissionen ist global und daher sind globale Bestrebungen erforderlich, um dieses Problem zu lösen und das globale Klima zu retten. Daher ist es wünschenswert, das erfindungsgemäße Verfahren in großem Maßstab effizient zu betreiben. Die Verwendung von Photovoltaik als regenerative Energiequelle hat den Vorteil, dass die Regionen mit hoher globaler horizontaler Sonneneinstrahlung oft auch Zugang zum Meer haben. So können Anlagen zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sehr effizient betrieben werden, da alle notwendigen Ausgangskomponenten, Sonnenenergie, CO₂ und Wasser, in geringer Entfernung zur Verfügung stehen. Zudem ist die Energieerzeugung mittels einer Photovoltaikeinheit sehr kostengünstig. Gegenüber anderen Technologien zur regenerativen Energieerzeugung ist die Energieerzeugung mittels Photovoltaik um das Dreifache bis Zehnfache kostengünstiger. Dies gilt insbesondere, wenn das Verfahren in einer Anlage ausgeführt wird, die sich in einer Region mit hoher Sonnenstundendauer oder hoher globaler horizontaler Sonneneinstrahlung, beispielsweise in Saudi-Arabien, befindet.
Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von reinem Sauerstoff und die Absorption von Kohlenstoffdioxid in einem kontinuierlichen Prozess, wodurch der Atmosphäre aktiv CO₂ entzogen wird. Die Verbrennung des Kraftstoffgemisches mit C-Senken-Methanol führt daher zu geringeren CO₂-Emissionen im Vergleich zu jedem anderen bekannten Flüssigkraftstoffgemisches, das für die Verwendung in bestehenden Verbrennungsmotoren geeignet ist. Um den CO₂-Anteil in der Atmosphäre aktiv zu reduzieren, wird der in der Karbonisierungseinheit erzeugte Kohlenstoff vorzugsweise einem Kohlenstoffspeicher zugeführt. Der Kohlenstoffspeicher kann insbesondere ein Meer bzw. ein Meeresboden sein. Mit anderen Worten kann der Kohlenstoff, insbesondere in Form von Graphit, dauerhaft auf dem Meeresboden gelagert werden.
Die Extraktion der Kohlenstoffkomponente aus der Atmosphäre kann durch einen zweistufigen Prozess erfolgen, nämlich durch eine Methansynthese, gefolgt von einer Methanspaltung. Für die Methanspaltung kann ein Kvaerner-Prozess verwendet werden. Alternativ kann die Methanspaltung einen Methanpyrolyse-Prozess, genannt Monolith-Prozess, umfassen. (Ab-)Wärme aus dem Karbonisierungsprozess, insbesondere der Methanspaltung, kann zur Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit geleitet und dort als Energie für die Kohlenstoffsorption genutzt werden. Zusätzlich kann (Ab-)Wärme aus der Methanolsynthese in die Kohlenstoffdioxid-Sorptionsanlage geleitet und dort als Energie für die Kohlenstoffsorption genutzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Sauerstoffteilmenge und die gereinigte Umgebungsluft an die Außenatmosphäre abgegeben und die Wasserstoffteilmenge und die Kohlenstoffdioxidmenge in der Karbonisierungseinheit in Wasser, Kohlenstoff und Wärme umgewandelt. Die Karbonisierungseinheit kann einen Bosch-Reaktor oder eine Kvaerner-Prozess-Einheit oder eine CO₂-Plasmabrenner-Einheit aufweisen. Dies ermöglicht eine Reduzierung des Kohlenstoffdioxidanteils in der atmosphärischen Luft und damit den Ausgleich eines bestehenden Ungleichgewichts der Mengen der Luftbestandteile.
Die bei der Karbonisierung in der Karbonisierungseinheit anfallende Wärme kann zur Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit geleitet und dort als Energie für die Kohlenstoffsorption genutzt werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Wärme aus der Methanol-Syntheseeinheit zur Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit geleitet und dort als Energie für die Kohlenstoffsorption genutzt werden. Der Wirkungsgrad des Gesamtverfahrens wird dadurch weiter erhöht und der Primärenergiebedarf der Anlage bzw. des Verfahrens reduziert.
Es ist bevorzugt, dass die fossile Kraftstoffkomponente Benzin ist. Die Raffination von Rohöl zu Benzin kann mit Hilfe von Strom erfolgen, der insbesondere ausschließlich aus regenerativen Energiequellen erzeugt wird. Die Alkoholkomponente kann sich im Allgemeinen von Methanol unterscheiden und kann vorzugsweise Ethanol sein, insbesondere synthetisches Ethanol, das unter Verwendung von, insbesondere ausschließlich, Strom aus mindestens einer regenerativen Energiequelle hergestellt wird.
Das übergeordnete Ziel der Erfindung ist die Verringerung des Anteils fossiler Kraftstoffe durch Erhöhung des Anteils der Methanol- und/oder Ethanolkomponente im Flüssigkraftstoffgemisch. Dieser Prozess kann mehrere Jahre dauern, könnte aber eine Möglichkeit sein, den derzeitigen Energiebedarf zu decken und gleichzeitig die CO₂-Emissionen zu verringern, bis neue Motoren in größerem Maßstab zur Verfügung stehen, die mit einem Flüssigkraftstoffgemisch mit höherem Methanolanteil betrieben werden können. So könnte beispielsweise bis zum Jahr 2030 ein Flüssigkraftstoffgemisch mit 80 Volumenprozent Benzin, 5 Volumenprozent Ethanol und 15 Volumenprozent C-Senken-Methanol bereitsgestellt werden. Anschließend könnte der Methanolanteil erhöht und ein Flüssigkraftstoffgemisch mit 50 Volumenprozent Benzin, 15 Volumenprozent Ethanol und 15 Volumenprozent C-Senken-Methanol bereitgestellt werden.
Das letztgenannte Flüssigkraftstoffgemisch könnte bis zum Jahr 2040 für den Betrieb bestehender Verbrennungsmotoren bereitgestellt werden. Gleichzeitig, insbesondere ab 2030, kann ein neues Kraftstoffgemisch für künftige Motoren verwendet werden, die für den Betrieb mit diesem neuen Kraftstoffgemisch ausgelegt sind. Das neue Kraftstoffgemisch darf keine fossile Kraftstoffkomponente, sondern nur Methanol, enthalten, wobei ein Teil des Methanols C-Senken-Methanol ist. Insbesondere kann das neue Kraftstoffgemisch, genannt aFuel, in den ersten Jahren seiner Einführung zu 90 Volumenprozent aus Methanol, das ausschließlich aus regenerativen Energiequellen hergestellt ist, genannt eMethanol, und zu 10 Volumenprozent aus C-Senken-Methanol bestehen. Dieses aFuel kann rechnerisch -110% der CO₂-Emissionen aufweisen.
Das Verfahren zum Herstellen dieses aFuel würde also den CO₂-Anteil in der Atmosphäre aktiv verringern. Nach einer gewissen Zeit, beispielsweise ab 2040, könnte die Zusammensetzung des aFuel auf 70 Volumenprozent eMethanol und 30 Volumenprozent C-Senken-Methanol geändert werden, sodass es rechnerisch - 130% der CO₂-Emissionen aufweist. Ab 2050 könnte das aFuel 50 Volumenprozent eMethanol und 50 Volumenprozent C-Senken-Methanol enthalten, was rechnerisch zu -150% der CO₂-Emissionen führt. Aus den oben genannte Zahlen wird deutlich, dass die Verbrennung von aFuel den CO₂-Anteil in der Atmosphäre aufgrund des spezifischen Prozesses der Herstellung des C-Senken-Methanols aktiv reduziert.
Die Erfindung wird nachstehend anhand weiterer Einzelheiten unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht einer Anlage zur Reduktion des Kohlenstoffdioxidanteils in atmosphärischer Luft und zur Herstellung von C-Senken-Methanol gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 ein Diagramm, das die CO₂-reduzierende Wirkung eines konventionell hergestellten Flüssigkraftstoffgemisches, das Benzin, Methanol und Ethanol enthält, mit einem Flüssigkraftstoffgemisch vergleicht, wie es durch die vorliegende Erfindung hergestellt wird; und
3 ein Diagramm, das den Übergang zu einer CO₂-verringernden Flüssigkraftstofflösung bei Verwendung eines Flüssigkraftstoffgemisches zeigt, wie es durch die vorliegende Erfindung hergestellt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise in einer Anlage 10 durchgeführt, die sich in einem Gebiet mit hoher globaler horizontaler Sonneneinstrahlung und in Meeresnähe befindet, beispielsweise in Saudi-Arabien.
Bei der Anlage 10 gemäß 1 handelt es sich um ein Großkraftwerk. Die Anlage 10 weist mindestens einen Montagebereich 18 auf, der mit einem Fundament eines Gebäudes und/oder Bauwerks verbunden ist. Generell ist es möglich, dass die Elektrolyseeinheit 11 und/oder die Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit 12 in einem gemeinsamen Gebäude oder in separaten Gebäuden angeordnet sind.
Die Anlage 10 kann eine Elektrolyseeinheit 11 zur Herstellung von Sauerstoff und eine Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit 12 zum Reinigen der Umgebungsluft UL der die Anlage 10 umgebenden Außenatmosphäre umfassen. Die Anlage 10 kann ferner eine Stromerzeugungseinheit 31 zur autarken Stromversorgung der Anlage 10 umfassen, auf die später näher eingegangen wird.
Die Elektrolyseeinheit 11 ist dazu ausgebildet, eine Wassermenge M_H2O durch Elektrolyse in eine Sauerstoffteilmenge M_O2 und eine Wasserstoffteilmenge aufzunehmen. Die Elektrolyseeinheit 11 bildet somit eine Einheit zur Wasserelektrolyse. Die Elektrolyseeinheit 11 ist mit einer Wasserzuführleitung 13 zur Aufnahme der Wassermenge M_H2O verbunden. Wie in 1 erkennbar ist, ist zwischen der Elektrolyseeinheit 11 und der Wasserzuführleitung 13 eine Pumpeneinheit 25 angeordnet. Die Pumpeneinheit 25 weist mindestens eine Pumpe zum Beförderung von Wasser aus einem Wasserreservoir 26 auf. Das Wasserreservoir 26 kann ein Meer mit Meerwasser sein.
Um das Meerwasser für den Elektrolysevorgang über die Elektrolyseeinheit 11 aufzubereiten, weist die Anlage 10 eine Meerwasserentsalzungseinheit 27 auf. Die Meerwasserentsalzungseinheit 27 ist dazu angepasst, aus der geförderten Meerwassermenge M_H2O einen bestimmten Salzanteil herauszutrennen, so dass das Meerwasser nach dem Entsalzungsvorgang durch die Meerwasserentsalzungseinheit 27 einen verringerten Salzgehalt aufweist. Die entsalzte Meerwassermenge M_H2O entspricht der Wassermenge M_H2O, die durch die Elektrolyseeinheit 11 in eine Sauerstoffteilmenge M_O2 und eine Wasserstoffteilmenge zerlegt wird. Die Elektrolyseeinheit 11 ist mit der Meerwasserentsalzungseinheit 27 durch mindestens eine Rohrleitung verbunden. Zur Ausgabe der erzeugten Sauerstoffteilmenge M_O2 weist die Elektrolyseeinheit 11 einen Sauerstoffauslass 16 auf, der in die Außenatmosphäre mündet. Es ist möglich, dass die Elektrolyseeinheit 11 einen oder mehrere Sauerstoffauslässe 16 zur Ausgabe der erzeugten Sauerstoffteilmenge M_O2 aufweist.
Die Anlage 10 weist des Weiteren wenigstens eine (nicht dargestellte) Wasserstoff-Transporteinrichtung auf, die dazu angepasst ist, einen ersten Teil der von der Wassermenge M_H2O abgetrennten Wasserstoffteilmenge einer Karbonisierungseinheit 34 zur Weiterverarbeitung zur Verfügung zu stellen. Ein zweiter Teil der Wasserstoffteilmenge kann einer Methanol-Syntheseeinheit 37 zugeführt werden.
Gemäß 1 weist die Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit 12 einen Lufteinlass 14 zur Zufuhr der Umgebungsluft UL und eine nachgeordnete Sorbereinrichtung 15 auf. Es ist möglich, dass die Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit 12 einen oder mehrere Lufteinlässe 14 aufweist. Die Sorbereinrichtung 15 ist mit dem Lufteinlass 14 verbunden. Die Sorbereinrichtung 15 ist dazu angepasst, eine Kohlenstoffdioxidmenge aus der Umgebungsluft UL zu extrahieren. Die Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit 12 weist des Weiteren einen Luftauslass 17 auf. Der Luftauslass 17 dient zur Abgabe der von Kohlenstoffdioxid gereinigten Umgebungsluft UL'. Der Luftauslass 17 kann in Vertikalrichtung nach oben ausgerichtet und/oder Teil eines Kamins 19 sein.
Konkret ist die Sorbereinrichtung 15 zwischen dem Lufteinlass 14 und dem Luftauslass 17 angeordnet. Im Betrieb strömt die Umgebungsluft UL durch den Lufteinlass 14 zur Sorbereinrichtung 15, die eine bestimmte Kohlenstoffdioxidmenge aus der Luft UL abtrennt, insbesondere filtert, wobei die gereinigte Umgebungsluft UL' nach der Sorbereinrichtung 15 durch den Luftauslass 17 in die Außenatmosphäre strömt.
Die Anlage 10 umfasst des Weiteren eine Kohlenstoffdioxid-Transporteinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die aus der Umgebungsluft UL abgetrennte Kohlenstoffdioxidmenge einem Kohlenstoffdioxidzwischenspeicher und/oder der Karbonisierungseinheit 34 der Anlage 10 zur Weiterverarbeitung zur Verfügung zu stellen. Vorzugsweise werden der Karbonisierungseinheit 34 somit der erste Teil der Wasserstoffteilmenge und der erste Teil der Kohlenstoffdioxidmenge zugeführt, sodass die extrahierte Kohlenstoffdioxidmenge mit der abgetrennten Wasserstoffteilmenge zu weiteren Zwischen- und/oder Endprodukten verarbeitet wird. Konkret können der erste Teil der Kohlenstoffdioxidmenge und der zweite Teil der Wasserstoffteilmenge durch die in der Karbonisierungseinheit 34 durchgeführte Methanisierung in Wasser, Kohlenstoff (Graphit) und Wärme umgesetzt werden.
Wie in 1 gezeigt ist, weist die Anlage 10 einen flächigen Anlagenbereich 23 auf. Der flächige Anlagenbereich 23 schließt an die Elektrolyseeinheit 11 direkt an. Auf dem flächigen Anlagenbereich 23 ist eine Stromerzeugungseinheit 31 angeordnet, die eine Photovoltaikeinheit 24 ist. Die Photovoltaikeinheit 24 ist mit den jeweiligen Einheiten der Anlage 10 zur Stromversorgung verbunden. Die Photovoltaikeinheit 24 ist derart angepasst, dass die gesamte Anlage 10 energieautark betreibbar ist. Darunter ist zu verstehen, dass der elektrische Strom zum Betrieb der gesamten Anlage 10 ausschließlich durch Sonnenenergie mittels der Photovoltaikeinheit 24 bereitgestellt wird. Mit anderen Worten werden für den Betrieb der Anlage 10 keine fossilen Energiequellen verwendet. Die Stromerzeugungseinheit 31 umfasst vorzugsweise einen (nicht dargestellten) Energiespeicher, der dazu angepasst ist, die Anlage 10 während des Nachtbetriebs mit Strom zu versorgen.
Die vorstehend beschriebene Meerwasserentsalzungseinheit 27 ist mit einer Wasserrückführleitung 28 verbunden, durch die eine rückzuführende Meerwassermenge M'_H2O mit erhöhtem Salzgehalt in das Meer zurückgeführt wird. Konkret wird aus der entnommenen Meerwassermenge ein bestimmter Salzgehalt extrahiert und anschließend mit einem Teil der entnommenen Meerwassermenge als rückzuführende Wassermenge M'_H2O wieder in das Meer zurückgeführt. Dadurch ist ein Wasserkreislauf bereitgestellt, der für die Natur unschädlich ist.
Die Anlage 10 umfasst ferner eine Methanol-Syntheseeinheit 37. Die Methanol-Syntheseeinheit 37 ist mit der Elektrolyseeinheit 11 oder einem Wasserstoffzwischenspeicher durch eine Wasserstoff-Transporteinrichtung und mit der Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit 12 durch eine Kohlenstoffdioxid-Transporteinrichtung verbunden. Aus dem zugeführten Wasserstoff und Kohlenstoff synthetisiert die Methanol-Syntheseeinheit 37 Methanol, das über einen Methanolauslass 38 aus der Anlage 10 entnommen werden kann. Das Methanol kann insbesondere mittels eines Kraftstoffverteilsystems, das Schiffe, insbesondere Tankschiffe, Tankgüterzüge und/oder Tanklastwagen umfassen kann, an dezentrale Methanolabgabestellen weltweit verteilt werden. Die Methanolabgabestellen können Tankstellen sein, an welchen das Methanol zur Betankung von Kraftfahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen oder Lokomotiven bereitgestellt wird.
Durch eine entsprechende Steuerung des Verfahrens in der Anlage 10 kann eingestellt werden, welcher Anteil des in der Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit sorbierten Kohlenstoffs für die Produktion des Flüssigkraftstoffs Methanol oder für die Produktion von Graphit zur Speicherung in einem Kohlenstoffspeicher genutzt wird. Anfangs wird voraussichtlich ein Verhältnis von 20% Graphit und 80% Methanol zweckmäßig sein, wobei der Anteil an Methanol im Verlauf sukzessive reduziert und der Anteil an Graphit erhöht werden wird, wenn der Bedarf an der Methanolproduktion insbesondere durch den Bau weiterer Anlagen 10 sinkt.
Im Folgenden wird das Verfahren zum Betreienb der Anlage 10 gemäß 1 und damit zum Herstellen von C-Senken-Methanol näher beschrieben.
In einem ersten Verfahrensschritt wird mittels der Elektrolyseeinheit 11 zur Sauerstoffherstellung durch die Wasserzuführleitung 13 eine Wassermenge M_H2O aufgenommen. Die aufgenommene Wassermenge M_H2O wird anschließend durch einen Elektrolysevorgang in eine Sauerstoffteilmenge M_O2 und eine Wasserstoffteilmenge zerlegt. Die Wasserstoffteilmenge wird durch mindestens eine Wasserstoff-Transporteinrichtung einer Karbonisierungseinheit 34 zur Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt, wobei die Karbonisierungseinheit 34 im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Methanisierungsprozess bewirkt, der eine Methansynthese und eine Methanspaltung umfasst.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird Umgebungsluft UL einer die Anlage 10 umgebenden Außenatmosphäre durch die Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit 12 gereinigt. Die Umgebungsluft UL wird durch mehrere Lufteinlässe 14 in die Strömungskanäle 21 eingeleitet, insbesondere eingesaugt, und den nachgeordneten Sorbereinrichtungen 15 zugeführt. Anschließend extrahieren die Sorbereinrichtungen 15 eine Kohlenstoffdioxidmenge aus der zugeführten Umgebungsluft UL. Ein erster Teil der Kohlenstoffdioxidmenge wird durch die Kohlenstoffdioxid-Transporteinrichtung der Karbonisierungseinheit 34 zur Methanisierung zugeführt. Anschließend wird die gewonnene Sauerstoffteilmenge M_O2 nach dem Zerlegungsvorgang und die gereinigte Umgebungsluft UL' nach der Extraktion der Kohlenstoffdioxidmenge in die Außenatmosphäre abgegeben. Dadurch wird der Sauerstoffanteil in der Lufterhöht und der CO₂-Anteil in der Luft verringert.
Der erste Teil der Wasserstoffteilmenge wird ferner gemeinsam mit dem ersten Teil der Kohlenstoffdioxidmenge mittels des Methanisierungsprozess in Wasser, Kohlenstoff bzw. Graphit und Wärme umgewandelt.
Bei dem Verfahren wird Meerwasser entsalzt und das entsalzte Meerwasser anschließend mittels Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Der Sauerstoff O₂ wird an die Umgebungsluft, insbesondere in die Atmosphäre, abgeben, so dass der Sauerstoffanteil in der Umgebung der Anlage erhöht wird. Parallel dazu wird Kohlenstoffdioxid CO₂ mittels einer Kohlenstoffdioxidsorption aus der Umgebungsluft UL, insbesondere der Atmosphäre, gesammelt. Wie bei dem elektrolytisch erzeugten Wasserstoff bzw. der Wasserstoffteilmenge wird auch der erste Teil der aus der Umgebungsluft UL entnommenen Kohlenstoffdioxidmenge zur Karbonisierungseinheit 34 geleitet.
Der Kohlenstoff bzw. Graphit kann anschließend über die Kohlenstofftransporteinrichtung 35 einem Kohlenstoffspeicher zugeführt werden. Der Kohlenstoffspeicher kann beispielsweise das Wasserreservoir 26 bzw. das Meer sein. Da der in dem Methanisierungsprozess entstehende Graphit kaum bis keine Verunreinigungen aufweist und gesteinsähnlich verfestigt ist, bestehen keine Bedenken, den Graphit im Meer zu verklappen.
Neben dem oben erwähnten Kohlenstoff-reduzierenden Prozess werden ein zweiter Teil der Wasserstoffteilmenge und ein zweiter Teil der Kohlenstoffdioxidmenge der Methanol-Syntheseeinheit 37 zugeführt und dort zur Herstellung der Methanolkomponente, d. h. des C-Senken-Methanols, kombiniert. Abfallprodukte, wie Wasserstoff und/oder Sauerstoff, aus dem Methanisierungsprozess können für die Methanolsynthese verwendet werden.
Die für die Elektrolyse, die Kohlenstoffdioxidsorption und die Methanisierung benötigte Energie stammt aus regenerativen Energiequellen, konkret der Photovoltaikeinheit 24, so dass hier keine zusätzliche Produktion von Kohlenstoffdioxid erfolgt.
Durch das hier beschriebene Verfahren ist es daher möglich, Kohlenstoffdioxid effizient aus der Erdatmosphäre zu entfernen und es in seine Bestandteile Graphit und Sauerstoff zu zerlegen, während gleichzeitig eine Methanolkomponente erzeugt wird, die zum Mischen eines Flüssigkraftstoffgemisches verwendet werden kann, der weniger Auswirkungen auf den Klimawandel hat als jedes andere bekannte Kraftstoffgemisch mit fossilem Kraftstoff. Der Sauerstoff kann in die Atmosphäre zurückgeführt und das Graphit dauerhaft in einem Kohlenstoffspeicher, beispielsweise dem Meer, gelagert werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird CO₂-entziehendes Methanol (C-Senken-Methanol) hergestellt. Bei der Herstellung von C-Senken-Methanol wird CO₂ aus der atmosphärischen Luft entfernt und der überschüssige Kohlenstoff in einem Kohlenstoffspeicher gespeichert. Auf diese Weise erzielt das Verfahren effizient eine Verbesserung der atmosphärischen Luftqualität. Das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Flüssigkraftstoffgemisch weist somit deutlich niedrigere Well-to-Wheel COz-Emissionen auf als reines Benzin.
Wie in 2 gezeigt, werden die Well-to-Wheel Emissionen eines herkömmlichen Flüssigkraftstoffgemisches mit Methanol im Vergleich zu reinem Benzin bereits um 8% reduziert. Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren können jedoch die Well-to-Wheel Emissionen von CO₂ im Vergleich zu reinem Benzin um 38% reduziert werden. Überträgt man dies auf bestehende große Fahrzeugflotten mit konventionellen Verbrennungsmotoren, beispielsweise im Post- oder Güterverkehr, ist die CO₂-Reduktion erheblich und wird sich auf die Verlangsamung des Klimawandels auswirken.
Dennoch sollten zusätzliche Bestrebungen unternommen werden, um den Weg zu einer nachhaltigeren Welt weiter zu beschreiten. 3 zeigt einen möglichen Zeitplan für die Einführung verschiedener rückwärtskompatibler Flüssigkraftstoffgemische und die gleichzeitige Einführung eines neuen Kraftstoffs für zukünftige Verbrennungsmotoren.
Wie in 3 dargestellt, könnte das herkömmliche Flüssigkraftstoffgemisch mit 80 Volumenprozent Benzin, 5 Volumenprozent Ethanol und 15 Volumenprozent herkömmlich hergestelltem Methanol verwendet werden, bis das neue Flüssigkraftstoffgemisch, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird, serienreif ist. Das neue Flüssigkraftstoffgemisch mit C-Senken-Methanol ist für den Einsatz in der bestehenden Fahrzeugflotte geeignet und kann dann weiter an die Änderungen der Zusammensetzung der bestehenden Fahrzeugflotte angepasst werden. Die Änderung der Zusammensetzung der bestehenden Fahrzeugflotte wird sich daraus ergeben, dass ältere Fahrzeuge aus der Flotte entfernt werden. Neuere Fahrzeuge würden ein Flüssigkraftstoffgemisch mit einem höheren Methanolanteil vertragen. So könnte ab 2040 ein Flüssigkraftstoffgemisch mit einem Anteil von mehr als 15 Volumenprozent C-Senken-Methanol verwendet werden.
Gleichzeitig werden neue Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren entwickelt und so ausgelegt, dass sie mit einem neuen Kraftstoff betrieben werden können, der ausschließlich Methanol enthält. Zumindest ein Teil des Methanols könnte dann C-Senken-Methanol sein. Der Rest des Methanols könnte vorzugsweise eMethanol sein, das ausschließlich mit Strom aus regenerativen Energiequellen hergestellt wird. Wie aus 3 deutlich hervorgeht, wird mit der Einführung dieses neuen Kraftstoffs (aFuel) eine neue Ära der aktiven Reduzierung des CO₂-Anteils in der atmosphärischen Luft eingeleitet.
Bezuaszeichenliste

10: Anlage
11: Elektrolyseeinheit
12: Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit
13: Wasserzuführleitung
14: Lufteinlass
15: Sorbereinrichtung
16: Sauerstoffauslass
17: Luftauslass
18: Montagebereich
19: Kamin
23: Flächiger Anlagenbereich
24: Photovoltaikeinheit
25: Pumpeinheit
26: Wasserresevoir
27: Meerwasserentsalzungseinheit
28: Wasserrückführleitung
29: Teillängserstreckung
31: Stromerzeugungseinheit
32: Längserstreckung
33: Quererstreckung
34: Karbonisierungseinheit
35: Kohlenstofftransporteinrichtung
36: Kohlenstoffauslass
37: Methanol-Syntheseeinheit
38: Methanolauslass
UL: Umgebungsluft
UL': Gereinigte Umgebungsluft
MH2O: Entnommene Wassermenge
M'H2O: Rückgeführte Wassermenge
MO2: Sauerstoffteilmenge

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Flüssigkraftstoffgemisches zur Verwendung in konventionellen Verbrennungsmotoren, bei dem eine Methanolkomponente in einem atmosphärischen Kohlenstoffdioxid-reduzierenden Prozess hergestellt wird, der autark mit Strom aus, insbesondere ausschließlich, mindestens einer regenerativen Energiequelle versorgt wird, wobei der Kohlenstoffdioxid-reduzierende Prozess die folgenden Schritte umfasst: - Herstellen von Sauerstoff in einer Elektrolyseeinheit (11), die durch mindestens eine Wasserzuführleitung (13) eine Wassermenge (M_H2O), insbesondere aus dem Meer, aufnimmt und die aufgenommene Wassermenge (M_H2O) in eine Sauerstoffteilmenge (M_O2) und eine Wasserstoffteilmenge zerlegt; - Leiten eines ersten Teils der Wasserstoffteilmenge von der Elektrolyseeinheit (11) zu einer Karbonisierungseinheit (34) und eines zweiten Teils der Wasserstoffteilmenge zu einer Methanol-Syntheseeinheit (37); - Reinigen von Umgebungsluft (UL) in mindestens einer Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit (12), wobei die Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit (12) die Umgebungsluft (UL) durch mindestens einen Lufteinlass (14) aufnimmt und eine Kohlenstoffdioxidmenge aus der Umgebungsluft (UL) in mindestens einer nachgeordneten Sorbereinrichtung (15) extrahiert; - Leiten eines ersten Teils der Kohlenstoffdioxidmenge zur Karbonisierungseinheit (34) und eines zweiten Teils der Kohlenstoffdioxidmenge zur Methanol-Syntheseeinheit (37); - Herstellen von Kohlenstoff in der Karbonisierungseinheit (34) durch Methansynthese und Methanspaltung, wobei die Methanspaltung durch Kvaerner-Prozess und/oder Methanpyrolyse bewirkt wird, und Transportieren des Kohlenstoffs zu einem langfristigen Kohlenstoffspeicher, insbesondere einem Bereich des Meeresbodens, - Kombinieren des zweiten Teils der Wasserstoffteilmenge und des zweiten Teils der Kohlenstoffdioxidmenge in der Methanol-Syntheseeinheit (37) zur Herstellung der Methanolkomponente, und wobei die Methanolkomponente mit einer Alkoholkomponente und einer fossilen Kraftstoffkomponente gemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Methanolkomponente mit der Alkoholkomponente und der fossilen Kraftstoffkomponente in einem solchen Verhältnis gemischt wird, dass das Flüssigkraftstoffgemisch nicht mehr als 80 Volumenprozent der fossilen Kraftstoffkomponente, mindestens 5 Volumenprozent der Alkoholkomponente, und mindestens 15 Volumenprozent der Methanolkomponente enthält.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Methanolkomponente mit der Alkoholkomponente und der fossilen Kraftstoffkomponente in einem solchen Verhältnis gemischt wird, dass das Flüssigkraftstoffgemisch zwischen 50, insbesondere 65, und 80 Volumenprozent der fossilen Kraftstoffkomponente, zwischen 5 und 20 Volumenprozent der Alkoholkomponente, und zwischen 10 und 30, insbesondere 15, Volumenprozent der Methanolkomponente enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die regenerative Energiequelle mindestens eine Photovoltaikeinheit (24) zur Umwandlung von Sonnenenergie in Strom ist, wobei sich die Photovoltaikeinheit (24) in einer Region mit einer globalen horizontalen Sonneneinstrahlung pro Jahr von mindestens 1.500 kWh/m² befindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wärme aus der Karbonisierungseinheit (34) zur Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit (12) geleitet und dort als Energie für die Kohlenstoffsorption genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wärme aus der Methanol-Syntheseeinheit (37) zur Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit (12) geleitet und dort als Energie für die Kohlenstoffsorption genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die fossile Kraftstoffkomponente Benzin ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Alkoholkomponente Ethanol ist, insbesondere synthetisches Ethanol, das unter Verwendung von, insbesondere ausschließlich, Strom aus mindestens einer regenerativen Energiequelle hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des von der Karbonisierungseinheit (34) erzeugten Wasserstoffs und/oder Sauerstoffs zur Methanol-Syntheseeinheit (37) geleitet und zur Herstellung der Methanolkomponente verwendet wird.
Verwendung von Methanol als Methanolkomponente eines Flüssigkraftstoffgemisches, das eine fossile Kraftstoffkomponente und vorzugsweise zwischen 5 und 20 Volumenprozent Ethanol als Alkoholkomponente des Flüssigkraftstofgemisches aufweist, wobei die Methanolkomponente mindestens 15 Volumenprozent des Kraftstoffs bildet, und die Methanolkomponente in einem atmosphärischen Kohlenstoffdioxid-reduzierenden Prozess hergestellt wird, der autark mit Strom aus, insbesondere ausschließlich, mindestens einer regenerativen Energiequelle versorgt wird, wobei der Kohlenstoffdioxid-reduzierende Prozess die folgenden Schritte umfasst: - Herstellen von Sauerstoff in einer Elektrolyseeinheit (11), die durch mindestens eine Wasserzuführleitung (13) eine Wassermenge (M_H2O), insbesondere aus dem Meer, aufnimmt und die aufgenommene Wassermenge (M_H2O) in eine Sauerstoffteilmenge (M_O2) und eine Wasserstoffteilmenge zerlegt; - Leiten eines ersten Teils der Wasserstoffteilmenge von der Elektrolyseeinheit (11) zu einer Karbonisierungseinheit (34) und eines zweiten Teils der Wasserstoffteilmenge zu einer Methanol-Syntheseeinheit (37); - Reinigen von Umgebungsluft (UL) in mindestens einer Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit (12), wobei die Kohlenstoffdioxid-Sorptionseinheit (12) die Umgebungsluft (UL) durch mindestens einen Lufteinlass (14) aufnimmt und eine Kohlenstoffdioxidmenge aus der Umgebungsluft (UL) in mindestens einer nachgeordneten Sorbereinrichtung (15) extrahiert; - Leiten eines ersten Teils der Kohlenstoffdioxidmenge zur Karbonisierungseinheit (34) und eines zweiten Teils der Kohlenstoffdioxidmenge zur Methanol-Syntheseeinheit (37); - Herstellen von Kohlenstoff in der Karbonisierungseinheit (34) durch Methansynthese und Methanspaltung, wobei die Methanspaltung durch Kvaerner-Prozess und/oder Methanpyrolyse bewirkt wird, und Transportieren des Kohlenstoffs zu einem langfristigen Kohlenstoffspeicher, insbesondere einem Bereich des Meeresbodens, - Kombinieren des zweiten Teils der Wasserstoffteilmenge und des zweiten Teils der Kohlenstoffdioxidmenge in der Methanol-Syntheseeinheit (37) zur Herstellung der Methanolkomponente.