WO2001038456A1 - Verfahren zur erzeugung von erneuerbaren brenn- und kraftstoffen - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for producing renewable fuels from biomass of all kinds, preferably plants and wood, water and electrical energy, preferably produced with the aid of regenerative energy.
  • the invention can be used for converting all types of biomass into commercially available hydrocarbons such as gasoline, diesel and heating oil, alcohols such as methanol, ethanol, lubricants, plastics of all types and for storing and transporting hydrogen, preferably produced with the aid of regenerative energy, and thus for the integration of regenerative energy into existing systems of public energy supply, especially in transport, but also in the material management of the chemical industry.
  • hydrocarbons such as gasoline, diesel and heating oil, alcohols such as methanol, ethanol, lubricants, plastics of all types and for storing and transporting hydrogen, preferably produced with the aid of regenerative energy, and thus for the integration of regenerative energy into existing systems of public energy supply, especially in transport, but also in the material management of the chemical industry.
  • fossil fuels i.e. biomass carbonized by nature through carbonization
  • nuclear energy and hydropower are used almost exclusively to generate electrical energy.
  • Some of the fossil fuels are refined, ie brought into a form that is more suitable for special applications.
  • the production of fuels from fossil fuels is widespread.
  • Liquid, fossil fuels are fractionally distilled or converted into gas with water vapor and / or oxygen by gasification. Characteristic of the conversion of fossil fuels into fuels is the change in the material composition required in the course of refinement through decomposition into volatile components and carbon in the form of distillate residues or the washing out of carbon dioxide from raw synthetic gases.
  • the aim of the invention is technically feasible procedural proposals for the conversion of renewable energy, preferably wind and hydropower, with the help of renewable raw materials in commercially stable energy sources under the thermodynamic conditions of the environment in terms of pressure and temperature, which make the technical risks more cryogenic Avoid hydrogen systems and operate them more economically.
  • the goal is achieved through a new combination of processes of biomass utilization and the production of hydrogen and oxygen by electrolysis of water.
  • the technical object of the invention is to obtain the carbon required for the chemical bonding of the hydrogen from renewable raw materials or other biomasses in such a way that ultimately by known processes of gasification, methanol or Fischer-Tropsch synthesis, but also hydrogenation Renewable energy and biomass commercially available fuels and other carbon-hydrogen products in the chemical industry can be produced.
  • the aim is achieved by producing the carbon monoxide-hydrogen mixture required for the synthesis by mixing more than Electrolysis of water-derived hydrogen with carbon monoxide, which in turn is produced by gasifying coke with oxygen from water electrolysis, the coke being produced at the site of the synthesis or at a site independent of it by heating or partial oxidation of biomass, preferably using the resultant volatile components of the biomass to fulfill tasks of local or regional energy supply.
  • the economic advantage of the invention lies in the fact that the coke made from biomass can be transported over long distances, up to sources of regenerative energy, e.g. large hydropower, that cannot be tapped using conventional methods, or to advantageous nodes of electrical networks, where good conditions for the Generation of hydrogen by electrolysis of water exist, so that the hydrogen at the site of its production can be converted into fuels and fuels that are customary on the market and that are stable in transportation and storage under environmental conditions.
  • FIG. 1 The invention is described with the aid of FIG. 1 as follows:
  • At least air-dry biomass 1 is partially oxidized in the device 2 with air 3 at a temperature level of 250 to 1,000 ° C.
  • the resulting volatile constituents 4 are burned in a boiler 5 with air to give conventional combustion gas 6, which is released into the environment.
  • the heat released is dissipated to a steam power process 7 and converted there into electrical energy 9 with the aid of a steam turbine system 8.
  • the coke 10 produced from biomass in the partial oxidation in the device 2 is fed to a gasification reactor 11 and there is primarily gasified to carbon monoxide in a first stage 12 with oxygen 13 from the water electrolysis 14, which may be mixed with water vapor or carbon dioxide 15.
  • the hot carbon monoxide can advantageously be added to biocoke 10 and water vapor for the purpose of temperature reduction by endothermic chemical reaction of the carbon with the gas vapor mixture.
  • the carbon monoxide-rich gas generated in the gasification reactor 11 is mixed in the device 17, if appropriate after dedusting with hydrogen 18 from the water electrolysis 14 to methanol synthesis gas and then introduced into a catalytic methanol synthesis 19.
  • the methanol vapors are removed from the gas vapor mixture in the cooler 20 in accordance with the prior art.
  • the resulting residual gas is fed back into the process according to the state of the art or used externally.

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Abstract

Verfahren zur Erzeugung von erneuerbaren Brenn- und Kraftstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen, anderen Biomassen und regenerativer Energie, bei dem die regenerative Energie genutzt wird zur Erzeugung von Elektroenergie für die Elektrolyse von Wasser und die dabei anfallenden Produkte Wasserstoff und Sauerstoff verwendet werden für die Vergasung von durch Erhitzen aus Biomasse gewonnenem Koks zu Kohlenmonoxid, das mit dem ebenfalls durch Wasserelektrolyse produzierten Wasserstoff zu Synthesegas vermischt und dieses nach dem Stand der Technik vorzugsweise zu marktüblichen Kraft- und Brennstoffen umgesetzt wird.

Description

Verfahren zur Erzeugung von erneuerbaren Brenn- und Kraftstoffen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von erneuerbaren Kraftstoffen aus Biomassen aller Art, vorzugsweise Pflanzen und Holz, Wasser und Elektroenergie, vorzugsweise mit Hilfe regenerativer Energie hergestellt.
Die Erfindung kann angewendet werden zur Umwandlung von Biomassen aller Art in marktübliche Kohlenwasserstoffe wie Benzin, Diesel-und Heizöl, Alkohole wie Methanol, Äthanol, Schmiermittel, Kunststoffe aller Art sowie zur Speicherung und zum Transport von Wasserstoff, vorzugsweise hergestellt mit Hilfe von regenerativer Energie, und damit zur Integration von regenerativer Energie in bestehende Systeme der öffentlichen Energieversorgung, insbesondere im Verkehrswesen, aber auch in die Stoffwirtschaft der chemischen Industrie.
Beim Stand der Technik sind fossile Brennstoffe, also von der Natur durch Inkohlung karbonisierte Biomasse, die Basis sowohl der organischen Stoffwirtschaft als auch der Energieversorgung. Daneben dienen Kernenergie und Wasserkraft fast ausschließlich zur Erzeugung von Elektroenergie. Ein Teil der fossilen Brennstoffe wird veredelt, d.h. in eine für spezielle Anwendungsfälle besser geeignete Form gebracht. Weit verbreitet ist die Herstellung von Kraftstoffen aus fossilen Brennstoffen. Dabei werden flüssige, fossile Brennstoffe fraktioniert destilliert oder mit Wasserdampf und/oder Sauerstoff durch Vergasung in Gas umgewandelt. Charakteristisch für die Umwandlung fossiler Brennstoffe in Kraftstoffe ist die im Zuge der Veredelung erforderliche Veränderung der stofflichen Zusammensetzung durch Zerlegung in flüchtige Bestandteile und Kohlenstoff in Form von Destillatrückständen oder das Auswaschen von Kohlendioxid aus Syntheserohgasen. Die entscheidenden Nachteile der Nutzung fossiler Brenstoffe sind die historisch kurze Endlichkeit ihrer Verfügbarkeit und die Emission von Kohlendioxid in einem so hohem Maße, dass die Reproduktionskraft der Natur überfordert wird. Alterativ zur Anwendung fossiler Brennstoffe und deren Veredelung wurde deshalb bereits mehrfach vorgeschlagen, Biomasse für die Erzeugung von Brenn- und Synthesegas nach bekannten Verfahren der Vergasung einzusetzen. Kennzeichnend für diese den Stand der Technik darstellenden Verfahren zur Erzeugung von Synthesegas aus Biomasse ist die Einstellung der erforderlichen stofflichen Zusammensetzung durch Abtrennung von Kohlenstoff oder Kohlendioxid. Ein Beispiel für die Anwendung der Winklervergasung gibt der Beitrag von E. Nitschke auf dem KFA-Symposium "Biomasse" vom 12./13.11.1981 in Jülich. Analog zu den Verfahren der Umwandlung von fossilen Brennstoffen durch Vergasung muss auch hier im Zuge der Erzeugung von Synthesegas das erforderliche Gasgemisch durch Konvertierung von Kohlenmonoxid und Kohlendioxidentfernung eingestellt werden. In diesem Beitrag wird aber auch darauf hingewiesen, dass durch Zumischung von durch Elektrolyse von Wasser hergestelltem Wasserstoff die sonst üblichen Prozessstufen CO-Konvertierung und CO2-Wäsche entfallen und die Abführung von Kohlenstoff im Zuge der Stoffumwandlung vermieden werden können.
Neuere Vorschläge wurden von H. Kubiak und H . Mühlen auf der Grundlage der DE-A 19755693.0 vorgestellt. Wesentliches Merkmal dieser Patentanmeldung ist die thermische Zerlegung der Biomasse durch Pyrolyse mit Hilfe eines extern aufgeheizten, festen Wärmeträgers in ihre flüchtigen Bestandteile und Koks. Der Koks wird mit dem Wärmeträger in eine Feuerung eingetragen und verbrannt. Die freigesetzte Wärme dient der Aufheizung des Wärmeträgers und der indirekten Beheizung eines "Reformers" ähnlich den bekannten Steamreformern, in dem die flüchtigen Bestandteile der Biomasse zu einem wasserstoffreichen Gas, das vorzugsweise als Brennstoff für Brennstoffzellen verwendet werden soll, umgewandelt werden.
Eine Zusammenfassung des Standes der Technik zur Herstellung von erneuerbaren Kraftstoffen gibt Thomas Dreier in "Biogeπe Kraftstoffe - Energetische, ökonomische und ökologische Analyse", IfE-Schriftenreihe, Heft 38, 1. Auflage 1999, ENERGIE & MANAGEMENT- Verlagsgesellschaft, Herrsching, ISBN 3-933283-13-2. Die Belastung der Umwelt mit Kohlendioxid und die absehbare Endlichkeit der Brennstoffe sowie die Nichtakzeptanz der Kernenergie führten zu Vorschlägen, alternativ zu fossilen Brennstoffen Wasserstoff, hergestellt über die Elektrolyse von Wasser, als universellen Energieträger einzuführen. Da Wasserstoff bei Umgebungsdruck und -temperatur nicht transport- und lagerstabil ist, sollen kryogene Wasserstoffsysteme gebaut werden, die unterhalb der Verflüssigungstemperatur von -253 K das Kälteregime aufrecht erhalten.
Das Ziel der Erfindung sind technisch realisierbare verfahrenstechnische Vorschläge zur Umwandlung von regenerativer Energie, vorzugsweise von Wind- und Wasserkraft, mit Hilfe von nachwachsenden Rohstoffen in unter den thermodynamischen Bedingungen der Umwelt in Bezug auf Druck und Temperatur stabile Energieträger marktüblicher Form, die die technischen Risiken kryogener Wasserstoffsysteme vermeiden und wirtschaftlicher als diese zu betreiben sind.
Das Ziel wird erreicht durch eine neue Kombination von Prozessen der Biomasseverwertung und der Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse von Wasser.
Die technische Aufgabe der Erfindung besteht darin, den für die chemische Bindung des Wasserstoffs erforderlichen Kohlenstoff aus nachwachsenden Rohstoffen oder anderen Biomassen so zu gewinnen, dass letztlich mit bekannten Verfahren der Vergasung, der Methanol- oder Fischer-Tropsch-Synthese, aber auch der Hydrierung aus regenerativer Energie und Biomasse marktübliche Brenn- und Kraftstoffe sowie andere Kohlen-Wasserstoff-Produkte der chemischen Industrie hergestellt werden können.
Erfindungsgemäß wird das Ziel erreicht, indem das für die Synthese erforderliche Kohlenmonoxid-Wasserstoff-Gemisch hergestellt wird durch Mischung von über Elektrolyse von Wasser gewonnenem Wasserstoff mit Kohleπmonoxid, das seinerseits hergestellt wird durch Vergasung von Koks mit Sauerstoff aus der Wasserelektrolyse, wobei der Koks am Standort der Synthese oder einem davon unabhängigen Standort hergestellt wird durch Erhitzen oder partielle Oxidation von Biomasse, vorzugsweise unter Nutzung der dabei anfallenden flüchtigen Bestandteile der Biomasse zur Erfüllung von Aufgaben der örtlichen oder regionalen Energieversorgung.
Der wirtschaftliche Vorteil der Erfindung liegt darin, dass der aus Biomassen hergestellte Koks über große Entfernungen, bis hin zu mit herkömmlichen Methoden nicht erschließbaren Quellen regenerativer Energie, z.B. großer Wasserkräfte, oder zu vorteilhaften Knotenpunkten elektrischer Netze transportiert werden kann, an denen gute Voraussetzungen für die Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser bestehen, so dass der Wasserstoff am Standort seiner Produktion in marktübliche, unter Umgebungsbedingungeπ transport- und lagerstabile Brenn- und Kraftstoffe umgewandelt werden kann.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird mit Hilfe von Figur 1 wie nachfolgend beschrieben:
Mindestens lufttrockene Biomasse 1 wird in der Vorrichtung 2 mit Luft 3 bei einem Temperaturniveau von 250 bis 1.000 °C partiell oxidiert. Die dabei anfallenden flüchtigen Bestandteile 4 werden in einem Kessel 5 mit Luft zu üblichem Verbrennungsgas 6 verbrannt, das an die Umgebung abgegeben wird. Die frei gesetzte Wärme wird an einen Dampfkraftprozess 7 abgeführt und dort mit Hilfe einer Dampfturbinenanlage 8 in Elektroenergie 9 umgewandelt.
Der bei der partiellen Oxidation in der Vorrichtung 2 aus Biomasse produzierte Koks 10 wird einem Vergasungsreaktor 11 zugeführt und dort in einer ersten Stufe 12 mit Sauerstoff 13 aus der Wasserelektrolyse 14, der mit Wasserdampf oder Kohlendioxid 15 vermischt sein kann, primär zu Kohlenmonoxid vergast. In einer zweiten Prozessstufe 16 kann dem heißen Kohlenmonoxid vorteilhaft nochmals Biokoks 10 und Wasserdampf zum Zwecke der Temperaturabsenkuπg durch endotherme chemische Reaktion des Kohlenstoffs mit dem Gasdampfgemisch zugegeben werden. Das im Vergasungsreaktor 11 erzeugte kohlenmonoxidreiche Gas wird in der Vorrichtung 17, ggf. nach Entstaubung mit Wasserstoff 18 aus der Wasserelektrolyse 14 zu Methanolsynthesegas vermischt und danach in eine katalytische Methanolsynthese 19 eingeleitet. Die Methanoldämpfe werden entsprechend dem Stand der Technik aus dem Gasdampfgemisch im Kühler 20 ausgetaut. Das dabei anfallende Restgas wird entsprechend Stand der Technik in den Prozess zurückgeführt oder extern genutzt.

Claims

Patentanspruch
1. Verfahren zur Erzeugung von erneuerbaren Brenn- und Kraftstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen oder anderen Biomassen, Wasser und regenerativer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass das für die Synthese erforderliche Kohlenmonoxid-Wasserstoff-Gemisch hergestellt wird durch Mischung von über Elektrolyse von Wasser gewonnenem Wasserstoff mit Kohlenmonoxid, das seinerseits hergestellt wird durch Vergasung von Koks mit Sauerstoff aus der Wasserelektrolyse, wobei der Koks am Standort der Synthese oder davon unabhängig hergestellt wird durch Erhitzen oder partielle Oxidation von Biomasse, vorzugsweise unter Nutzung der dabei anfallenden flüchtigen Bestandteile der Biomasse zur Erfüllung von Aufgaben der örtlichen oder regionalen Energiever-sorgung.
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