kohle, Öl, erdgas und dann? rohstoffwandel in der energie- und verfahrenstechnik prof. wolfgang...
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Kohle, Öl, Erdgas und dann?Rohstoffwandel in der Energie- und
Verfahrenstechnik Prof. Wolfgang Marquardt
Rohstoffwandel, 12.05.2009 2
Produkte des täglichen Lebens
Rohstoffwandel, 12.05.2009 3
Arbeitsmittel und Ausgangsmaterialien für weitere Verarbeitungsstufen in der Produktion
• Erdöl
• Kohle
• Erdgas
• Eisenerz
• …
Ausgangspunkt der Produkte sind Rohstoffe
Energierohstoffe
Nicht-Energierohstoffe
Rohstoffwandel, 12.05.2009 4
Rohstoffe im Wandel der Zeit
Steinzeit:
Bis ca. 8000 v. Chr.
Bronzezeit
3000-1000 v. Chr.
Eisenzeit
1000 v. Chr
…
Rohstoffe haben bei der Entwicklung der Menschheit schon immer eine große Bedeutung gehabt.
www.ludenhausen.de
Rohstoffwandel, 12.05.2009 5
Rohstoffwandel: Holz Kohle
Kohle hat einst Holz als Energierohstoff abgelöst.
Warum kam es zum Rohstoffwandel ?• Industrialisierung (ab 18. Jh.)
• Dampfmaschine
• stark wachsende Bevölkerung
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
1000 1200 1400 1600 1800 2000
Bev
ölke
rung
in M
io
Rohstoffwandel, 12.05.2009 6
Synthesegas-Chemie
SynGas
Methanol
H2
Alkane
…
Kohle
Ethanol
Kraftstoff
Ammoniak
Rohstoffwandel, 12.05.2009 7
Synthesegas aus Kohle
Dampfreforming
partielle Oxidation
mol
kJ131,3ΔHHCOOHC 22
mol
kJ5,110ΔHCOO5,0C 2
20-30 bar600-1000°C
H.-J. ARPE, Industrielle organische Chemie (2007)
Rohstoffwandel, 12.05.2009 8
Zeitskala der Rohstoffe
1850 1900 1950 2000 20501800
Kohle
Biomasse
Nut
zung
Rohstoffwandel, 12.05.2009 9
Rohstoffwandel: Kohle Erdöl
Erdölboom in der Energieversorgung• Automobil• Luftfahrt• Raumheizung• …
Erdöl wurde sehr günstig
Erdöl vereinfacht die Verfahrenstechnik zurHerstellung C- und H-haltiger Produkte
Luigi Chiesa
Rohstoffwandel, 12.05.2009 10
Synthesegas-Chemie
SynGas
Methanol
H2
Alkane
…
Kohle
Erdöl Ethanol
Kraftstoff
Ammoniak
Rohstoffwandel, 12.05.2009 11
Synthesegas aus Erdöl
Dampfreforming
partielle Oxidation
mol
kJ,9028ΔHH11CO5OH5HC 22125
mol
kJ2,406ΔHH6CO5O5,2HC 22125
Frankie80337
Rohstoffwandel, 12.05.2009 12
Zeitskala der Rohstoffe
1850 1900 1950 2000 20501800
Erdöl
Kohle
Biomasse
Nut
zung
Rohstoffwandel, 12.05.2009 13
Rohstoffwandel: Erdöl Erdgas
Erdgas ist u.a. Nebenprodukt der Erdölherstellung
Steigende Energiepreise, bessere Rohstoffnutzung, Erschließung neuer Rohstoffquellen
Mehr Wasserstoff im Synthesegas
Methan
Ölpreis in $ pro Barrel
0
10
20
30
40
50
60
70
1950 1970 1990 2010
inflationdata.com
Dirk Ingo Franke
Rohstoffwandel, 12.05.2009 14
Synthesegas-Chemie
SynGas
Methanol
H2
Ethanol
Kraftstoff
Ammoniak
Alkane
…
Kohle
Erdöl
Erdgas
Rohstoffwandel, 12.05.2009 15
Synthesegas aus Erdgas
Dampfreforming820-900°C, 20-30 bar
partielle Oxidation 1350-1500°C, 40-60 bar
mol
kJ,2206ΔHH3COOHCH 224
mol
kJ7,35ΔHH2COO0,5CH 224
Frankie80337
Rohstoffwandel, 12.05.2009 16
Zeitskala der Rohstoffe
1850 1900 1950 2000 20501800
Erdöl
Erdgas
Kohle
Biomasse
Nut
zung
Rohstoffwandel, 12.05.2009 17
Und jetzt…?
Gründe für einen neuen Rohstoffwandel
• Klimawandel / CO2-Problematik
• Verfügbarkeit und Preis von Erdöl/Erdgas
Ölpreis in $ pro Barrel
0
10
20
30
40
50
60
70
1950 1970 1990 2010inflationdata.com
Global Atmosphere Watch - Hawaii
Rohstoffwandel, 12.05.2009 18
Klimawandel
NASA
Rohstoffwandel, 12.05.2009 19
Ölfördermaximum
Association for Peak-Oil Studies
Rohstoffwandel, 12.05.2009 20
Reichweite (dynamisch)
Fayazz et al., 2009
Rohstoffwandel, 12.05.2009 21
Biomasse
Verschiedene Formen von Biomasse
grüne Biomasse
Algen
holzartige Biomasse
© Queryzo
Rohstoffwandel, 12.05.2009 22
Besonderheiten der Biomasse
hoher Wassergehalt• aufwändige Trocknung
niedrige Energiedichte• hohe Transportkosten
hoher Sauerstoffgehalt• aufwändigere Umwandlung• niedriger Energiegehalt• Deoxigenierung zur
Einstellung des C/O-Verhältnisses
© Darkone
© Markus Hagenlocher
Rohstoffwandel, 12.05.2009 23
Sauerstoff- und Wasserstoffgehalt
2
0,5
1,5
1
0
O / C0,2 0,4 0,6 0,8
Roh-Erdöl CelluloseHemicellulose
LigninA
spha
lte u
. B
itum
en
Anthrazite
Holz
Torf
Braunkohlen
Lignitische Braunkohlen
bitumenreicheBraunkohlen
Lignitische Steinkohlen
Steinkohlen
Inkohlungsgrad
GlucoseXylose
Erdgas
4
Machhammer BASF
H / C
Rohstoffwandel, 12.05.2009 24
Synthesegas-Chemie
SynGas
Methanol
H2
Alkane
…
Kohle
Erdöl
Erdgas
Biomasse
Ethanol
Kraftstoff
Ammoniak
Rohstoffwandel, 12.05.2009 25
University of South Carolina
Synthesegas aus Biomasse
z.B. Cellulose
Dampfreforming
partielle Oxidation
mol
kJ310ΔHH6CO6OHOHC 225106
mol
kJ213ΔHH5COCO5OOHC 2225106
700-800°C
Rohstoffwandel, 12.05.2009 26
Stoffliche Biomassenutzung
Synthesegas Fermentation
• Bier, Wein,... Phytoextraktion
und ggf. katalytische Umwandlung• pharmazeutische Wirkstoffe,...
Rohstoffwandel, 12.05.2009 27
Zeitskala der Rohstoffe
1850 1900 1950 2000 20501800
Erdöl
Erdgas
KohleBiomasse
???
Nut
zung
Rohstoffwandel, 12.05.2009 28
Nutzungskonkurrenz - Preisanstieg bei Lebensmitteln
IAO 2008
Angebots- und Nachfragesituation
Wetterabhängigkeit
Wohlstandswachstum
Rohstoffwandel, 12.05.2009 29
Weitere Steigerung der Anbauflächen?
Name der Präsentation, 20.03.2008 30
Intensivierung der Landwirtschaft
brachliegende Ackerflächen können Bedarf bei weitem nicht decken
Umwandlung von Wildnis in Ackerflächen• Artensterben, Biodiversität! • Umwandlung setzt große Mengen
CO2 frei
© Christian Ziegler
Carbon Debt bei Regenwaldrodung
0
100
200
300
400
500
Palm Biodiesel
Soja Biodiesel
ZuckerrohrEthanol
Jah
re
1 Fargione et al. 2008
Rohstoffwandel, 12.05.2009 31
Wasserverbrauch der Landwirtschaft
69% des Welt-Wasserbrauchs für Bewässerung
davon 15-35% mit nicht nachhaltiger Nutzung
Klimawandel
WBCSD Water Facts & Trends
Aralsee
Vorhersage für 2071-2100 im Vergleich zu 1961-1990
Rohstoffwandel, 12.05.2009 32
Algen als Alternative ?
landgestützte Algenzucht mithoher Energieausbeute pro Fläche
kann auch in Wüsten betrieben werden
Aufzucht in Salzwasser möglich
aber
viele verfahrenstechnische Frage offen• Wasserabtrennung• ...
Ralf Wagner
NREL
Rohstoffwandel, 12.05.2009 33
Energetische und stoffliche Nutzung
ÖlÖl
GasGas
2 %2 % KohleKohle
nachwachsende Rohstoffenachwachsende Rohstoffe
Gesamt-Gesamt-verbrauch:verbrauch:~ 20 Mt / a~ 20 Mt / a 11 %11 %
11 %11 %
76 %76 %
93 % Energie93 % Energie
7 % Chemie7 % Chemie
RaffinerieÖlÖl
Machhammer BASF
Weltförderung Erdöl (2005):
4.830.000.000.000 l/a
750 l/(Kopf a)
Ölverbrauch nach Sektoren
Transport
Industrie
Haushalte
www.peakofoil.de
Rohstoffwandel, 12.05.2009 34
Production Trends
Biodiesel fromrape, sunflowers, soy beans
Ethanol from sugar cane, corn and other grains, manioc, sugar beets
Biodiesel production worldwide
Ethanol production worldwide
in m
io. o
f lit
ers
Source: Worldwatch
in m
io. o
f lit
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Production Trends
Biodiesel fromrape, sunflowers, soy beans
Ethanol from sugar cane, corn and other grains, manioc, sugar beets
Biodiesel production worldwide
Ethanol production worldwide
in m
io. o
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Source: Worldwatch
in m
io. o
f lit
ers
Production Trends
Biodiesel fromrape, sunflowers, soy beans
Ethanol from sugar cane, corn and other grains, manioc, sugar beets
Biodiesel production worldwide
Ethanol production worldwide
in m
io. o
f lit
ers
Source: Worldwatch
in m
io. o
f lit
ers
Biokraftstoffe (der 1. Generation)
große Produktionsmengen im Aufbau
• Konkurrenz mit der Nahrungskette
• keine zufriedenstellenden Wirkungsgrade
• keine ausreichende Reduzierung des CO2-Footprints
Rohstoffwandel, 12.05.2009 35
2. und 3. Generation von Biokraftstoffen
Biomasse(ganze
Pflanze)
Tailor-Made Fuel(Moleküle mittlerer
Größe)
Selektive (bio-)chemische Synthese
Synthesegas (CO, H2)
Gemisch verschiedenerKohlenwasserstoffe
Vergasung Fischer-Tropsch Synthese
AlkoholeWasser/Alkohol-
Mischung
Fermentation Trennung 2. Generation
2. Generation
3. Generation
Rohstoffwandel, 12.05.2009 36
Kraftstoff - ein Freiheitsgrad der Verbrennung
• mittlere Teillast
• dieselartige Kraftstoffe
konventioneller Diesel- Motor
Teilweise homogeneVerbrennung mit
n-Heptan
0 20 40 60 80 100
0
20
40
60
80
100
Referenz(min. Ruß)
Rel. NOx-Emission [%]
Referenz(min. NOx)
Rel
. Par
tike
lem
issi
on
[%
]
-70 %
-50 %
Kerosin
Standard-DieselPotential: zukünftiger Kraftstoff ohne Emissionen
Rohstoffwandel, 12.05.2009 37
Kraftstoffkomponenten
z.B. CO, CH41
10
100
1000
10000Biopolymere
C-Atome
Traditioneller Ansatz
Bewahrung der Syntheseleistung der Natur
Prozessstufen
Tailor-Made Fuel
Rohstoffwandel, 12.05.2009 38
Kraftstoffmoleküle aus Biomasse
Struktur-Eigenschafts-Beziehungen
Berechnung der Kraftstoffeigenschaften
Verbrennungs-motor
Einfluss auf die Verbrennungs-eigenschaften
Ermittlung optimaler Molekülstrukturen
Unser integrierter Ansatz
Rohstoffwandel, 12.05.2009 39
Selektive Umwandlung von Biomasse in Plattformchemikalien
Plattform ChemikalienMonomere
Itakonsäure Direct fermentation
Biomasse
Grüne Biomasse• Wasser• Lignin
Hölzerne Biomasse• Wasser• Lignin
Mono-saccharides
z.B. Levulinsäure
OxygenierteAromaten
Ionic liquid unterstützte enymatischeDepolymerisation
HO
OH
HO
OH
HO
OH
OM
eM
eO
OM
e
OH
OH
Routen für grüne und hölzerne Biomasse
Aufgaben:
• Nutzung der gesamten Pflanze
• Bewahrung der natürlichen Vielfalt
Rohstoffwandel, 12.05.2009 40
Auflösung von Holz
Ionic Liquids
Fotos aus nature.com and Sixta2006
RohstoffHolz in
flüssiger Phase
Rohstoffwandel, 12.05.2009 41
3. Analyse des H2-Bedarfs
Der beste Reaktionsweg für Biokraftstoffe?
1. Aufstellen des Reaktionsnetzwerkes
Für Itakonsäure120 Reaktionen90 Substanzen
?RohstoffBiomasse
ProduktKraftstoff
Massenbilanzen für jede Substanz
2. Modellierung des Netzwerkes
Rohstoffwandel, 12.05.2009 42
oder …
Was kann ich tun?
Rohstoffwandel, 12.05.2009 43
Chemische Industrie
Lebensmittelindustrie
Pharmazeutische Industrie
Apparatebau
Energie -erzeugung
Luftfahrt& Automobil
Chemische Industrie
Lebensmittelindustrie
Pharmazeutische Industrie
Apparatebau
Energie -erzeugung
Luftfahrt& Automobil
Was kann ich tun?
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !
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