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
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Rohstoffwandel, 12.05.2009 2
Produkte des täglichen Lebens
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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
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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
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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
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Rohstoffwandel, 12.05.2009 6
Synthesegas-Chemie
SynGas
Methanol
H2
Alkane
…
Kohle
Ethanol
Kraftstoff
Ammoniak
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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)
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Rohstoffwandel, 12.05.2009 8
Zeitskala der Rohstoffe
1850 1900 1950 2000 20501800
Kohle
Biomasse
Nut
zung
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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
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Rohstoffwandel, 12.05.2009 10
Synthesegas-Chemie
SynGas
Methanol
H2
Alkane
…
Kohle
Erdöl Ethanol
Kraftstoff
Ammoniak
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Rohstoffwandel, 12.05.2009 11
Synthesegas aus Erdöl
Dampfreforming
partielle Oxidation
mol
kJ,9028ΔHH11CO5OH5HC 22125
mol
kJ2,406ΔHH6CO5O5,2HC 22125
Frankie80337
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Rohstoffwandel, 12.05.2009 12
Zeitskala der Rohstoffe
1850 1900 1950 2000 20501800
Erdöl
Kohle
Biomasse
Nut
zung
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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
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Rohstoffwandel, 12.05.2009 14
Synthesegas-Chemie
SynGas
Methanol
H2
Ethanol
Kraftstoff
Ammoniak
Alkane
…
Kohle
Erdöl
Erdgas
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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
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Rohstoffwandel, 12.05.2009 16
Zeitskala der Rohstoffe
1850 1900 1950 2000 20501800
Erdöl
Erdgas
Kohle
Biomasse
Nut
zung
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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
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Rohstoffwandel, 12.05.2009 18
Klimawandel
NASA
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Rohstoffwandel, 12.05.2009 19
Ölfördermaximum
Association for Peak-Oil Studies
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Rohstoffwandel, 12.05.2009 20
Reichweite (dynamisch)
Fayazz et al., 2009
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Rohstoffwandel, 12.05.2009 21
Biomasse
Verschiedene Formen von Biomasse
grüne Biomasse
Algen
holzartige Biomasse
© Queryzo
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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
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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
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Rohstoffwandel, 12.05.2009 24
Synthesegas-Chemie
SynGas
Methanol
H2
Alkane
…
Kohle
Erdöl
Erdgas
Biomasse
Ethanol
Kraftstoff
Ammoniak
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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
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Rohstoffwandel, 12.05.2009 26
Stoffliche Biomassenutzung
Synthesegas Fermentation
• Bier, Wein,... Phytoextraktion
und ggf. katalytische Umwandlung• pharmazeutische Wirkstoffe,...
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Rohstoffwandel, 12.05.2009 27
Zeitskala der Rohstoffe
1850 1900 1950 2000 20501800
Erdöl
Erdgas
KohleBiomasse
???
Nut
zung
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Rohstoffwandel, 12.05.2009 28
Nutzungskonkurrenz - Preisanstieg bei Lebensmitteln
IAO 2008
Angebots- und Nachfragesituation
Wetterabhängigkeit
Wohlstandswachstum
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Rohstoffwandel, 12.05.2009 29
Weitere Steigerung der Anbauflächen?
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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
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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
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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
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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
![Page 34: Kohle, Öl, Erdgas und dann? Rohstoffwandel in der Energie- und Verfahrenstechnik Prof. Wolfgang Marquardt](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062512/55204d6949795902118bff37/html5/thumbnails/34.jpg)
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
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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
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Source: Worldwatch
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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
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Source: Worldwatch
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io. o
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Biokraftstoffe (der 1. Generation)
große Produktionsmengen im Aufbau
• Konkurrenz mit der Nahrungskette
• keine zufriedenstellenden Wirkungsgrade
• keine ausreichende Reduzierung des CO2-Footprints
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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
![Page 36: Kohle, Öl, Erdgas und dann? Rohstoffwandel in der Energie- und Verfahrenstechnik Prof. Wolfgang Marquardt](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062512/55204d6949795902118bff37/html5/thumbnails/36.jpg)
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
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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
![Page 38: Kohle, Öl, Erdgas und dann? Rohstoffwandel in der Energie- und Verfahrenstechnik Prof. Wolfgang Marquardt](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062512/55204d6949795902118bff37/html5/thumbnails/38.jpg)
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
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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
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Rohstoffwandel, 12.05.2009 40
Auflösung von Holz
Ionic Liquids
Fotos aus nature.com and Sixta2006
RohstoffHolz in
flüssiger Phase
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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
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Rohstoffwandel, 12.05.2009 42
oder …
Was kann ich tun?
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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?
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