DE4438902A1

DE4438902A1 - Verfahren zur Produktion von Sekundärenergieträgern

Info

Publication number: DE4438902A1
Application number: DE4438902A
Authority: DE
Inventors: Heiko Prof Barnert; Jasbir Dr Singh
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1994-10-31
Filing date: 1994-10-31
Publication date: 1996-05-02

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Pro duktion von Sekundärenergieträgern, wie Methanol und Methan.

Es ist das Bestreben der Fachwelt, Energiesysteme zu konzipieren, die die Emission klimarelevanter Spuren gase, insbesondere Kohlendioxid (CO₂) und Methan (CH₄) vollkommen vermeiden bzw. zumindest stark reduzieren. Es kann damit ein Beitrag zur Lösung des globalen Klima-Problems geleistet werden.

Naturgemäß bleiben andere Kriterien der Energiewirt schaft, wie z. B. Wirtschaftlichkeit durch erhöhten Wir kungsgrad, als Nebenbedingungen weiterhin erhalten.

Das neu konzipierte Verfahren soll deswegen Sekundär energieträger liefern, die wie Ölprodukte und Naturgas bekanntermaßen anwendungsfreundlich sind, allerdings ohne die mit Ölprodukten und Naturgas verbundenen Emis sionen klimarelevanter Spurengase, insbesondere CO₂ und CH₄. Das neu konzipierte Verfahren sollte darüber hinaus, soweit möglich, positive Eigenschaften bekann ter Verfahren übernehmen. So ist bekannt, daß Kohle durch Vergasung in Synthesegase umgewandelt werden kann, aus denen wiederum Methanol und Methan syntheti siert werden können, wobei - allerdings - klimarele vante Spurengase emittiert werden. Es ist weiterhin be kannt, daß nicht-fossile Brennstoffe, z. B. Holz, zur Verwendung in bestimmten Anwendungsgebieten, z. B. der motorischen Verbrennung, durch Vergasung anwendbar ge macht werden können, und zwar mit dem Vergasungsmittel Luft, wobei - allerdings - ein Schwachgas entsteht.

Die Aufgabenstellung der Erfindung ist, ein Verfahren der eingangs bezeichneten Art zu konzipieren, das CO₂ emissionsneutral und weitestgehend CH₄-emissionsarm ist und das den Aufwand pro Produkt an einzusetzendem Primärrohstoff weitestgehend vermindert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Produktion von Sekundärenergieträgern, wie Methanol und Methan, jeweils rein bzw. im Gemisch mit wenigen Prozenten aus einigen höheren Verbindungen dieser homo logen Reihen und ähnlicher Verbindungen gelöst, bei dem der Primärrohstoff unter Einspeisung von Wasserstoff aus Wasserspaltung und unter Einkopplung exogener Ener gie aus CO₂-emissionsfreien Prozessen umgewandelt wird und wobei als Primärrohstoff nachhaltig produzierte Biomasse eingesetzt und derart umgewandelt wird, daß möglichst der gesamte Kohlenstoffgehalt der Biomasse in den Kohlenstoffgehalt des Sekundärenergieträgers umge setzt wird.

Der Einsatz nachhaltig produzierter Biomasse ist eine Lösung der Aufgabenstellung, weil die bei der Anwendung und ggf. Umwandlung in die Atmosphäre emittierte Menge an CO₂ zuvor durch das Wachstum der Biomasse aus der Atmosphäre entfernt wurde und weil die Gewinnung und Umwandlung von Biomasse so gestaltet werden kann, daß praktisch keine Emissionen von CH₄ auftreten. Nachhal tig produzierte Biomasse ist Biomasse, deren verwendete Teile durch Nachpflanzung ersetzt werden. Die Verwen dung von nachhaltig produzierter Biomasse als Primär rohstoff für die Umwandlung in Methanol und Methan ist deswegen "CO₂-neutral".

Es kann aus verfahrenstechnischen Gründen des Ver gasungsverfahrens zweckmäßig sein, zusätzlich zur Bio masse wenige Prozente Kohle, gemessen am Energieinhalt, einzusetzen. In diesem Falle wird die herstellungs- und anwendungsbedingte Emission von CO₂ und CH₄ lediglich stark vermindert, z. B. auf wenige Prozente derjenigen Emission, die die eingesetzte Kohle bei Verbrennung hätte.

Die weitgehende Verminderung des Aufwands pro Produkt einzusetzender Biomasse ist eine wichtige Aufgabe, weil Biomasse zugleich die Basis für die Nahrungsmittelpro duktion der Menschen ist. Des weiteren gibt es ange stammte Anwendungsfelder für Biomasse, z. B. als Bau holz.

Die Gestaltung des Verfahrens in einer solchen Weise, daß möglichst der gesamte Kohlenstoffgehalt der Bio masse in den Kohlenstoffgehalt des Sekundärträgers um gewandelt wird, ist eine Lösung der Aufgabe, weil der 1fache Aufwand pro Produkt, gemessen mit den Zahlen der Kohlenstoffatome, das absolute Minimum darstellt. Ener getisch wird dies dadurch erreicht, daß Wasserstoff aus der Wasserspaltung eingespeist wird und daß für diesen und weiteren Energiebedarf exogene Energie aus CO₂ emissionsfreien Prozessen eingekoppelt wird.

Das Verfahren mit dem 1fachen Aufwand an Biomasse, z. B. Holz (vereinfacht C₆H₈O₄) pro Produkt ist für die un terschiedlichen Produkte Methanol und Methan durch die folgenden Summenreaktionen charakterisiert:
Für Methanol C₆H₈O₄ + 8 H₂O = 6 CH₃OH + 3 O₂ und
für Methan: C₆H₈O₄ + 8 H₂O = 6 CH₄ + 6 O₂.

Für die Produktion von Wasserstoff aus Wasserspaltung ist es vorteilhaft, eine moderne Wasserelektrolyse ein zusetzen.

Für die Umwandlung der Biomasse ist es vorteilhaft, das Verfahren der Vergasung einzusetzen, weil damit die größtmöglichste Umsetzung erreicht werden kann. Es ist weiterhin vorteilhaft, den Vergasungsschritt als fremd beheizten Vergasungsschritt auszuführen, weil dadurch weitere Energie in den Umwandlungsprozeß eingekoppelt wird. Es ist darüber hinaus vorteilhaft, als Ver gasungsmittel Wasserdampf einzusetzen, weil auf diese Weise die benötigten Synthesegase vermehrt bereitge stellt werden.

Die Produktion von Wasserstoff zur Einspeisung in das Umwandlungsverfahren durch Wasserspaltung ist energie aufwendig, deswegen ist es für den Gesamtwirkungsgrad vorteilhaft, den energetischen Aufwand dafür minimal zu halten.

Reststoffe pflanzlicher Art aus der pflanzlichen und tierischen Nahrungsmittelproduktion sind ebenfalls nachhaltig produzierte Biomasse, weil die Nahrungsmit telproduktion im allgemeinen nachhaltig ist. Beispiele dafür sind Erntereste und Dung.

Es ist vorteilhaft, im Vergasungsverfahren Katalysato ren einzusetzen, weil dadurch der Kapitalaufwand redu ziert werden kann. Es ist weiterhin sinnvoll, wenige Prozente Kohle in das Vergasungsverfahren einzusetzen, weil Kohle mineralische Bestandteile enthält, die kata lytisch wirken können und weil das Verhalten des Ver gasungsverfahrens damit stabilisiert werden kann.

Ausführungsbeispiel

Das Verfahren ist in der Zeichnung näher erläutert. Es besteht aus dem Verfahrensschritt der Wasserdampf- Vergasung von Biomasse 1, z. B. von Holz (abgekürzt symbolisiert durch C₆H₈O₄) oder Chinagras zur Produk tion von im wesentlichen Kohlenmonoxid CO und Wasser stoff H₂, aus der Wasserelektrolyse 2 zur Produktion von Wasserstoff H₂ und Sauerstoff O₂, wobei der Wasser stoff in das Produktgas der Vergasung eingespeist wird und der Sauerstoff O₂ als Nebenprodukt in die At mosphäre abgegeben wird, aus dem Verfahrensschritt der Konvertierung zur Einstellung der Synthesegas- Konzentrationsbedingungen 3 und aus dem Verfahrens schritt der Synthese 4 zur Produktion von Methanol oder Methan. Die zugehörige Energieversorgung besteht aus dem Hochtemperaturreaktor 5 zur Produktion von Hochtem peratur-Helium He und Uran U und der Dampfkraftanlage 6 zur Produktion von Prozeßdampf H₂O und Elektrizität e⁻. Das Verfahren erhält Energie in der Form von Hochtempe ratur-Helium für die fremdbeheizte Wasserdampfverga sung, Pfeil von 5 nach 1, durch Prozeßdampf für die Wasserdampfvergasung, Pfeil von 6 nach 1 und durch Elektrizität für die Wasserelektrolyse, Pfeil von 6 nach 2, Wärmerekuperation wird durchgeführt, Pfeile von 1 nach 6 und von 4 nach 6.

Claims

1. Verfahren zur Produktion von Sekundärenergieträ gern, wie Methanol und Methan, jeweils rein bzw. im Gemisch mit wenigen Prozenten aus einigen hö heren Verbindungen dieser homologen Reihen und ähnlicher Verbindungen, bei dem der Primärroh stoff unter Einspeisung von Wasserstoff aus Was serspaltung und unter Einkopplung exogener Ener gie aus CO₂-emissionsfreien Prozessen umgewandelt wird und wobei als Primärrohstoff nachhaltig pro duzierte Biomasse eingesetzt und derart umgewan delt wird, daß möglichst der gesamte Kohlenstoff gehalt der Biomasse in den Kohlenstoffgehalt des Sekundärenergieträgers umgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Wasserstoff eingespeist wird, der aus Wasser elektrolyse gewonnen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Biomasse durch Vergasen umgewandelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergasungsschritt als fremd beheizter Vergasungsschritt durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß unter Einsatz von Wasserdampf vergast wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der energetische Aufwand an Wasserspaltung zur, Produktion von Wasserstoff minimal gehalten wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nachhaltig produzierte Biomasse Reststoff pflanzlicher Art aus der pflanzlichen und tieri schen Nahrungsmittelproduktion ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Vergasung Katalysatoren wasserspal tender Art und/oder hydrierender Art, z. B. Me tallkarbonate bzw. Metalloxide, eingesetzt und rezykliert werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Vergasung zusätzlich zur Biomasse we nige Prozente Kohle eingesetzt werden.