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Nazmi HamdanAntriebsforschung
Verwertung von CO₂
Nazmi Hamdan
7. Semester, Fachhochschule Münster
Fachbereich Energie · Gebäude · Umwelt 29 März 2012
Stand: 2012-03-29
Antriebsforschung© Alle Rechte bei Volkswagen AG, auch für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Jede Verfügungsbefugnis, wie Kopier- und Weitergaberecht, bei uns.
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Gliederung des Vortrags
• Einleitung
• CCS: Abscheidung, Transport, Speicherung
• Verwertung von CO2: organisch-chemische Verwendung, physikalische Nutzung, biologische Nutzung
• Fazit: energetische Ausblick
Stand: 2012-03-29
Gliederung
Einleitung
CCS
Verwertung von CO2
Fazit und Ausblick
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• Vorindustrielles CO2-Niveau = 280 ppm
• Heute liegt die CO2-Konzentration in der Atmosphäre bei ca. 390 ppm
• Temperaturanstieg „sehr wahrscheinlich“ – auf den beobachteten Anstieg der anthropogen verursachten Treibhausgaskonzentration zurückzuführen (IPCC, 2007)
• Bei einer Verdoppelung der CO2-Konzentration – globale Klimaerwärmung von 2,0 bis 4,5 °C zu erwarten
Einleitung: Verwertung von CO2 als Brückentechnologie
Stand: 2012-03-29
Gliederung
Einleitung
CCS
Verwertung von CO2
Fazit und Ausblick
• Folge: extreme Wettersituationen, wirtschaftliche Schäden, nachhaltige Schäden für viele Ökosysteme
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Kohlenstoffzyklus
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Gliederung
Einleitung
CCS
Verwertung von CO2
Fazit und Ausblick
Quelle: United States Department of Energy - Simplified Global Carbon Cycle
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CCS (Carbon Capture and Storage) als Handlungsoption für große Emissionsquellen
TRANSPORT
- Pipelines
- Tanklaster
- Tankschiffe
ABSCHEIDUNG
- Post-combustion
- Pre-combustion
- Oxyfuel
VERWERTUNG
(100-200 Mt CO2 yr-1)
EINLAGERUNG
(200-2000 Gt CO2 yr-1)
- Erdöl- und Erdgaslagerstätten
- nicht förderbare Kohleflöze
- salzwasserführende Sandsteinschichten
Gliederung
Einleitung
CCS
Verwertung von CO2
Fazit und Ausblick
Quelle: IPCC, 2007
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CO₂-Vermeidungs- und Verwertungsstrategie
Stand: 2012-03-29
Verwertungskriterien:1. Wertschöpfung2. Fixierungsmenge (Mt CO2 pro Mt Produkt)3. Fixierungsdauer (Jahrzehnte oder weniger)
Gliederung
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CCS
Verwertung von CO2
Fazit und Ausblick
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CO2 als Rohstoff
• CO2 ist als Verbrennungsendprodukt energiearm und stabil
• zur Weiterverwendung muss CO2 zunächst aktiviert werden
• Aufgrund der niedrigen CO2-Reaktionsfähigkeit, sind meisten Reaktionen katalytisch unterstützt und laufen bei höheren
Temperaturen und/oder Drücken ab.
Möglichkeiten der Aktivierung:
• (Thermisch)
• Katalytisch
• Elektrisch
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CCS
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Fazit und Ausblick
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zur Überwindung der energetischen Hürde:• katalytisch aktivierte Reduktion von CO₂ (z.B. Spaltung von CO₂ zu Methan)
• elektrische CO₂-Spaltung durch regenerative Systeme Wasserelektrolyse mit CO₂-frei erzeugtem Strom aus regenerative Energiequelle (Windenergie)
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Fazit und Ausblick
Quelle: motorafondo.net
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Verwertung von CO
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• chemische Verwertung Harnstoff, Methanol, Carbonate, Salizylsäure, Polymere
• physikalische Verwertung EOR/EGR/ECBM, Getränke- und Nahrungsmittel, Reinigungs- und Extraktionsmittel,
Inertgas, Gewächshäuser
• biologische Verwertung Mikroalgen, Makroalgen
• innovative Lösungsansätze Elektrochemische- oder photoelektrochemische Reduktion
Gliederung
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CCS
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• Harnstoffsynthese: Hauptanwendung: größten Mengen Harnstoff werden derzeit als Dünger in der Landwirtschaft eingesetzt
weiteres Einsatzgebiet: Auftauhilfen, Feuchtigkeitsspender, NOx- Abgasverringerung
• Methanolsynthese:
Reaktionspartner: - die benötigte H2 kann dabei aus Erdgas (8814 kWh Erdgas /tCH3OH)
- oder aus Wasser mittels Elektrolyse (9075 kWh /tCH3OH) erzeugt werden
Strombedarf: der hohe Strombedarf der Elektrolyse wird durch Strom aus erneuerbare Energien gedeckt werden
chemische Verwertung: > t CO2/a
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chemische Verwertung: > t CO2/a
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• zyklische Carbonate: Ethylencarbonat findet Verwendung als Lösungsmittel (z.B. als Lösungsmittel für
Lithiumsalze in Lithiumbatterien)
Propylencarbonat hat ähnliche Anwendungsgebiete, wobei die Anwendung als Kunststoffweichmacher & Kernsandbindemitteln der Gießereiindustrie hinzu kommt.
• Salizylsäuresynthese: Anwendungen: Meist kommt die Salicylsäure im Anfangsstadium von Hauterkrankungen zum Einsatz, zur Linderung von Beschwerden und zur Abschuppung
CO2-Fixierung: der Zeitraum der CO2-Fixierung ist eher niedrig, CO2 wird sofort nach Anwendung wieder freigesetzt
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CCS
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• Polymere: durch co-polymerization von CO₂ mit homogene Katalysatoren
chemische Verwertung: > t CO2/a
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CCS
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Fazit und Ausblick
Quelle: Micheal Röper, BASF SE
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• Getränkeindustrie & Nahrungsmittel• Textilreinigung• Extraktionsmittel • Kühlungsmittel • Feuerlöschern • Schutzgas
- zur CO2-Fixierung ist die physikalische Nutzung aufgrund der meist schnellen CO2-Freisetzung am wenigsten attraktiv
- es muss aber kein neues CO2 extra hergestellt werden
- die Mengen an physikalisch nutzbarem CO2 können groß sein
physikalische Verwertung: ≈ t CO2/a
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CCS
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biologische Verwertung: t CO2/a
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CCS
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Fazit und Ausblick
Quelle: Dr. Martin Lohrmann, Konzernforschung Antriebsenergie
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Energiebedarf von Algen zur Kraftstoffgewinnung
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CCS
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Fazit und Ausblick
Quelle: Jingjing Zhu (2010)
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Potenziale:
• Im Vergleich mit Landpflanzen hat Mikroalgen 5-10 mal höhere Biomasseproduktivität ≈ 1,8 t CO₂/t Algenbiomasse
• weniger Energiebedarf zur Fixierung von CO₂ im Vergleich zu anderen Methoden (0.2 – 1.5 )
• Potenzial für die Bereitstellung von nachhaltigen Biokraftstoffen
• minimierte Flächenkonkurrenz zur Ackerfläche
Herausforderungen:
• Die Kosten der Algenanlagen noch unwirtschaftlich:
3.000-30.000 €/t Algenbiomasse
Vergleichpreis mit Rapsöl: 650 €/t Rapsöl
• hohe Flächenbedarf zur CO₂-Fixierung: ≈ 215 km² pro Kohlekraftwerk
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CCS
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biologische Verwertung: t CO2/a
Makroalgen• keine weitere Erhöhung der Produktionsrate bei hoher CO2-Konzentration
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CCS
Verwertung von CO2
Fazit und Ausblick
Quelle: Dr. Martin Lohrmann, Konzernforschung Antriebsenergie
Quelle: Kaladharan and Reeta Jayashanker (2003)
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innovativer Lösungsansätze
• photoelektrochemische Reduktion von CO₂
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1)
3)
2)
Quelle: schweizerische chemische GesellschaftQuelle: stanford.edu
Quelle: stanford.edu
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innovativer Lösungsansätze
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Gliederung
Einleitung
CCS
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Fazit und Ausblick
Quelle: Det Norske Veritas (2011)
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MethodeEnergie zum Binden von CO2
MWh/ t
CO2 gebunden
Mt / a
Methanol 11,8 0,08 8
Harnstoff 5,25 0,18 146
Carbamate 27,8 0,03 10
Carbonate - - 0,2
Salicylsäure 4,8 - 6,4 0,15 - 0,2 0,025
Polymere 5,5 - 22,2 0,04 -0,17 10
Mikroalgen 0,2 - 1,5 0,64 - 4,8 250
Elektrochemisch 2,5 0,38 0,2
Photochemisch 220,46 0,0044 -
Photoelektrochemisch 187 0,0051 -
energetische Betrachtung
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CCS
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Fazit
• Klimaproblematik kann durch die stoffliche Nutzung von CO2 allein nicht lösen. Mengenpotenzial als Chemierohstoff im Vergleich zur globalen Emission auf <1% begrenzt
• Aktivierung bzw. Reduktion von CO₂ erfordert viel Energie
• Nur sinnvoll wenn die hierfür erforderliche Energie aus nicht-fossilen Quellen stammt, sonst steigt die CO₂-Emission
• Etabliert: industrielle Nutzung für Harnstoff- und Methanolsynthese
• CO2-Verwertungspotenzial von Mikroalgen: mögliche Einsatz der fossiler Brennstoffe – 11% der Fläche USAs wären notwendig (im Vergleich zu Bioethanol aus Zuckerrohr: 70%)
• Elektro- oder Photokatalysatoren zur Konversion von CO2 zu einfachen
höherenergetischen Produkten wie CO oder HCOOH ist derzeit ineffizient
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Vielen Dank für Ihr Interesse!
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