Prof. Wolfgang Marquardt

Präsentation zum Thema: "Prof. Wolfgang Marquardt"—  Präsentation transkript:

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

2 Produkte des täglichen Lebens

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

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

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

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

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

9 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

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

11 Synthesegas aus Erdöl Dampfreforming partielle Oxidation Frankie80337

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

13 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

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

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

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

17 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

18 Klimawandel NASA

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

20 Reichweite (dynamisch)
Fayazz et al., 2009

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

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

23 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

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

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

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

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

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

29 Weitere Steigerung der Anbauflächen?

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 1 Fargione et al. 2008

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

32 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 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): l/a 750 l/(Kopf a) Industrie Aufteilung der Stoffströme energetisch nicht energetisch Transport Machhammer BASF

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

35 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

36 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 [%]

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

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

39 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

40 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

41 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

42 Was kann ich tun? oder …

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

44 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !