Kohle, Öl, Erdgas und dann? Rohstoffwandel in der Energie- und Verfahrenstechnik Prof. Wolfgang Marquardt

Kohle, Öl, Erdgas und dann?Rohstoffwandel in der Energie- und

Verfahrenstechnik Prof. Wolfgang Marquardt

Rohstoffwandel, 12.05.2009 2

Produkte des täglichen Lebens


Arbeitsmittel und Ausgangsmaterialien für weitere Verarbeitungsstufen in der Produktion

• Erdöl

• Kohle

• Erdgas

• Eisenerz

• …

Ausgangspunkt der Produkte sind Rohstoffe

Energierohstoffe

Nicht-Energierohstoffe


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: Holz Kohle

Kohle hat einst Holz als Energierohstoff abgelöst.

Warum kam es zum Rohstoffwandel ?• Industrialisierung (ab 18. Jh.)

• Dampfmaschine

• stark wachsende Bevölkerung

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1000

2000

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1000 1200 1400 1600 1800 2000

Bev

ölke

rung

in M

io


Synthesegas-Chemie

SynGas

Methanol

H2

Alkane

…

Kohle

Ethanol

Kraftstoff

Ammoniak


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)


Zeitskala der Rohstoffe

1850 1900 1950 2000 20501800

Kohle

Biomasse

Nut

zung


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


Synthesegas-Chemie

SynGas

Methanol

H2

Alkane

…

Kohle

Erdöl Ethanol

Kraftstoff

Ammoniak


Synthesegas aus Erdöl

Dampfreforming

partielle Oxidation

mol

kJ,9028ΔHH11CO5OH5HC 22125

mol

kJ2,406ΔHH6CO5O5,2HC 22125

Frankie80337



1850 1900 1950 2000 20501800

Erdöl

Kohle

Biomasse

Nut

zung


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

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60

70

1950 1970 1990 2010

inflationdata.com

Dirk Ingo Franke


Synthesegas-Chemie

SynGas

Methanol

H2

Ethanol

Kraftstoff

Ammoniak

Alkane

…

Kohle

Erdöl

Erdgas


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



1850 1900 1950 2000 20501800

Erdöl

Erdgas

Kohle

Biomasse

Nut

zung


Und jetzt…?

Gründe für einen neuen Rohstoffwandel

• Klimawandel / CO2-Problematik

• Verfügbarkeit und Preis von Erdöl/Erdgas

Ölpreis in $ pro Barrel

0

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1950 1970 1990 2010inflationdata.com

Global Atmosphere Watch - Hawaii


Klimawandel

NASA


Ölfördermaximum

Association for Peak-Oil Studies


Reichweite (dynamisch)

Fayazz et al., 2009


Biomasse

Verschiedene Formen von Biomasse

grüne Biomasse

Algen

holzartige Biomasse

© Queryzo


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


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


Synthesegas-Chemie

SynGas

Methanol

H2

Alkane

…

Kohle

Erdöl

Erdgas

Biomasse

Ethanol

Kraftstoff

Ammoniak


University of South Carolina

Synthesegas aus Biomasse

z.B. Cellulose

Dampfreforming

partielle Oxidation

mol

kJ310ΔHH6CO6OHOHC 225106

mol

kJ213ΔHH5COCO5OOHC 2225106

700-800°C


Stoffliche Biomassenutzung

Synthesegas Fermentation

• Bier, Wein,... Phytoextraktion

und ggf. katalytische Umwandlung• pharmazeutische Wirkstoffe,...



1850 1900 1950 2000 20501800

Erdöl

Erdgas

KohleBiomasse

???

Nut

zung


Nutzungskonkurrenz - Preisanstieg bei Lebensmitteln

IAO 2008

Angebots- und Nachfragesituation

Wetterabhängigkeit

Wohlstandswachstum


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


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


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


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


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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f lit

ers

Source: Worldwatch

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Production Trends





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Source: Worldwatch

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Production Trends





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Source: Worldwatch

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ers

Biokraftstoffe (der 1. Generation)

große Produktionsmengen im Aufbau

• Konkurrenz mit der Nahrungskette

• keine zufriedenstellenden Wirkungsgrade

• keine ausreichende Reduzierung des CO2-Footprints


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


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


Kraftstoffkomponenten

z.B. CO, CH41

10

100

1000

10000Biopolymere

C-Atome

Traditioneller Ansatz

Bewahrung der Syntheseleistung der Natur

Prozessstufen

Tailor-Made Fuel


Kraftstoffmoleküle aus Biomasse

Struktur-Eigenschafts-Beziehungen

Berechnung der Kraftstoffeigenschaften

Verbrennungs-motor

Einfluss auf die Verbrennungs-eigenschaften

Ermittlung optimaler Molekülstrukturen

Unser integrierter Ansatz


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


Auflösung von Holz

Ionic Liquids

Fotos aus nature.com and Sixta2006

RohstoffHolz in

flüssiger Phase


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


oder …

Was kann ich tun?


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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