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

Produkte des täglichen Lebens

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

Rohstoffe im Wandel der Zeit Steinzeit: Bis ca. 8000 v. Chr. Bronzezeit 3000-1000 v. Chr. Eisenzeit 1000 v. Chr … www.ludenhausen.de Rohstoffe haben bei der Entwicklung der Menschheit schon immer eine große Bedeutung gehabt.

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

Synthesegas-Chemie Methanol Kohle H2 Ethanol SynGas Kraftstoff Ammoniak Alkane …

H.-J. ARPE, Industrielle organische Chemie (2007) Synthesegas aus Kohle Dampfreforming partielle Oxidation 20-30 bar 600-1000°C H.-J. ARPE, Industrielle organische Chemie (2007)

Zeitskala der Rohstoffe Nutzung Kohle Biomasse 1800 1850 1900 1950 2000 2050

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 ca. 20 % in Deutschland für Automobil ! Luigi Chiesa

Synthesegas-Chemie Methanol Kohle H2 Erdöl Ethanol SynGas Kraftstoff Ammoniak Alkane …

Synthesegas aus Erdöl Dampfreforming partielle Oxidation Frankie80337

Zeitskala der Rohstoffe Erdöl Nutzung Kohle Biomasse 1800 1850 1900 1950 2000 2050

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

Synthesegas-Chemie Methanol Kohle H2 Erdöl Ethanol SynGas Kraftstoff Erdgas Ammoniak Alkane …

Synthesegas aus Erdgas Dampfreforming 820-900°C, 20-30 bar partielle Oxidation 1350-1500°C, 40-60 bar Frankie80337

Zeitskala der Rohstoffe Erdöl Nutzung Erdgas Kohle Biomasse 1800 1850 1900 1950 2000 2050

Global Atmosphere Watch - Hawaii Und jetzt…? Gründe für einen neuen Rohstoffwandel Klimawandel / CO2-Problematik Verfügbarkeit und Preis von Erdöl/Erdgas Global Atmosphere Watch - Hawaii inflationdata.com

Klimawandel NASA

Association for Peak-Oil Studies Ölfördermaximum Association for Peak-Oil Studies

Reichweite (dynamisch) Fayazz et al., 2009

Verschiedene Formen von Biomasse holzartige Biomasse Algen grüne 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 4 H / C 2 Erdgas Roh-Erdöl Cellulose Hemicellulose Glucose Xylose 1,5 Lignin bitumenreiche Braunkohlen Holz Asphalte u. Bitumen Torf 1 Lignitische Braunkohlen Braunkohlen Lignitische Steinkohlen 0,5 Steinkohlen Inkohlungsgrad Anthrazite Machhammer BASF 0,2 0,4 0,6 0,8 O / C

Synthesegas-Chemie Methanol Kohle H2 Erdöl Ethanol SynGas Kraftstoff Erdgas Ammoniak Alkane Biomasse …

Synthesegas aus Biomasse z.B. Cellulose Dampfreforming partielle Oxidation 700-800°C University of South Carolina

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

Zeitskala der Rohstoffe Erdöl ? Erdgas Nutzung Biomasse Kohle 1800 1850 1900 1950 2000 2050

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

Weitere Steigerung der Anbauflächen?

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 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 Vorhersage für 2071-2100 im Vergleich zu 1961-1990 Aralsee

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

Energetische und stoffliche Nutzung Gas 2 % Kohle nachwachsende Rohstoffe Gesamt- verbrauch: ~ 20 Mt / a 11 % 76 % 93 % Energie 7 % Chemie Raffinerie Ölverbrauch nach Sektoren Haushalte Weltförderung Erdöl (2005): 4.830.000.000.000 l/a 750 l/(Kopf a) Industrie Aufteilung der Stoffströme energetisch nicht energetisch Transport www.peakofoil.de Machhammer BASF

Biokraftstoffe (der 1. Generation) große Produktionsmengen im Aufbau Konkurrenz mit der Nahrungskette keine zufriedenstellenden Wirkungsgrade keine ausreichende Reduzierung des CO2-Footprints

Selektive (bio-)chemische Synthese (Moleküle mittlerer Größe) 2. und 3. Generation von Biokraftstoffen Fermentation Trennung 2. Generation Wasser/Alkohol-Mischung Alkohole 3. Generation Selektive (bio-)chemische Synthese Biomasse (ganze Pflanze) Tailor-Made Fuel (Moleküle mittlerer Größe) Synthesegas (CO, H2) Gemisch verschiedener Kohlenwasserstoffe Alcohols: BP investigations (still in strongly funded research) Various hydrocarbons: Choren (SynFuel), Forschungszentrum Karlsruhe (BioLiq) ggf. mündlich erwähnen: EU-Projekte Vergasung Fischer-Tropsch Synthese 2. Generation

Potential: zukünftiger Kraftstoff ohne Emissionen Kraftstoff - ein Freiheitsgrad der Verbrennung 100 mittlere Teillast dieselartige Kraftstoffe Referenz (min. NOx) -70 % A significant improvement potential of the overall process from biomass-to-wheel can be expected by: (i) simultaneous co-optimisation of the combustion system and the molecular characteristics of the biofuel (ii) by a targeted synthesis of a well-defined blend of fuel components from lignocellulose of whole plants. Both measures contribute significantly to sustainable mobility systems and pose major challenges and fascinating opportunities for the molecular, the process and the combustion engineering sciences. 80 60 konventioneller Diesel- Motor Potential: zukünftiger Kraftstoff ohne Emissionen Rel. Partikelemission [%] Standard-Diesel 40 Referenz (min. Ruß) -50 % Teilweise homogene Verbrennung mit 20 Kerosin n-Heptan 20 40 60 80 100 Rel. NOx-Emission [%]

Bewahrung der Syntheseleistung der Natur C-Atome Biopolymere 10000 1000 Traditioneller Ansatz 100 Tailor-Made Fuel Kraftstoffkomponenten 10 1 z.B. CO, CH4 Prozessstufen

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

Routen für grüne und hölzerne Biomasse Selektive Umwandlung von Biomasse in Plattformchemikalien Biomasse Monomere Plattform Chemikalien Grüne Biomasse Wasser Lignin Itakonsäure ­ Direct fermentation ¯ Mono- saccharides z.B. Levulinsäure Oxygenierte Aromaten Ionic liquid unterstützte enymatische Depolymerisation OH Hölzerne Biomasse Wasser Lignin ¯ ­ Contribution to the first stage towards tailor-made fuels: Selective conversion of biomass to platform chemicals Two distinct classes of biomass green biomass and wooden biomass, which require two distinct processes – a fermentative route and a selective depolymerisation of the molecules Use the entire plant (Stoffliche Nutzung der ganzen Pflanze) for fuel if possible and retain the molecular diversity if possible. Aufgaben: Nutzung der gesamten Pflanze Bewahrung der natürlichen Vielfalt

Rohstoff Holz in flüssiger Phase Auflösung von Holz Ionic Liquids In fact, the desirable strength and resistancy of wood actually causes problems when it comes to dissolving. Rohstoff Holz in flüssiger Phase Fotos aus nature.com and Sixta2006

Der beste Reaktionsweg für Biokraftstoffe? Rohstoff Biomasse Produkt Kraftstoff 1. Aufstellen des Reaktionsnetzwerkes 2. Modellierung des Netzwerkes Massenbilanzen für jede Substanz Für Itakonsäure 120 Reaktionen 90 Substanzen 3. Analyse des H2-Bedarfs

Was kann ich tun? oder …

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

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !