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

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Präsentation zum Thema: "Kohle, Öl, Erdgas und dann? Rohstoffwandel in der Energie- und Verfahrenstechnik Prof. Wolfgang Marquardt."—  Präsentation transkript:

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

2 Rohstoffwandel, Produkte des täglichen Lebens

3 Rohstoffwandel, Arbeitsmittel und Ausgangsmaterialien für weitere Verarbeitungsstufen in der Produktion Erdöl Kohle Erdgas Eisenerz … Ausgangspunkt der Produkte sind Rohstoffe Energierohstoffe Nicht-Energierohstoffe

4 Rohstoffwandel, Rohstoffe im Wandel der Zeit Steinzeit: Bis ca v. Chr. Bronzezeit v. Chr. Eisenzeit 1000 v. Chr … Rohstoffe haben bei der Entwicklung der Menschheit schon immer eine große Bedeutung gehabt.

5 Rohstoffwandel, Rohstoffwandel: Holz Kohle Kohle hat einst Holz als Energierohstoff abgelöst. Warum kam es zum Rohstoffwandel ? Industrialisierung (ab 18. Jh.) Dampfmaschine stark wachsende Bevölkerung

6 Rohstoffwandel, Synthesegas-Chemie SynGas Methanol H2H2 Alkane … Kohle Ethanol Kraftstoff Ammoniak

7 Rohstoffwandel, Synthesegas aus Kohle Dampfreforming partielle Oxidation bar °C H.-J. ARPE, Industrielle organische Chemie (2007)

8 Rohstoffwandel, Zeitskala der Rohstoffe Kohle Biomasse Nutzung

9 Rohstoffwandel, Rohstoffwandel: Kohle Erdöl Erdölboom in der Energieversorgung Automobil Luftfahrt Raumheizung … Erdöl wurde sehr günstig Erdöl vereinfacht die Verfahrenstechnik zur Herstellung C- und H- haltiger Produkte Luigi Chiesa

10 Rohstoffwandel, Synthesegas-Chemie SynGas Methanol H2H2 Alkane … Kohle Erdöl Ethanol Kraftstoff Ammoniak

11 Rohstoffwandel, Synthesegas aus Erdöl Dampfreforming partielle Oxidation Frankie80337

12 Rohstoffwandel, Zeitskala der Rohstoffe Erdöl Kohle Biomasse Nutzung

13 Rohstoffwandel, Rohstoffwandel: Erdöl Erdgas Erdgas ist u.a. Nebenprodukt der Erdölherstellung Steigende Energiepreise, bessere Rohstoffnutzung, Erschließung neuer Rohstoffquellen Mehr Wasserstoff im Synthesegas Methan inflationdata.com Dirk Ingo Franke

14 Rohstoffwandel, Synthesegas-Chemie SynGas Methanol H2H2 Ethanol Kraftstoff Ammoniak Alkane … Kohle Erdöl Erdgas

15 Rohstoffwandel, Synthesegas aus Erdgas Dampfreforming °C, bar partielle Oxidation °C, bar Frankie80337

16 Rohstoffwandel, Zeitskala der Rohstoffe Erdöl Erdgas Kohle Biomasse Nutzung

17 Rohstoffwandel, Und jetzt…? Gründe für einen neuen Rohstoffwandel Klimawandel / CO 2 -Problematik Verfügbarkeit und Preis von Erdöl/Erdgas inflationdata.com Global Atmosphere Watch - Hawaii

18 Rohstoffwandel, Klimawandel NASA

19 Rohstoffwandel, Ölfördermaximum Association for Peak-Oil Studies

20 Rohstoffwandel, Reichweite (dynamisch) Fayazz et al., 2009

21 Rohstoffwandel, Biomasse Verschiedene Formen von Biomasse grüne Biomasse Algen holzartige Biomasse © Queryzo

22 Rohstoffwandel, 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

23 Rohstoffwandel, Sauerstoff- und Wasserstoffgehalt 2 0,5 1,5 1 0 O / C 0,20,40,60,8 Roh-Erdöl Cellulose Hemicellulose Lignin Asphalte u. Bitumen Anthrazite Holz Torf Braunkohlen Lignitische Braunkohlen bitumenreiche Braunkohlen Lignitische Steinkohlen Steinkohlen Inkohlungsgrad Glucose Xylose Erdgas 4 Machhammer BASF H / C

24 Rohstoffwandel, Synthesegas-Chemie SynGas Methanol H2H2 Alkane … Kohle Erdöl Erdgas Biomasse Ethanol Kraftstoff Ammoniak

25 Rohstoffwandel, University of South Carolina Synthesegas aus Biomasse z.B. Cellulose Dampfreforming partielle Oxidation °C

26 Rohstoffwandel, Stoffliche Biomassenutzung Synthesegas Fermentation Bier, Wein,... Phytoextraktion und ggf. katalytische Umwandlung pharmazeutische Wirkstoffe,...

27 Rohstoffwandel, Zeitskala der Rohstoffe Erdöl Erdgas Kohle Biomasse ? ? ? Nutzung

28 Rohstoffwandel, Nutzungskonkurrenz - Preisanstieg bei Lebensmitteln IAO 2008 Angebots- und Nachfragesituation Wetterabhängigkeit Wohlstandswachstum

29 Rohstoffwandel, Weitere Steigerung der Anbauflächen?

30 Name der Präsentation, Intensivierung der Landwirtschaft brachliegende Ackerflächen können Bedarf bei weitem nicht decken Umwandlung von Wildnis in Ackerflächen Artensterben, Biodiversität! Umwandlung setzt große Mengen CO 2 frei © Christian Ziegler 1 Fargione et al. 2008

31 Rohstoffwandel, Wasserverbrauch der Landwirtschaft 69% des Welt-Wasserbrauchs für Bewässerung davon 15-35% mit nicht nachhaltiger Nutzung Klimawandel WBCSD Water Facts & Trends Aralsee Vorhersage für im Vergleich zu

32 Rohstoffwandel, Algen als Alternative ? landgestützte Algenzucht mit hoher Energieausbeute pro Fläche kann auch in Wüsten betrieben werden Aufzucht in Salzwasser möglich aber viele verfahrenstechnische Frage offen Wasserabtrennung... Ralf Wagner NREL

33 Rohstoffwandel, Energetische und stoffliche Nutzung Öl Gas 2 % Kohle nachwachsende Rohstoffe Gesamt- verbrauch: ~ 20 Mt / a 11 % 76 % 93 % Energie 7 % Chemie Raffinerie Öl Machhammer BASF Weltförderung Erdöl (2005): l/a 750 l/(Kopf a) Ölverbrauch nach Sektoren Transport Industrie Haushalte

34 Rohstoffwandel, Biokraftstoffe (der 1. Generation) große Produktionsmengen im Aufbau Konkurrenz mit der Nahrungskette keine zufriedenstellenden Wirkungsgrade keine ausreichende Reduzierung des CO 2 -Footprints

35 Rohstoffwandel, und 3. Generation von Biokraftstoffen Biomasse (ganze Pflanze) Tailor-Made Fuel (Moleküle mittlerer Größe) Selektive (bio-)chemische Synthese Synthesegas (CO, H 2 ) Gemisch verschiedener Kohlenwasserstoffe Vergasung Fischer-Tropsch Synthese Alkohole Wasser/Alkohol- Mischung Fermentation Trennung 2. Generation 3. Generation

36 Rohstoffwandel, Kraftstoff - ein Freiheitsgrad der Verbrennung mittlere Teillast dieselartige Kraftstoffe konventioneller Diesel- Motor Teilweise homogene Verbrennung mit n-Heptan Referenz (min. Ruß) Rel. NO x -Emission [%] Referenz (min. NO x ) Rel. Partikelemission [%] -70 % -50 % Kerosin Standard-Diesel Potential: zukünftiger Kraftstoff ohne Emissionen

37 Rohstoffwandel, Kraftstoffkomponenten z.B. CO, CH Biopolymere C-Atome Traditioneller Ansatz Bewahrung der Syntheseleistung der Natur Prozessstufen Tailor-Made Fuel

38 Rohstoffwandel, Kraftstoffmoleküle aus Biomasse Struktur- Eigenschafts- Beziehungen Berechnung der Kraftstoffeigenschaften Verbrennungs- motor Einfluss auf die Verbrennungs- eigenschaften Ermittlung optimaler Molekülstrukturen Unser integrierter Ansatz

39 Rohstoffwandel, Selektive Umwandlung von Biomasse in Plattformchemikalien Plattform Chemikalien Monomere Itakonsäure Direct fermentation Biomasse Grüne Biomasse Wasser Lignin Hölzerne Biomasse Wasser Lignin Mono- saccharides z.B. Levulinsäure Oxygenierte Aromaten Ionic liquid unterstützte enymatische Depolymerisation OH Routen für grüne und hölzerne Biomasse Aufgaben: Nutzung der gesamten Pflanze Bewahrung der natürlichen Vielfalt

40 Rohstoffwandel, Auflösung von Holz Ionic Liquids Fotos aus nature.com and Sixta2006 Rohstoff Holz in flüssiger Phase

41 Rohstoffwandel, Analyse des H 2 -Bedarfs Der beste Reaktionsweg für Biokraftstoffe? 1. Aufstellen des Reaktionsnetzwerkes Für Itakonsäure 120 Reaktionen 90 Substanzen ? Rohstoff Biomasse Produkt Kraftstoff Massenbilanzen für jede Substanz 2. Modellierung des Netzwerkes

42 Rohstoffwandel, oder … Was kann ich tun?

43 Rohstoffwandel, Chemische Industrie Lebensmittelindustrie Pharmazeutische Industrie Apparatebau Energie- erzeugung Luftfahrt & Automobil Chemische Industrie Lebensmittelindustrie Pharmazeutische Industrie Apparatebau Energie- erzeugung Luftfahrt & Automobil Was kann ich tun?

44 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !


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