EP3807233A1 - Bereitstellung von kohlenstoffdioxid mittels sauerstoffbasierter verbrennung - Google Patents

Bereitstellung von kohlenstoffdioxid mittels sauerstoffbasierter verbrennung

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EP3807233A1
EP3807233A1 EP19752961.3A EP19752961A EP3807233A1 EP 3807233 A1 EP3807233 A1 EP 3807233A1 EP 19752961 A EP19752961 A EP 19752961A EP 3807233 A1 EP3807233 A1 EP 3807233A1
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EP
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oxygen
energy
hydrogen
fuel
carbon
Prior art date
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Application number
EP19752961.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Hannemann
Gerhard Zimmermann
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
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    • Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight

Definitions

  • the present invention relates to a method for the extraction, provision or manufacture of a carbon-containing or -based, in particular hydrocarbon-based product or carbon dioxide, for example for “Power-to-X” (PtX) applications. Furthermore, a corresponding system which is to be used the procedure is set up.
  • PtX Power-to-X
  • Electricity-based or synthetic fuels are used in particular in the Transportation or industry is more important, such fuels as methane, methanol or derived or derived products such as kerosene, gasoline, diesel, OME, MTBE, or other hydrocarbon based products are especially produced by synthesis from hydrogen and carbon dioxide the underlying process can be named in particular with the expression “power-to-carbon-based fuels”, “PtCbasedFuels” or “PtCbF”.
  • Hydrogen can be provided in particular by (water) electro lysis. The same applies to oxygen as a by-product or co-product. Carbon dioxide or carbon dioxide can then be removed or separated by various methods according to specific applications.
  • the provision or supply of carbon dioxide (C0 2) for example for PtCbF applications, is not yet a subject that has been discussed in detail since there are currently only smaller projects that are implemented on a small scale, for example for demonstration purposes.
  • electricity costs for example electricity generation or production costs, for renewable energies, especially in places with a large potential of wind, solar thermal and / or photovoltaics
  • PtCbF e.g. plants with a potential of 100 MW and more
  • PtCbF e.g. plants with a potential of 100 MW and more
  • a method for separating carbon dioxide from a gas stream, in particular from a flue gas stream, and a separation device for carbon dioxide from such a stream is known for example from EP 2994216 B1.
  • a method for producing carbon-based secondary energy sources or basic chemicals by coupling an oxyfuel combustion of carbon-based fuels and a high-temperature solid electrolyte electrolysis (HT-SOEL) is known from DE 10 2015 226 111 Al.
  • One aspect of the present invention relates to a method suitable for the production, extraction or supply of carbon dioxide or a carbon-containing, in particular hydrocarbon-based product, preferably a secondary energy source, fuel, fuel, solvent or comparable products, chemical raw materials or intermediates.
  • the method comprises providing oxygen, in particular from electrolysis, and providing a fuel.
  • the method further comprises, in particular oxygen-based, combustion of the fuel provided with the oxygen using an oxyfuel method or an oxygen-based method for providing energy, in particular heat.
  • the combustion is preferably carried out with pure or almost pure oxygen, for example by the so-called oxyfuel method (from “Oxy” for oxygen (oxygen) and “fuel” for fuel), the oxygen preferably being an electrolysis , which is part of the PtCbF process.
  • oxyfuel method from “Oxy” for oxygen (oxygen) and “fuel” for fuel
  • the oxygen preferably being an electrolysis , which is part of the PtCbF process.
  • the oxygen-based combustion process in particular oxyfuel process, is preferably a process in which particularly high flame temperatures can be achieved. It can be used for both gaseous and liquid and solid fuels. In contrast to conventional combustion with air (air-based combustion), the fuel is burned with (almost) pure oxygen, e.g. without or with only a small proportion of nitrogen and noble gases.
  • a certain amount of exhaust gas or flue gas (cooled) is usually recirculated, i.e. for example, blown together with the fuel and oxygen in a Brennkam mer.
  • the flame temperature is, for example, dependent on the temperature of the recirculated flue gas mass flow.
  • flue gas recirculation the temperature in a combustion zone can also be achieved by cooling, for example via heating surfaces through which water and steam flow or so-called “heat pipes”.
  • the oxyfuel process is still particularly suitable as a basis for processes that allow the carbon dioxide (C0 2 ) that is formed or formed during combustion to be separated and thus se questred.
  • C0 2 carbon dioxide
  • fluidized beds in particular can be used for the combustion of the fuel.
  • the energy mentioned is advantageously made available or provided as non-fluctuating energy (electrical energy and / or heat), which ensures that the energy is reliable, predictable and / or unconditionally available and quantifiable.
  • the method further comprises cleaning a smoke gas that is created or produced by the oxyfuel method.
  • Said cleaning can include, in particular, a fine cleaning and / or dedusting of the flue gas.
  • the method further comprises the separation, separation or recovery of carbon dioxide from the (cleaned) flue gas generated or generated by the oxyfuel method.
  • the method can then include, for example, a (further) CCg purification, ie purification of the separated carbon dioxide.
  • a (further) CCg purification ie purification of the separated carbon dioxide.
  • the CCg purification can advantageously be carried out by reacting a remaining or residual oxygen with hydrogen.
  • the energy provided by the oxyfuel method or oxygen-based method comprises, preferably exclusively, heat which is used as process heat, for cleaning and / or for synthesis or preparation of the carbon-containing product, in particular a hydrocarbon-based product, is being used.
  • heat can be used reliably and in particular in a non-fluctuating or volatile manner for the further process steps required, such as, for example, starting or keeping warm a synthesis device, an electrolyser or for the purposes mentioned above.
  • turbines, gas engines or electrical heaters which otherwise, for example, would be required as a "back-up" solution, obsolete.
  • the deposited carbon dioxide or a product based on it can be produced and offered particularly cheaply according to this embodiment, since in particular there are no high demands on the efficiency and combustion process electrical energy generation or conversion.
  • this process heat can continue to be used in particular for the purification and / or distillation of crude methanol, which may be present as an intermediate.
  • an electrolysis-derived oxygen which otherwise usually arises in excess and has to be blown off, can be used further in a suitable manner.
  • oxyfuel processes taking place at atmospheric pressure as well as at overpressure can be used for the combustion, which advantageously supply already compressed CCg.
  • the method comprises providing hydrogen, in particular from an electrolysis.
  • This electrolysis is expediently the same electrolysis process from which, as described above, the oxygen has already been provided. In this way, the substances mentioned can be made available and recycled in a particularly efficient and simple manner.
  • the deposited carbon dioxide is reacted or synthesized with the hydrogen provided to form a carbon-containing, in particular hydrocarbon-based, product, preferably an energy source or fuel.
  • hydrogen or residual hydrogen can be contained in the deposited product (carbon dioxide). In contrast to conventional combustion processes with sequestration, this does not interfere with the present process, or is even advantageous if a carbon-containing product, for example methanol, is provided or is produced from the carbon dioxide.
  • the synthesis of the carbon-containing product, in particular methanol, or the conversion comprises an inverse water gas shift reaction.
  • carbon dioxide can advantageously be converted (en dothermally) with hydrogen to carbon monoxide and water.
  • the heat provided by the oxyfuel process can advantageously be used for the above-mentioned reaction (RWGS process).
  • the carbon-containing product in particular a product containing hydrocarbons, is a secondary one Energy sources, for example a fuel or an organic solvent.
  • the attribute “green” can be recognized at least in the event that CCg is produced or obtained from biomass or similar sources and, for example, hydrogen from renewable energy sources and / or be certified.
  • the carbon-containing product in particular a hydrocarbon-based product, methane, methanol, MTBE (methyl tert-butyl ether) as a fuel additive, DME (dimethyl ether) as an organic solvent, OME (polyoxymethylene dimethyl ether) as a synthetic fuel, Kerosene, gasoline, diesel and / or waxes.
  • a hydrocarbon-based product methane, methanol, MTBE (methyl tert-butyl ether) as a fuel additive
  • DME dimethyl ether
  • OME polyoxymethylene dimethyl ether
  • the fuel is biomass or bio-based, for example a standardized fuel which, for example, is traded or tradable worldwide and can be or can be available in compressed form or in granular form (“pellet”).
  • a standardized fuel which, for example, is traded or tradable worldwide and can be or can be available in compressed form or in granular form (“pellet”).
  • the fuel can also be provided in a reproducible form, which in turn can simplify subsequent combustion, since combustion parameters, such as stoichiometry, can be set and defined more easily.
  • a combustion of the fuel from traded, standardized biomass granules or biomass pellets is also characterized by relatively low impurities, so that subsequent gas purification can be simplified, for example, the occurrence of nitrogen oxides, sulfur oxides or chlorine in this case is predictable and advantageous ring, which facilitates filtering or cleaning of these substances.
  • Said fuel in particular biomass, can advantageously be traded in a simple manner and in particular pretreated as a standardized product, transported over long distances and made available for energy generation and / or heat generation near an installed PtCbF system or integrated into this.
  • biomass-based fuel compacts described are advantageously resistant and hardly degrade due to a low level of contamination and / or water content.
  • the fuel is a bio-oil or a pyrolysis oil or a pyrolytically produced oil.
  • the provision of oxygen and / or hydrogen takes place with the aid of fluctuating, volatile or variable renewable energy, in particular via electrolysis.
  • renewable energies are naturally subject to fluctuations in supply, which is often not sufficiently predictable for continuous use.
  • hydrogen is provided from hydrothermal and / or geothermal sources, i.e. in particular not or hardly fluctuating.
  • the energy is provided by the combustion of the fuel in a non-fluctuating manner, that is to say in a non-volatile or variable manner.
  • the energy "gained” or “generated” by the oxygen-based combustion of the fuel can be quantified, continuously and reliably provided.
  • the system includes in particular a combustion device, gas cleaning, CO 2 - Separation device, and, in particular, a device for converting carbon dioxide and hydrogen into the carbon-based product.
  • hydrogen is provided by or from an electrolysis, in particular a PEM electrolysis (“PEM” for “polymer electrolyte membrane”; in German: polymer electrolyte membrane).
  • PEM PEM electrolysis
  • oxygen is provided by or from an electrolysis, in particular a PEM electrolysis.
  • the provision of oxygen ie the provision of hydrogen, is carried out from or by PEM electrolysis.
  • the electrolysis is carried out under increased pressure, for example relative to an atmospheric pressure, so that the electrolysis products, in particular oxygen and hydrogen, are also present under increased pressure and can be processed further. This has the advantage that less compaction work has to be done subsequently.
  • the electrolysis products in particular oxygen and hydrogen, are only compressed or charged after their electrolytic production.
  • the actual electrolysis can take place without pressure or under atmospheric pressure.
  • the subsequent combustion can also be carried out under increased pressure and accordingly in a simplified or more efficient manner, for example in such a way that carbon dioxide is provided under conditions which are ideally adapted to downstream synthesis steps or substeps.
  • a remaining portion of oxygen in particular a portion which is not directly burned, is converted to what is provided with the hydrogen provided for the described carbon dioxide separation or carbon dioxide purification.
  • This configuration can further simplify the separation of oxygen by means of starting materials or products already present.
  • a CCg gas or flue gas still contains small amounts of oxygen, which can be converted into water afterwards via hydrogen, for example, also from an electrolysis.
  • the energy provided by the oxyfuel method or oxygen-based method comprises, in particular exclusively, heat which - in the way of the method described - is used for a subsequent cogeneration.
  • conventional power plants for example steam power plants or combined heat and power plants, can also be used advantageously.
  • the energy provided by the oxyfuel method or oxygen-based method comprises electrical energy which is obtained as non-fluctuating or non-volatile energy or energy source, for example via a steam power process.
  • the oxygen and / or the fuel can be used to generate electricity, for example electricity as a by-product for feeding into a power grid or as a network compensation ("Peaker") for or in addition to a system which may be provided and which contains the oxygen in which hydrogen is made available, for example, from renewable or regenerative energies.
  • the oxyfuel process or oxygen-based combustion process is carried out without flue gas recirculation (see above). According to this embodiment, the combustion can take place particularly efficiently.
  • a correspondingly constructed fluidized bed is used for the combustion of the fuel, which is in particular biomass or biomass-based. Refinements, features and / or advantages that relate to the method described here also can affect the system, or vice versa.
  • FIG. 1 shows schematically and simplified a process sequence of the method according to the invention on the basis of a flowchart or block diagram.
  • FIG. 1 shows in simplified form a method according to the invention for producing or providing carbon dioxide or a carbon-containing product, in particular product P based on hydrocarbon.
  • a system 100 is shown in FIG. 1.
  • the system 100 is preferably set up to provide a carbon-containing or -containing product, for example also pure carbon, or in particular a hydrocarbon-based product.
  • the system 100 is preferably a PtCbF system (“Power-to-carbon-based fuels”), ie set up, starting from the energy provided, for example from renewable sources and / or from an oxygen-based combustion of a fuel, the above to provide said product, in particular a fuel.
  • PtCbF system Power-to-carbon-based fuels
  • the system 100 preferably comprises a combustion device 101.
  • the combustion device 101 is preferably set up for an oxygen-based combustion of a fuel, preferably a biomass-based one
  • the combustion device is preferably an oxyfuel incinerator.
  • the combustion device 101 is accordingly preferably assembled for the combustion of biomass.
  • the combustion device can also be set up and designed for the combustion of biological fuels or energy sources, for example bio-oils or pyrolytically provided oils.
  • biomass BM in particular in compressed and standardized form, is preferably used for the fuel, since this product is particularly easier to trade or provide and is more suitable for long-distance transport.
  • this form of fuel provides more reproducible combustion results and / or products.
  • the biomass mentioned can be provided, for example, by processes known in the prior art in pellets or granules, which can be provided by drying measures, in particular torrefication or torrefication, tableting and / or pressing (English “pelleting”) an additional torreification of the biomass, which can include a drying measure at temperatures above 250 ° C.
  • Corresponding compacts or granules are typically obtained from wood, wood waste or comparable raw materials mitver be burned.
  • an emerging flue gas can, for example, in addition to CO2 and water, waste products such as nitrogen oxides (NO x ), sulfur oxides (SO x ) and / or chlorine (Ci), chlorine compounds or other substances.
  • waste products such as nitrogen oxides (NO x ), sulfur oxides (SO x ) and / or chlorine (Ci), chlorine compounds or other substances.
  • oxygen (0 2 ) which is a combustion as an oxidizing agent, which preferably originates from an electrolysis, preferably a PEM electrolysis (see below), is minimally overstoichiometric in the combustion device 101 burn, meaning that a small amount of oxygen can still be contained in the flue gas.
  • This is the most expedient and efficient considering the difficulty or impossibility of an exactly stoichiometric combustion. Furthermore, this can be necessary or expedient, to avoid the formation of dioxins and (other) toxic hydrocarbons.
  • This residual oxygen in the CCg normally has to be removed using complex cleaning processes, including, for example, activated carbon filters or molecular sieves.
  • the combustion device 101 described comprises, for the gasification of a fuel which may be provided in solid form (“biomass pellet”), for example a fluidized bed or also other means, for example rusting, for holding the fuel.
  • biomass pellet for example a fluidized bed or also other means, for example rusting, for holding the fuel.
  • a fluidized bed for the gasification and / or combustion of the fuel is preferred, since this basically makes it possible to dispense with a possibly inefficient flue gas recirculation or recirculation by means of the oxyfuel process or to reduce the circulation.
  • the system 100 preferably further comprises a gas purification 102.
  • the gas purification or gas purification device 102 can, for example, be set up to purify, in particular also to dedust, the flue gas produced by the combustion (compare reference symbol “GR” for the gas purification method step in FIG. 1 ).
  • the system 100 preferably further comprises a CO2 separation device 103.
  • the separation device 103 can in particular be set up to separate waste products which may be inherently contained in the fuel from the carbon dioxide obtained or to be obtained, in particular by condensation of water.
  • the waste materials mentioned can include, for example, nitrogen oxides (NO x) , sulfur oxides (SO x) and / or chlorine or other substances.
  • FIG. 1 also shows a pump or conveying device 105 with which the carbon dioxide can be fed to a subsequent synthesis.
  • the system 100 further comprises a device 104 for converting carbon dioxide and hydrogen to the described carbon-containing product.
  • a further CO2 cleaning (CCg-R) can be carried out in order to provide carbon dioxide in a highly pure form for the synthesis of the product P.
  • a remaining oxygen fraction O2 in particular, for example, from superstoichiometric oxyfuel combustion and / or from electrolysis can be used originating oxygen, to be converted to water H2O with the provided hydrogen H2 (this is indicated by the dashed case and with the reference symbol H2).
  • the device 104 is in particular adapted or set up for the synthesis (same reference symbol “Synth” for the method step of implementing or synthesis in FIG. 1) of the carbon-containing, in particular hydrocarbon-based product.
  • the device 104 can be designed to supply of hydrogen, in particular from (or produced by) PEM electrolysis to convert the separated or separated carbon dioxide to the carbon-containing product P.
  • the carbon-containing product P can be methane, methanol, MTBE, DME, OME, Kerosene, petrol, diesel, comparable fuels or additives are products or waxes that are manufactured or can be manufactured by the Fischer-Tropsch synthesis. The products mentioned are of particular importance industrially or in particular for mobility purposes.
  • synthesis gas for example a mixture of H 2 , CO and CO2
  • H 2 , CO and CO2 the starting material
  • the conversion of hydrogen and the carbon dioxide obtained by the process described can take place via the Sabatier process.
  • renewable energies RES are preferably used as an energy source or for operating electrolysis, preferably water-based PEM electrolysis, in the context of the described method.
  • the electrolysis method is identified by the reference symbol EL in FIG. 1.
  • electrolysis products are known oxygen O2 (see upper part of Figure 1) and hydrogen H2 (see lower part of Figure 1).
  • the products oxygen and hydrogen can, for example in the event of a sub-supply of renewable energy sources, also be temporarily stored in advance by known means, so that the combustion described (oxyfuel process) can be carried out predictably and continuously.
  • oxygen path indicates that oxygen may be generated in excess and must be blown off, or may also advantageously be used for other purposes.
  • a compressor in order to transport these substances accordingly, in particular to make the oxygen accessible for combustion and the hydrogen of the device 104, a compressor (see reference number 106 in FIG. 1) or another transport or compression means can be used.
  • the aforementioned electrolysis which is supplied, for example, by the renewable energy RES with electrical energy EE, can optionally be carried out under increased pressure, so that the electrolysis products, oxygen Cg and hydrogen H 2 , are also present under increased pressure.
  • oxygen Cg and hydrogen H 2 can be provided in compressed form after their electrolytic production.
  • the pressures or overpressures mentioned can assume values between 20 and 80 bar or more.
  • An essential aspect of the method described relates to the configuration that the energy E provided by the oxyfuel method, in particular exclusively, comprises heat C which can be made available for further purposes, for example as process heat for the separation of the carbon dioxide C0 2 , can be used for cleaning and / or for a synthesis or preparation of the carbon-containing product P.
  • a CO 2 -based synthesis of, for example, methanol could include, for example, a reverse CO conversion or reverse water gas shift reaction (reverse water gas shift reaction (RWGS)) in a first step.
  • RWGS reverse water gas shift reaction
  • C0 2 is reacted with H 2 endothermic to CO and H 2 0.
  • the resulting mixture of CO and H 2 corresponds, for example, to a classic synthesis gas
  • the heat mentioned from the oxygen-based combustion can advantageously be used for the RWGS process described.
  • the heat mentioned can also be used for a subsequent cogeneration.
  • the energy E provided by the oxyfuel method can comprise electrical energy EE which is obtained as non-fluctuating energy, for example via a steam power process.
  • the invention is not limited to these by the description based on the exemplary embodiments, but encompasses every new feature and every combination of features. This includes in particular any combination of features in the claims, even if this feature or this combination itself is not explicitly specified in the claims or exemplary embodiments.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines kohlenstoffhaltigen Produkts (P) angegeben. Das Verfahren, umfasst das Bereitstellen von Sauerstoff (O2), insbesondere aus einer Elektrolyse, und das Bereitstellen eines Brennstoffs. Das Verfahren umfasst weiterhin das Verbrennen des Brennstoffs mit dem Sauerstoff (O2) über ein Oxyfuel-Verfahren zum Bereitstellen von Energie (E), eine Reinigung eines durch das Oxyfuel-Verfahren entstehenden Rauchgases (RG), und das Abscheiden von Kohlenstoffdioxid (CO2) aus dem durch das Oxyfuel-Verfahren entstehenden Rauchgas (RG), wobei durch das Oxyfuel-Verfahren bereitgestellte Energie (E), insbesondere ausschließlich, Wärme (C) umfasst, welche als Prozesswärme für die Reinigung und/oder für eine Synthese oder Bereitstellung des kohlenstoffhaltigen Produkts (P), genutzt wird. Weiterhin wird eine entsprechende Anlage (100), welche zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist, angegeben.

Description

Beschreibung
Bereitstellung von Kohlenstoffdioxid mittels sauerstoffba sierter Verbrennung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewin nung, Bereitstellung oder Herstellung eines kohlenstoffhalti gen oder -basierten, insbesondere kohlenwasserstoffbasierten Produktes bzw. Kohlenstoffdioxid, beispielsweise für „Power- to-X" (PtX) Anwendungen. Weiterhin wird eine entsprechende Anlage, welche zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist, angegeben.
Sogenannte „Power-to-Gas-", „Power-to-Liquid-" , „Power-to- Fuel"-, oder einfach „Power-to-X"-Verfahren (PtX) stellen vielversprechende Ansätze dar, um einen künftigen Wandel von fossilen Energien hin zu einer Energieinfrastruktur zu be werkstelligen, welche hauptsächlich auf erneuerbaren Energien (englisch: RES für „renewable energy sources") , wie bei spielsweise Windkraft, Sonnenenergie, Erdwärme oder Wasser kraft, basiert. Strombasierte oder synthetische Brennstoffe werden insbesondere im Transportsektor oder der Industrie im mer wichtiger. Solche Brennstoffe, wie zum Beispiel Methan, Methanol oder abgeleitete oder Folgeprodukte, wie Kerosin, Benzin, Diesel, OME, MTBE, oder andere kohlenwasserstoffba sierte Erzeugnisse, werden insbesondere durch Synthese aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid hergestellt. Ein zugrunde liegendes Verfahren kann insbesondere mit dem Ausdruck „Power-to-carbon-based-fuels" , „PtCbasedFuels" oder „PtCbF" benannt werden.
Wasserstoff kann dabei insbesondere durch (Wasser-) Elektro lyse bereitgestellt werden. Gleiches gilt für Sauerstoff als Neben- oder Koppelprodukt. Kohlenstoffdioxid oder Kohlendi oxid kann dann durch verschiedene Verfahren entsprechend spe zifischer Anwendungen entnommen oder abgetrennt werden. Noch ist die Bereitstellung oder Versorgung von Kohlenstoff dioxid (C02) , beispielsweise für PtCbF- Anwendungen, kein allzu eingehend diskutiertes Thema, da es gegenwärtig ledig lich kleinere Projekte und Vorhaben gibt, welche in kleinem Maßstab, beispielsweise für Demonstrationszwecke, realisiert werden. Infolge der gegenwärtig drastisch fallenden Stromkos ten, beispielsweise Stromerzeugungskosten oder - gestehungskosten, für erneuerbare Energien, insbesondere an Orten mit einem großen Potenzial von Wind, Solarthermie und/oder Fotovoltaik, werden großskalige Projekte zu PtCbF (beispielsweise Anlagen mit einem Potenzial von 100 MW und mehr) zunehmend als vorteilhafte Lösung angesehen, mithin diskutiert und erwogen.
Als Quellen für Kohlendioxid kommen grundsätzliche Rauchgase oder Prozessabgase infrage, aus denen beispielsweise mit ei ner einer Verbrennung nachgeschalteten Erfassung oder Ab scheidung von Kohlendioxid (sogenannte „post-combustion- capture") dieses über eine Rauchgaswäsche, (wieder) gewonnen werden kann.
Ein Verfahren zur Abscheidung von Kohlendioxid aus einem Gasstrom, insbesondere aus einem Rauchgasstrom, sowie eine Abscheidungsvorrichtung für Kohlendioxid aus einem derartigen Strom ist beispielsweise bekannt aus EP 2994216 Bl.
Ein Verfahren zur Erzeugung von kohlenstoffbasierten Sekundä renergieträgern oder Basischemikalien durch Kopplung einer Oxyfuel-Verbrennung kohlenstoffbasierter Brennstoffe und ei ner Hochtemperatur-Festelektrolyt-Elektrolyse (HT-SOEL) ist hingegen bekannt aus DE 10 2015 226 111 Al.
Weiterhin ist die Gewinnung von Kohlenstoffdioxid aus biolo gischen Prozessen (Fermentation) , sogenannten „Coal-to- Liquid"-Prozessen, beispielsweise über eine der eigentlichen Produktion des Brennstoffs oder Energieträgers vorgelagerten, (prozessimmanenten) Erfassung oder sogar durch eine Kohlen- stoffdioxidabtrennung aus Luft, sogenannte DAC ("Direct-Air- Capture") möglich.
Im Falle von Power-to-Gas (PtG) oder Power-to-Liquid (PtL) Anwendungen kann, insbesondere räumlich, weit entfernt von gängigen Industrien der fossilen Energieerzeugung oder in Ge genden mit wenig Potential zur Kohlendioxid-Gewinnung, CO2 durch entsprechende Logistik und Verkehrswege transportiert und zur Verfügung gestellt werden. Dies ist jedoch kostenin tensiv, da hierfür das Kohlendioxid in vielen Fällen aufwen dig gereinigt und verflüssigt werden muss.
Die genannte Lösung, mittels DAC Kohlenstoffdioxid abzutren nen, ist - wie angedeutet - ebenfalls kostenintensiv, und noch in der Entwicklungsphase. Es existieren derzeit weiter hin nur wenige Anbieter dieser Technologie.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel anzugeben, welche die beschriebene Problematik lösen, insbe sondere Mittel zur Verfügung zu stellen, welche eine verbes serte PtCbF-Lösung ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Pa tentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Ge genstand der abhängigen Patentansprüche.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren geeignet zur Herstellung, Gewinnung oder Bereitstellung von Kohlendioxid bzw. eines kohlenstoffhaltigen, insbesondere kohlenwasserstoffbasierten Produkts, vorzugsweise eines se kundären Energieträgers, Treibstoffs, Kraftstoffs, Lösungs mittels oder vergleichbarer Erzeugnisse, chemischer Rohstoffe oder Zwischenprodukte.
Das Verfahren umfasst das Bereitstellen von Sauerstoff, ins besondere aus einer Elektrolyse und das Bereitstellen eines Brennstoffs . Das Verfahren umfasst weiterhin das, insbesondere sauerstoff basierte, Verbrennen des bereitgestellten Brennstoffs mit dem Sauerstoff über ein Oxyfuel-Verfahren bzw. ein sauerstoffba sierte Verfahren zum Bereitstellen von Energie, insbesondere Wärme .
Durch das beschriebene Verfahren wird die Verbrennung vor zugsweise mit reinem oder fast reinem Sauerstoff durchge führt, beispielsweise durch das sogenannte Oxyfuel- Verfahren (aus „Oxy" für Oxygen (Sauerstoff) und „fuel" für Brenn stoff) , wobei der Sauerstoff vorzugsweise einer Elektrolyse, die Teil des PtCbF Prozesses ist, entstammt.
Das sauerstoffbasierte Verbrennungsverfahren, insbesondere Oxyfuel-Verfahren, ist vorzugsweise ein Prozess, bei dem be sonders hohe Flammentemperaturen erreicht werden können. Es ist sowohl für gasförmige als auch für flüssige und feste Brennstoffe anwendbar. Im Gegensatz zur konventionellen Ver brennung mit Luft (luftbasierte Verbrennung) wird der Brenn stoff mit (nahezu) reinem Sauerstoff, also beispielsweise oh ne oder nur mit geringem Anteil von Stickstoff und Edelgasen verbrannt .
Um die resultierende Flammentemperatur beeinflussen zu kön nen, wird üblicherweise eine bestimmte Menge von Abgas bzw. Rauchgas (abgekühlt) rezirkuliert, d.h. beispielsweise mit dem Brennstoff und dem Sauerstoff zusammen in eine Brennkam mer eingeblasen. Die Flammentemperatur ist dabei beispiels weise abhängig von der Temperatur des rezirkulierten Rauch gasmassenstroms. Alternativ zu einer Rauchgasrezirkulation kann die Temperatur in einer Verbrennungszone auch durch Küh lung, beispielsweise über mit Wasser und Dampf durchströmte Heizflächen oder sogenannte „heatpipes" erreicht werden.
Das Oxyfuel-Verfahren eignet sich weiterhin besonders gut als Grundlage für Prozesse, die eine Abscheidung und damit Se questrierung des bei der Verbrennung entstandenen oder ent stehenden Kohlenstoffdioxids (C02) erlauben. Im Rahmen dieser Verbrennungsverfahren können insbesondere Wirbelschichten für die Verbrennung des Brennstoffes herange zogen werden.
Die genannte Energie wird vorteilhafterweise als nicht fluk tuierende Energie (elektrische Energie und/oder Wärme) zur Verfügung oder bereit gestellt, wodurch gewährleistet ist, dass die Energie zuverlässig, vorhersehbar und/oder bedin gungslos verfügbar und quantifizierbar ist.
Das Verfahren umfasst weiterhin eine Reinigung eines durch das Oxyfuel-Verfahren entstehenden oder entstandenen Rauchga ses. Die genannte Reinigung kann insbesondere eine Feinreini gung und/oder eine Entstaubung des Rauchgases umfassen.
Das Verfahren umfasst weiterhin das Abscheiden, Trennen oder Gewinnen von Kohlenstoffdioxid aus dem durch das Oxyfuel- Verfahren entstehenden oder entstandenen (gereinigten) Rauch gases .
Weiterhin kann das Verfahren beispielsweise im Anschluss eine (weitere) CCg-Reinigung, also Reinigung des abgetrennten Koh lenstoffdioxids , umfassen. Mit Vorteil kann die CCg-Reinigung durch Umsetzung eines verbleibenden oder Restsauerstoffs mit Wasserstoff durchgeführt werden.
Im Rahmen des beschriebenen Verfahrens umfasst die durch das Oxyfuel-Verfahren bzw. sauerstoffbasierte Verfahren bereitge stellte Energie, vorzugsweise ausschließlich, Wärme, welche als Prozesswärme, für die Reinigung und/oder für eine Synthe se oder Bereitstellung des kohlenstoffhaltigen Produkts, ins besondere kohlenwasserstoffbasierten Produkts, genutzt wird. Dadurch kann Wärme zuverlässig und insbesondere nicht fluktu ierend oder volatil für die weiteren erforderlichen Prozess schritte, wie beispielsweise das Anfahren oder Warmhalten ei ner Syntheseeinrichtung, eines Elektrolyseurs oder für die oben genannten Zwecke verwendet werden. Insbesondere werden Turbinen, Gasmotoren oder elektrische Heizgeräte, welche sonst beispielsweise als „Back-up" Lösung erforderlich wären, obsolet. Als weiterer Vorteil kann das abgeschiedene Kohlen stoffdioxid oder ein darauf basierendes Produkt gemäß dieser Ausgestaltung besonders günstig hergestellt und angeboten werden, da insbesondere keine hohen Anforderungen an eine Ef fizienz des Verbrennungsprozesses und hinsichtlich elektri scher Energie Erzeugung oder -Umwandlung gestellt werden.
Im Falle von Methanol als Produkt, in das Kohlenstoffdioxid umgesetzt werden soll bzw. als Energieträger, kann diese Pro zesswärme weiterhin insbesondere für die Reinigung und/oder Destillation von Rohmethanol, welches als Zwischenprodukt vorliegen kann, verwendet werden.
Für den Fall dass der Sauerstoff und/oder der Wasserstoff durch eine Elektrolyse bereitgestellt wird, kann weiterhin durch das beschriebene Verfahren vorteilhafterweise eine LuftZerlegung, welches sehr aufwendig und kostenintensiv ist, entbehrt werden.
Durch das beschriebene Verfahren bzw. eine vorliegend eben falls vorgestellte Anlage (siehe unten) werden nun Mittel präsentiert, Kohlenstoffdioxid in Gegenden ohne ausreichende Quellen oder Bezugsmöglichkeiten auf verbesserte Art, insbe sondere effizienter und einfacher zur Verfügung zu stellen. Mit anderen Worten kann an entsprechenden Orten des Bedarfs, Kohlenstoffdioxid weitgehend autark zur Verfügung gestellt werden, ohne das Erfordernis einer bereits bestehenden in dustriellen Infrastruktur, umfassend Kraftwerks- oder Verfah renstechnik. Letztere ist nämlich, insbesondere für CO2- Importe über konventionelle Wege bzw. Lieferungen, an den entsprechenden Entstehungsorten erforderlich.
Vorteilhafterweise kann weiterhin einer Elektrolyse entstam mender Sauerstoff, welcher sonst üblicherweise im Überschuss entsteht und abgeblasen werden muss, auf zweckmäßige Art wei ter verwertet werden. Wie weiter unten beschrieben können bei atmosphärischem Druck als auch bei Überdruck stattfindende Oxyfuel-Prozesse für die Verbrennung herangezogen werden, welche vorteilhafterweise bereits komprimiertes CCg liefern.
In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren das Bereitstel len von Wasserstoff, insbesondere aus einer Elektrolyse. Bei dieser Elektrolyse handelt es sich zweckmäßigerweise um das selbe Elektrolyseverfahren, aus dem, wie oben beschrieben, bereits der Sauerstoff bereitgestellt wurde. Auf diese Art können die genannten Stoffe besonders effizient und einfach zur Verfügung gestellt und verwertet werden.
In einer Ausgestaltung wird - innerhalb des beschriebenen Verfahrens - das abgeschiedene Kohlenstoffdioxid mit dem be- reitgestellten Wasserstoff zu einem kohlenstoffhaltigen, ins besondere kohlenwasserstoffbasierten, Produkt, vorzugsweise einem Energieträger oder Kraftstoff, umgesetzt oder syntheti siert. Gemäß dieser Ausgestaltung kann Wasserstoff oder Rest wasserstoff im abgeschiedenen Produkt (Kohlenstoffdioxid) enthalten sein. Im Gegensatz zu konventionellen Verbrennungs prozessen mit Sequestrierung stört dies für das vorliegende Verfahren nicht, bzw. ist sogar vorteilhaft wenn ein kohlen stoffhaltiges Produkt, beispielsweise Methanol, bereitge stellt oder aus dem Kohlenstoffdioxid produziert wird.
In einer Ausgestaltung umfasst die Synthese des kohlenstoff haltigen Produkts, insbesondere Methanol, bzw. die Umsetzung eine umgekehrte Wassergas-Shift-Reaktion . Durch diese Ausge staltung kann Kohlenstoffdioxid vorteilhafterweise (en dotherm) mit Wasserstoff zu Kohlenstoffmonoxid und Wasser um gesetzt werden. Gleichzeitig kann durch das Oxyfuel-Verfahren bereitgestellte Wärme vorteilhafterweise für die genannte Re aktion (RWGS-Prozess ) genutzt werden.
In einer Ausgestaltung ist das kohlenstoffhaltige Produkt, insbesondere kohlenwasserstoffhaltige Produkt, ein sekundärer Energieträger, beispielsweise ein Brenn- oder Kraftstoff oder ein organisches Lösungsmittel.
Zwar gibt es gegenwärtig noch keine endgültige oder standar disierte Definition für einen Brennstoff oder Treibstoff, der ihn als „erneuerbar" oder „grün" bezeichnet. Im Falle des durch die vorliegende Erfindung bzw. das beschriebene Verfah ren herstellbare und erzeugbare Produkt kann jedoch zumindest für den Fall, dass CCg aus Biomasse oder ähnlichen Quellen und beispielsweise Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequel len hergestellt oder gewonnen wird, das Attribut „grün" aner kannt und/oder zertifiziert werden.
In einer Ausgestaltung ist bzw. bezeichnet das kohlenstoff haltige Produkt, insbesondere kohlenwasserstoffbasierte Pro dukt, Methan, Methanol, MTBE (Methyl-tert-butylether) als Kraftstoffzusatz, DME (Dimethylether) als organisches Lö sungsmittel, OME ( Polyoxymethylendimethylether) als syntheti schen Kraftstoff, Kerosin, Benzin, Diesel und/oder Wachse.
In einer Ausgestaltung ist der Brennstoff Biomasse oder bio massebasiert, beispielsweise ein standardisierter Brennstoff, welcher beispielsweise weltweit gehandelt oder handelbar ist und in gepresster Form oder Granulatform (engl.: „pellet") vorliegen oder erhältlich sein kann. Diese Ausgestaltung ver einfacht insbesondere die Bereitstellung des Brennstoffs. Ebenso kann der Brennstoff in reproduzierbarer Form bereitge stellt werden, was wiederum eine nachfolgende Verbrennung vereinfachen kann, da Parameter der Verbrennung, wie eine Stöchiometrie, einfacher eingestellt und festgelegt werden können. Eine Verbrennung des Brennstoffs aus gehandeltem, standardisierten Biomassegranulat oder Biomassepresslingen, zeichnet sich weiterhin durch verhältnismäßig geringe Verun reinigungen aus, sodass beispielsweise eine nachfolgende Gas reinigung vereinfacht werden kann. Insbesondere ist das Auf kommen von Stickoxiden, Schwefeloxiden oder Chlor in diesem Fall vorhersehbar und vorteilhaft gering, was eine Filterung oder Reinigung dieser Stoffe erleichtert. Der genannte Brennstoff, insbesondere Biomasse, kann vorteil hafterweise auf einfache Art gehandelt und insbesondere als standardisiertes Produkt vorbehandelt, über lange Distanzen transportiert und zur Energieerzeugung und/oder Wärmeerzeu gung nahe einer installierten PtCbF-Anlage zur Verfügung ge stellt oder in diese integriert werden. Weiterhin sind die beschriebenen biomassebasierten Brennstoffpresslinge vorteil hafterweise beständig und degradieren kaum durch einen gerin gen Verunreinigungsgrad und/oder Wasseranteil.
In einer Ausgestaltung ist der Brennstoff ein Bioöl oder ein Pyrolyseöl oder pyrolytisch hergestelltes Öl.
In einer Ausgestaltung erfolgt das Bereitstellen von Sauer stoff und/oder Wasserstoff mithilfe von fluktuierender, vola- tiler oder variabler erneuerbarer Energie, insbesondere über eine Elektrolyse. Derartige erneuerbare Energien unterliegen naturgemäß Schwankungen in der Bereitstellung, welche häufig nicht hinreichend vorhersagbar für einen kontinuierlichen Be darf ist.
In einer alternativen Ausgestaltung erfolgt das Bereitstellen von Wasserstoff aus hydrothermischen und/oder geothermischen Quellen, d.h. insbesondere nicht oder kaum fluktuierend.
In einer Ausgestaltung erfolgt das Bereitstellen der Energie durch das Verbrennen des Brennstoffs nicht fluktuierend, also nicht volatil oder variable. Im Gegensatz zu den erneuerbaren Energien kann die durch die sauerstoffbasierter Verbrennung des Brennstoffs „gewonnene" oder „erzeugte" Energie quantifi zierbar, kontinuierlich und verlässlich bereitgestellt wer den .
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Anlage, insbesondere eine PtCbF-Anlage, welche eingerichtet ist, das vorliegend beschriebene Verfahren oder Teilschritte davon durchzuführen. Die Anlage umfasst insbesondere eine Verbrennungseinrichtung, eine Gasreinigung, eine CO2- Abscheidungseinrichtung, sowie, insbesondere, eine Einrich tung zum Umsetzen von Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff zu dem kohlenstoffbasierten Produkt.
Mittels der nachfolgend beschriebenen Anlage, insbesondere umfassend eine Wirbelschicht, kann kurzfristig und kostenspa rend Energie aus einem entsprechenden (biomassebasierten)
Müll oder Brennstoff zur Verfügung gestellt werden.
Es ist insbesondere vorgesehen, die beschriebene Anlage an Orten zu installieren bzw. das beschriebene Verfahren dort anzuwenden oder durchzuführen, wo viel Kapazität für erneuer bare Energien besteht, d.h. wo große Mengen dieser Energien voraussichtlich erzeugt werden können. Durch die Tendenz des fallenden Preises (beispielsweise Preis pro erzeugter Kilo wattstunde) der erneuerbaren Energien wird auch zunehmend ein Bedarf oder eine Abnahme dieser Energien bestehen bzw. lukra tiv werden. Damit einhergehend werden diese Energiequellen zunehmend auch für ökologisch nachhaltige PtX-Anwendungen ge fordert werden.
In einer Ausgestaltung erfolgt das Bereitstellen von Wasser stoff durch oder aus einer Elektrolyse, insbesondere einer PEM-Elektrolyse („PEM" für „polymer-electrolyte-membrane" ; zu Deutsch: Polymer Elektrolyt-Membran).
In einer Ausgestaltung erfolgt das Bereitstellen von Sauer stoff durch oder aus einer Elektrolyse, insbesondere einer PEM-Elektrolyse .
In einer Ausgestaltung erfolgt sowohl das Bereitstellen von Sauerstoff also das Bereitstellen von Wasserstoff aus oder durch eine PEM-Elektrolyse.
Diese PEM- oder wasserbasierte Elektrolyse ist im Stand der Technik bekannt. In einer Ausgestaltung wird die Elektrolyse unter, beispiels weise relativ zu einem Atmosphärendruck, erhöhtem Druck durchgeführt, sodass die Elektrolyseprodukte, insbesondere Sauerstoff und Wasserstoff ebenfalls, unter erhöhtem Druck vorliegen und weiter prozessiert werden können. Dies bietet den Vorteil, dass nachträglich weniger Verdichtungsarbeit verrichtet werden muss.
In einer Ausgestaltung werden die Elektrolyseprodukte, insbe sondere Sauerstoff und Wasserstoff erst nach ihrer elektroly tischen Herstellung komprimiert oder Druck aufgeladen bereit gestellt. Dabei kann die eigentliche Elektrolyse drucklos o- der unter Atmosphärendruck erfolgen.
Im Falle einer solchen Hochdruck- oder Druckelektrolyse kann ebenfalls die nachgeschaltete Verbrennung unter erhöhtem Druck und entsprechend vereinfacht oder effizienter durchge führt werden, beispielsweise derart dass Kohlenstoffdioxid unter Bedingungen bereitgestellt wird, welche ideal an nach gelagerte Syntheseschritte oder Teilschritte angepasst sind.
Mit Vorteil kann durch Ausgestaltungen, nach denen die Elekt rolyseprodukte komprimiert sind, gleichzeitig eine nachträg liche Gasreinigung vereinfacht werden, da Verunreinigungen im Brennstoff, beispielsweise Chlor, Stickstoff, Stickoxide oder Schwefeloxide, sich leichter lösen oder entfernen lassen. Da bei entstehen insbesondere die Stick- bzw. Schwefeloxide zu erst und nachher erst Chlor oder Chlorverbindungen.
In einer Ausgestaltung wird - im Wege des beschriebenen Ver fahrens - für die beschriebene Kohlenstoffdioxidabscheidung bzw. eine Kohlenstoffdioxidreinigung ein verbleibender Sauer stoffanteil, insbesondere ein Anteil welcher nicht direkt verbrannt wird, mit dem bereitgestellten Wasserstoff zu Was ser umgesetzt. Durch diese Ausgestaltung kann weiterhin eine Abtrennung von Sauerstoff durch bereits vorliegende Edukte oder Erzeugnisse vereinfacht werden. Insbesondere im Fall der sauerstoffbasierten Verbrennung (Oxyfuel-Verfahren) enthält ein CCg-Gas oder -Rauchgas immer noch geringe Mengen Sauer stoff, welche nachgelagert über beispielsweise ebenfalls ei ner Elektrolyse entstammenden Wasserstoff zu Wasser umgesetzt werden können.
In einer Ausgestaltung umfasst die durch das Oxyfuel- Verfahren bzw. sauerstoffbasierte Verfahren bereitgestellte Energie, insbesondere ausschließlich, Wärme, welche - im Wege des beschriebenen Verfahrens - für eine anschließende Kraft- Wärme-Kopplung genutzt wird. Auf diese Art können weiterhin vorteilhafterweise konventionelle Kraftwerke, beispielsweise Dampfkraftwerke oder Blockheizkraftwerke weiter genutzt wer den .
In einer Ausgestaltung umfasst die durch das Oxyfuel- Verfahren bzw. sauerstoffbasierte Verfahren bereitgestellte Energie elektrische Energie, welche als nicht fluktuierende oder nicht volatile Energie oder Energiequelle, beispielswei se über einen Dampfkraftprozess gewonnen wird. Mit Vorteil kann gemäß dieser Ausgestaltung eine Nutzung des Sauerstoffs und/oder des Brennstoffs zur Stromerzeugung erfolgen, welche beispielsweise Strom als Nebenprodukt zur Einspeisung in ein Stromnetz oder als Netzausgleich („Peaker") für oder zusätz lich zu einer möglicherweise vorgesehenen Anlage, welche den Sauerstoff in den Wasserstoff beispielsweise ausgehend von erneuerbaren oder regenerativen Energien bereitstellt, ge nutzt werden.
In einer Ausgestaltung wird das Oxyfuel-Verfahren bzw. sauer stoffbasierte Verbrennungsverfahren ohne eine Rauchgasrezir- kulation (siehe oben) durchgeführt. Gemäß dieser Ausgestal tung kann die Verbrennung besonders effizient erfolgen.
In einer Ausgestaltung wird für die Verbrennung des Brenn stoffs, welcher insbesondere Biomasse oder biomassebasiert ist, eine entsprechend konstruierte Wirbelschicht verwendet. Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorlie gend auf das beschriebene Verfahren beziehen, können ferner die Anlage betreffen, oder umgekehrt.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Figure näher erläutert. Alle bisher und im Folgenden beschriebenen
Merkmale sind dabei sowohl einzeln als auch in Kombination miteinander vorteilhaft. Es versteht sich, dass andere
Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutz umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen .
Daher sind hier offenbarte funktionale Einzelheiten nicht einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als an
schauliche Grundlage, die dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik Anleitung bietet, um die vorliegende Erfindung auf vielfältige Weise einzusetzen.
Der hier verwendete Ausdruck „bzw." oder „und/oder", wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend be schrieben .
Figur 1 zeigt schematisch und vereinfacht anhand eines Fluss- bzw. Blockdiagrams einen Verfahrensablauf des erfindungsgemä ßen Verfahrens.
In den Ausführungsbeispielen und in der Figur können gleiche oder gleich wirkende Elemente jeweils mit den gleichen Be zugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und de- ren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Ele mente, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert darge stellt sein.
Figur 1 deutet vereinfacht ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen oder Bereitstellen von Kohlenstoffdioxid bzw. eines kohlenstoffhaltigen Produktes, insbesondere kohlenwas- serstoffbasierten, Produktes P an.
In Figur 1 ist unter anderem eine Anlage 100 gezeigt. Die An lage 100 ist vorzugsweise eingerichtet, ein kohlenstoff haltiges oder -enthaltendes Produkt, beispielsweise also auch reinen Kohlenstoff, oder insbesondere ein kohlenwasserstoff- basiertes Produkt bereitzustellen. Insbesondere ist die Anla ge 100 vorzugsweise eine PtCbF-Anlage („Power-to-carbon- based-fuels") , d.h. eingerichtet, ausgehend von bereitge stellter Energie, beispielsweise aus erneuerbaren Quellen und/oder der einer sauerstoffbasierten Verbrennung eines Brennstoffs, das oben genannte Produkt, insbesondere einen Brenn- oder Kraftstoff bereitzustellen.
Dazu umfasst die Anlage 100 vorzugsweise eine Verbrennungs einrichtung 101. Die Verbrennungseinrichtung 101 ist vorzugs weise eingerichtet für eine sauerstoffbasierten Verbrennung eines Brennstoffs, vorzugsweise eines biomassebasierten
Brennstoffs, insbesondere Biomasse BM. Demgemäß ist die Ver brennungseinrichtung vorzugsweise eine Oxyfuel- Verbrennungsanlage .
Die Verbrennungseinrichtung 101 ist demgemäß vorzugsweise für die Verbrennung von Biomasse konfektioniert. Alternativ kann die Verbrennungseinrichtung aber auch für eine Verbrennung von biologischen Brennstoffen oder Energieträgern, beispiels weise Bioölen oder pyrolytisch bereitgestellten Ölen einge richtet und ausgelegt sein. Vorzugsweise wird für den Brennstoff jedoch Biomasse BM, ins besondere in gepresster und standardisierter Form verwendet, da dieses Produkt insbesondere besser handel- oder bereit stellbar und geeigneter für einen Ferntransport ist.
Überdies liefert diese Brennstoffform reproduzierbarere Ver brennungsergebnisse und/oder -produkte. Die genannte Biomasse kann beispielsweise durch im Stand der Technik bekannte Ver fahren in Presslingen oder Granulaten bereitgestellt werden, die durch Trocknungsmaßnahmen, insbesondere Torrefizierung oder Torrefikation, Tablettierung und/oder Pressen (englisch „pelleting") bereitgestellt werden können. Ein besonders hochwertiger Pressling entsteht durch eine zusätzliche Torre- fizierung der Biomasse, welche eine Trocknungsmaßnahme bei Temperaturen über 250 °C umfassen kann. Entsprechende Press linge oder Granulate werden typischerweise aus Holz, Holzab fällen oder vergleichbaren Rohstoffen gewonnen. Weiterhin können diese Brennstoffe oder Energieträger in konventionel len luftbasierten Dampfkraftwerken verbrannt oder mitver brannt werden.
Abhängig von der genauen Form und Zusammensetzung des über die sauerstoffbasierte Verbrennung zu verbrennenden, insbe sondere biomassebasierten, Brennstoffs kann ein entstehendes Rauchgas (in Figur 1 mit „Gas" bezeichnet) beispielsweise zu sätzlich zu CO2 und Wasser Abfallprodukte wie Stickoxide (NOx) , Schwefeloxide (SOx) und/oder Chlor (Ci) , Chlorverbin dungen oder weitere Stoffe enthalten.
Im Wege des beschriebenen Verfahrens ist insbesondere vorge sehen, einen einer Verbrennung als Oxidationsmittel zuzufüh renden Sauerstoff (02) , welcher vorzugsweise einer Elektroly se, vorzugsweise einer PEM-Elektrolyse, entstammt (siehe un ten) , minimal überstöchiometrisch in der Verbrennungseinrich tung 101 zu verbrennen, d.h. dass noch ein geringer Teil von Sauerstoff im Rauchgas enthalten sein kann. Dies ist in Anbe tracht der Schwierigkeit oder Unmöglichkeit einer exakt stö chiometrischen Verbrennung am zweckmäßigsten und effizientes ten. Weiterhin kann dies erforderlich oder zweckmäßig sein, um eine Entstehung von Dioxinen und (anderen) giftigen Koh lenwasserstoffe zu vermeiden. Dieser Restsauerstoff im CCg muss normalerweise über aufwendige Reinigungen, umfassend z.B. Aktivkohlefilter oder Molekularsiebe, entfernt werden.
Die beschriebene Verbrennungseinrichtung 101 umfasst für die Vergasung eines möglicherweise in fester Form bereitge stellten Brennstoffs („Biomasse-pellet" ) beispielsweise eine Wirbelschicht oder auch andere Mittel, beispielsweise Rosten zum Halten des Brennstoffs. Die Verwendung einer Wirbel schicht für die Vergasung und/oder Verbrennung des Brenn stoffs ist bevorzugt, da diese grundsätzlich erlaubt, auf ei ne möglicherweise ineffizientere Rauchgasrückführung oder - rezirkulation im Wege des Oxyfuel-Prozesses zu verzichten o- der die Zirkulation zu reduzieren.
Grundsätzlich kann die Verbrennung jedoch mit und ohne CCg- Rückführung (Zirkulation) erfolgen.
Die Anlage 100 umfasst vorzugsweise weiterhin eine Gasreini gung 102. Die Gasreinigung oder Gasreinigungseinrichtung 102 kann beispielsweise eingerichtet sein, dass durch die Ver brennung entstehende Rauchgas zu reinigen, insbesondere auch zu entstauben (vergleiche Bezugszeichen „GR" für den Verfah rensschritt der Gasreinigung in Figur 1) .
Die Anlage 100 umfasst vorzugsweise weiterhin eine CO2- Abscheidungseinrichtung 103. Die Abscheidungseinrichtung 103 kann insbesondere eingerichtet sein, Abfallprodukte, welche in dem Brennstoff inhärent enthalten sein können, von dem ge wonnenen oder zu gewinnenden Kohlenstoffdioxid zu trennen, insbesondere durch Auskondensation von Wasser. Die genannten Abfallstoffe können beispielsweise Stickoxide (NOx) , Schwe feloxide (SOx) und/oder Chlor oder weitere Stoffe umfassen.
In Figur 1 ist weiterhin eine Pumpe oder Beförderungseinrich tung 105 zu erkennen, mit welcher das Kohlenstoffdioxid einer nachfolgenden Synthese zugeführt werden kann. Weiterhin umfasst die Anlage 100 eine Einrichtung 104 zum Um setzen von Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff zu dem beschrie benen kohlenstoffhaltigen Produkt.
Es ist weiterhin in Figur 1 zu erkennen, dass beispielsweise anschließend an die Gasreinigung und/oder die Abtrennung des CO2, eine weitere CO2 Reinigung (CCg-R) durchgeführt werden kann, um Kohlenstoffdioxid in hochreiner Form für die Synthe se des Produktes P bereitzustellen.
Für die Kohlenstoffdioxidabscheidung oder -abtrennung (ver gleiche Bezugszeichen „Sep" für den Verfahrensschritt des Ab trennens in Figur 1) bzw. eine Kohlenstoffdioxidreinigung GR kann insbesondere ein verbleibender Sauerstoffanteil O2, d.h. beispielsweise ein aus der überstöchiometrischen Oxyfuel- Verbrennung und/oder aus der Elektrolyse stammender Sauer stoff, mit bereitgestelltem Wasserstoff H2 zu Wasser H2O um gesetzt werden (dies ist durch den gestrichelten Fall und mit dem Bezugszeichen H2 angedeutet) .
Die Einrichtung 104 ist insbesondere für die Synthese (ver gleiche Bezugszeichen „Synth" für den Verfahrensschritt des Umsetzen oder der Synthese in Figur 1) des kohlenstoffhalti gen, insbesondere kohlenwasserstoffbasierte Produkt angepasst oder eingerichtet. Beispielsweise kann die Einrichtung 104 ausgelegt sein, um, unter Zuführung von Wasserstoff, insbe sondere aus einer (oder hergestellt durch eine) PEM- Elektrolyse, das abgetrennte oder abgeschiedene Kohlenstoff dioxid zu dem kohlenstoffhaltigen Produkt P umzusetzen. Bei dem kohlenstoffhaltigen Produkt P kann es sich um Methan, Me thanol, MTBE, DME, OME, Kerosin, Benzin, Diesel, vergleichba re Kraftstoffe oder Additive, um durch die Fischer-Tropsch- Synthese hergestellte oder herstellbare Produkte oder Wachse handeln. Die genannten Erzeugnisse sind industriell oder ins besondere für Mobilitätszwecke von besonderer Bedeutung. Insbesondere bei der konventionellen Methanolsynthese wird beispielsweise Synthesegas (beispielsweise ein Gemisch aus H2, CO und CO2) als Edukt verwendet, und unter hohen Drücken und Temperaturen umgesetzt. Beispielsweise kann die Umsetzung von Wasserstoff und dem durch das beschriebene Verfahren ge wonnenen Kohlenstoffdioxid über den Sabatier-Prozess erfol gen .
Die Umsetzung oder Synthese der weiteren oben genannten Pro dukte kann analog durch bekannte Verfahren erfolgen.
Zur Bereitstellung der Edukte für das beschriebene Verfahren, insbesondere Sauerstoff O2 und Wasserstoff H2, wird auf die linke Seite der Figur 1 verwiesen. Vorzugsweise werden im Rahmen des beschriebenen Verfahrens erneuerbare Energien RES als Energiequelle bzw. zum Betreiben einer Elektrolyse, vor zugsweise einer wasserbasierten PEM-Elektrolyse, herangezo gen. Das Elektrolyseverfahren ist mit dem Bezugszeichen EL in Figur 1 gekennzeichnet. Als Elektrolyseprodukte entstehen be kanntlich Sauerstoff O2 (siehe oberer Teil der Figur 1) und Wasserstoff H2 (vergleiche unterer Teil der Figur 1) .
Die Produkte Sauerstoff und Wasserstoff können beispielsweise im Falle eines Unterangebots von erneuerbaren Energiequellen auch vorab durch bekannte Mittel zwischengespeichert werden, sodass die beschriebene Verbrennung (Oxyfuel-Verfahren) bere chenbar und kontinuierlich erfolgen kann.
Der vertikal nach oben gerichtete Pfeil im oberen Teil der Figur (Sauerstoffpfad) deutet an, dass Sauerstoff möglicher weise im Überschuss erzeugt wird und abgeblasen werden muss, oder auch vorteilhafterweise anderweitig genutzt werden kann.
Um diese Stoffe entsprechend zu befördern, insbesondere den Sauerstoff der Verbrennung zugänglich zu machen und den Was serstoff der Einrichtung 104 kann ein Verdichter (vergleiche Bezugszeichen 106 in Figur 1) oder ein anderes Beförderungs oder Verdichtungsmittel herangezogen werden. Die genannte Elektrolyse, welche beispielsweise durch die er neuerbaren Energien RES mit elektrischer Energie EE versorgt wird, kann optional unter erhöhtem Druck durchgeführt werden, sodass die Elektrolyseprodukte, Sauerstoff Cg und Wasser stoff H2, ebenfalls unter erhöhtem Druck vorliegen. Alterna tiv oder zusätzlich können Sauerstoff Cg und Wasserstoff H2 nach ihrer elektrolytischen Herstellung komprimiert bereitge stellt werden. Die genannten Drücke oder Überdrücke können Werte zwischen 20 und 80 bar oder mehr annehmen.
Ein wesentlicher Aspekt des beschriebenen Verfahrens betrifft die Ausgestaltung, dass die durch das Oxyfuel-Verfahren be- reitgestellte Energie E, insbesondere ausschließlich, Wärme C umfasst, welche weiteren Zwecken zur Verfügung gestellt wer den kann, beispielsweise als Prozesswärme für die Abscheidung des Kohlenstoffdioxids C02, für die Reinigung und/oder für eine Synthese oder Bereitstellung des kohlenstoffhaltigen Produkts P genutzt werden.
Eine C02-basierte Synthese z.B. von Methanol, könnte in einem ersten Schritt beispielsweise eine Umkehr-CO-Konversion bzw. umgekehrte Wassergas-Shift-Reaktion (Reverse-Watergas-Shift- Reaktion (RWGS) ) umfassen. Dabei wird C02 mit H2 endotherm zu CO und H20 umgesetzt. Mit dem damit entstehenden Gemisch aus CO und H2 (entspricht beispielsweise einem klassischen Syn thesegas) könnte die eigentliche Synthese dann weiterhin mit konventionellen Mitteln stattfinden. Für den beschriebenen RWGS-Prozess kann die genannte Wärme aus der sauerstoffba sierten Verbrennung vorteilhafterweise genutzt werden.
Die genannte Wärme kann ebenfalls für eine anschließende Kraft-Wärme-Kopplung genutzt werden.
Alternativ oder zusätzlich zu den genannten Ausführungsformen kann die durch das Oxyfuel-Verfahren bereitgestellte Energie E elektrische Energie EE umfassen, welche als nicht fluktuie rende Energie beispielsweise über einen Dampfkraftprozess ge wonnen wird. Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen. Dies beinhaltet insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombi nation selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines kohlenstoffhaltigen Pro dukts (P) , umfassend:
- Bereitstellen von Sauerstoff (Cg) , insbesondere aus einer Elektrolyse (EL) , und eines Brennstoffs,
- Verbrennen des Brennstoffs mit dem Sauerstoff (Cg) über ein Oxyfuel-Verfahren zum Bereitstellen von Energie (EE, C) ,
- Reinigung eines durch das Oxyfuel-Verfahren entstehenden Rauchgases (RG) , und
- Abscheiden von Kohlenstoffdioxid (CO2) aus dem durch das Oxyfuel-Verfahren entstehenden Rauchgas (Gas) , wobei durch das Oxyfuel-Verfahren bereitgestellte Energie (E) , insbeson dere ausschließlich, Wärme (C) umfasst, welche als Prozess wärme (C) für die Reinigung und/oder für eine Synthese oder Bereitstellung des kohlenstoffhaltigen Produkts (P) , genutzt wird .
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei Wasserstoff (H2) be reitgestellt wird, insbesondere aus einer Elektrolyse (EL) , und wobei das abgeschiedene Kohlenstoffdioxid (CO2) mit dem Wasserstoff (H2) zu einem kohlenstoffhaltigen Produkt (P) um gesetzt wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die Sythese (Synth) des kohlenstoffhaltigen Produkts (P) , insbesondere Methanol, bzw. die Umsetzung eine umgekehrte Wassergas-Shift-Reaktion umfasst .
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei das kohlenstoffhaltige Produkt (P) ein sekundärer Ener gieträger ist.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei das kohlenstoffhaltige Produkt (P) Methan, Methanol,
MTBE, DME, OME, Kerosin, Benzin, Diesel und/oder Wachse be zeichnet .
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei der Brennstoff Biomasse (BM) oder biomassebasiert ist, beispielsweise ein standardisierter in gepresster Form oder Granulatform vorliegender Brennstoff.
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei das Bereitstellen von Sauerstoff (Cg) und/oder Wasser stoff (02) mithilfe von fluktuierender erneuerbarer Energie (RES) erfolgt und das Bereitstellen der Energie (EE, C) nicht fluktuierend erfolgt.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei das Bereitstellen von Sauerstoff (02) und das Bereitstel len von Wasserstoff (H2) durch eine Elektrolyse (EL) erfolgt.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei die Elektrolyse (EL) unter erhöhtem Druck durchgeführt wird, sodass die Elektroly seprodukte, Sauerstoff (O2) und Wasserstoff (H2) , ebenfalls unter erhöhtem Druck vorliegen, oder Sauerstoff (02) und Was serstoff (H2) nach ihrer elektrolytischen Herstellung kompri miert bereitgestellt werden.
10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei für die Kohlenstoffdioxidabscheidung (Sep) bzw. eine Koh lenstoffdioxidreinigung (GR) ein verbleibender Sauerstoffan teil (O2) mit Wasserstoff (H2) zu Wasser (H2O) umgesetzt wird.
11. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei durch das Oxyfuel-Verfahren bereitgestellte Energie, ins besondere ausschließlich, Wärme (C) umfasst, welche für eine anschließende Kraft-Wärme-Kopplung genutzt wird.
12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei durch das Oxyfuel-Verfahren bereitgestellte Energie elektrische Energie (EE) umfasst, welche als nicht fluktuie rende Energie beispielsweise über einen Dampfkraftprozess ge wonnen wird.
13. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei das Oxyfuel-Verfahren ohne eine Rauchgasrezirkulation durchgeführt wird.
14. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, für die Verbrennung des Brennstoffs, welcher insbesondere Biomas se (BM) oder biomassebasiert ist, eine Wirbelschicht verwen det wird.
15. Anlage (100), welche eingerichtet ist, das Verfahren ge mäß einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen, insbe sondere umfassend eine Verbrennungseinrichtung (101) eine Gasreinigung (102) und eine CCg-Abscheidungseinrichtung (103), sowie, vorzugsweise, eine Einrichtung (104) zum Umset zen von Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff (H2) zu dem kohlen stoffhaltigen Produkt (P) .
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