Neue Strategien zur stofflichen Verwertung von Braunkohle

Dr.-Ing. Heiner Gutte, Technische Universität Bergakademie Freiberg Sächsisches Fachsymposium ENERGIE 2013 am 18.11.13 Dresden

Globaler organischer und anorganischer Kohlenstoffkreislauf • Entstehung fossiler Rohstoffe über CAustauschprozesse zwischen den CSpeichern Litho-, Bio-, Hydro- und Atmosphäre • Antrieb durch Sonne und anthropogen • Von ca. 1500 PgC werden 7,8 PgC/yr verbrannt - 0,5 %/yr (Ressourcenproblem) • Atmosphäre als kleinster C-Speicher reagiert auf erhöhte C- Zuflussraten besonders empfindlich (Klimaproblematik)

Von kohlenstoffintensiver Wirtschaft zu einer »Low Carbon Economy«

Source: Working Group I Contribution to the IPCC fifth Assessment Report „Climate Change 2013: The Physical Science Basis“ 26. September 2013 Stockholm, Sweden

• •

Schwarz: Kohlenstoffspeicher in PgC und jährliche Stoffaustauschströme in PgC/yr Rot: anthropogene C-Stoffströme gemittelt über 2000-2009

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Ziel und Strategie Ziel: Transformation einer kohlenstoffintensiven Wirtschaft hin zu einer »Low Carbon Economy«, das heißt hin zu Klimaverträglichkeit und Ressourcenschonung.

Strategie: •Senkung von Rohstoff- und Primärenergieverbrauch für Strom, Wärme, Transport. (Weniger verbrauchen, mehr nutzen!) •Steigerung von Energie- und Stoffeffizienz (Ressourceneffizienz) energieintensiver Industriebranchen wie z. B. Energietechnik, Chemie, Metallurgie und •Übergang von fossilen zu erneuerbaren Energien (Energiewende) •Übergang von primären Rohstoffen zu sekundären bzw. nachwachsenden Rohstoffen •Transformation der derzeit dominierenden energetischen hin zu einer stofflichen Nutzung primärer und sekundärer Rohstoffe unter innovativer Nutzung erneuerbarer Energien •Schließung von Kohlenstoffkreisläufen

Siehe auch • • • •

KOM(2011) 21, siehe: http://ec.europa.eu/resource-efficient-europe Energieeffizienzplan, KOM (2011) 109 EU_2011_COM(2011)112, Fahrplan für den Übergang zu einer wettbewerbsfähigen CO2-armen Wirtschaft bis 2050 BMBF: Hightech Strategie 2020 für Deutschland (2010)

3

Energetische und stoffliche Nutzung Energetische Nutzung: Wärme (Strom), CO2

Stoffliche Nutzung

S

S - Synthese

4

Synthesegaschemie

Oxoverbindungen

Methanol

Toluen

Ammoniak

Ethylen

Propylen

• Formaldehyd • Essigsäure • Kraftstoffe, MTBE • z. B. Methylamine

Methan, SNG

CO+H2

Olefine DME

Phenol Benzin

Oxygenate

H2 reg.

Farbstoffe, Medikamente und Pflanzenschutzmittel

Treibstoffe, Halogenkohlenwasserstoffe, Alkohole, Ketone, Glykole, Olefinoxiden, Kunststoffe und Waschmittelkomponenten z. B. Propen

• Synthese von Glycerin, Phenol, Isopropylalkohol, Epoxidharzen • Polymerisation von Polypropylen 5

Energierohstoffforschung an der TU Bergakademie Freiberg

Lagerstätte

Gewinnung

Veredlung

Aufbereitung

Recycling

Petrographie Erkundung & Gewinnung Mechano-Chemische Niedertemperatur-Konversion Thermo-Chemische Niedertemperatur-Konversion Hochtemperatur-Konversion Synthesen Wasserstoff Modellierung von Hochtemperaturprozessen Hochtemperatur-Werkstoffe Chemische Strukturaufklärung Energie- und Rohstoffstrategische Betrachtungen

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Energierohstoffforschung an der TU Bergakademie Freiberg

Lagerstätte

Gewinnung

Veredlung

Aufbereitung

Recycling

Petrographie Erkundung & Gewinnung Mechano-Chemische Niedertemperatur-Konversion Thermo-Chemische Niedertemperatur-Konversion Hochtemperatur-Konversion Synthesen Wasserstoff Modellierung von Hochtemperaturprozessen Hochtemperatur-Werkstoffe Chemische Strukturaufklärung Energie- und Rohstoffstrategische Betrachtungen

7

Strukturaufklärung von Kohlen und Konversionsprodukten


Petrologisch-strukturchemisches

Bewertungssystem für Kohlen und Prozessrückstände
Verwertungseignung für verschiedene

Veredlungsprozesse
Chemische Strukturaufklärung Produktspektrum: s, l, g
Isomerie: Gleiche Masse aber unterschiedliche Struktur


Struktur-Eigenschafts-Korrelationen
Vorhersage Konversionsverhalten

Quelle: M.R. Narkiewicz, J.P. Mathews, Visual Representation of Carbon Dioxide Adsorption in a Low-Volatile Bituminous Coal Molecular Model, Energy Fuels 2009, 23, 5236−5246.

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Energierohstoffforschung an der TU Bergakademie Freiberg

Lagerstätte

Gewinnung

Veredlung

Aufbereitung

Recycling

Petrographie Erkundung & Gewinnung Mechano-Chemische Niedertemperatur-Konversion Thermo-Chemische Niedertemperatur-Konversion Hochtemperatur-Konversion Synthesen Wasserstoff Modellierung von Hochtemperaturprozessen Hochtemperatur-Werkstoffe Chemische Strukturaufklärung Energie- und Rohstoffstrategische Betrachtungen

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Erkundung und Gewinnung Erkundung •Identifizierung und Lokalisierung definierter Kohlesorten •Lagerstätten-Modelle: Flözgeometrie, räumliche Verteilung von Qualitätsparametern •Simulation der Lagerstätten und geologischen Strukturen •Neue Gewinnungs- und Fördermaschinen, Sensorik für Graborgane •Vollständige Ausnutzung der Lagerstätte und effizienter Einsatz der Gewinnungsgeräte •Lagerstättenmanagement

Institut für Markscheidewesen und Geodäsie TUBAF

Gewinnung •Trennung/Mischung von Inhaltsstoffen nach qualitativen Merkmalen im Gewinnungs- und Förderprozess im Tagebau •Vernetzung von Gewinnungs- und Förder- und Haldensystemen •Selektive Gewinnung von Qualitätskohle •Ermittlung von Rohstoffkennwerten für Energierohstoffe •Integrierte Produktionsplanung und steuerung •Coal Management System, Prozessvisualisierung

Institut für Bergbau und Spezialtiefbau TUBAF

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Energierohstoffforschung an der TU Bergakademie Freiberg

Lagerstätte

Gewinnung

Veredlung

Aufbereitung

Recycling

Petrographie Erkundung & Gewinnung Mechano-Chemische Niedertemperatur-Konversion Thermo-Chemische Niedertemperatur-Konversion Hochtemperatur-Konversion Synthesen Wasserstoff Modellierung von Hochtemperaturprozessen Hochtemperatur-Werkstoffe Chemische Strukturaufklärung Energie- und Rohstoffstrategische Betrachtungen

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Direktnutzung - Extraktion - Reaktivextraktion Hohe stoffliche Wirkungsgrade – kaum Umwandlungsverluste Direktnutzung

Extraktion

Reaktivextraktion

Neue Stoffkombinationen

Extraktion mit überkritischen Medien z. B. Ethanol unter Druck

+ Ausbeute in Ma.-% (waf)

Montanwachse und Spezialwachse

120

325 °C

350 °C

375 °C

100 80 60 40 20 0 75

Xylit – fossiles Holz

125

150

75 100 125 150 Masse Ethanol in g

heptanlöslich unlöslich toluollöslich Gas (ohne Spaltprodukte)

Wikipedia

Alternative Methoden zur CO2-neutralen Direktnutzung von Naturstoffen •Faserwerkstoffe •Dämmstoffe •Bodenverbesserungsstoffe •Biokunststoffe aus Lignin

100

• Neue Spezialwachse aus verschiedenen C-Quellen • Spezialwachse über Hochdruckextraktion bzw. mit überkritschen Medien (H2O, CO2) • Gewinnung und Modifikation von Wachsen mit maßgeschneiderten Eigenschaften

75

100

125

toluollöslich heptanlöslich unlöslich

Spezialchemikalien aus Kohle

H. Wollmerstädt: Reaktivextraktion von Braunkohlen mit überkritischem Ethanol, Lehrstuhl für Reaktionstechnik, TUBAF

12

Energierohstoffforschung an der TU Bergakademie Freiberg

Lagerstätte

Gewinnung

Veredlung

Aufbereitung

Recycling

Petrographie Erkundung & Gewinnung Mechano-Chemische Niedertemperatur-Konversion Thermo-Chemische Niedertemperatur-Konversion Hochtemperatur-Konversion Synthesen Wasserstoff Modellierung von Hochtemperaturprozessen Hochtemperatur-Werkstoffe Chemische Strukturaufklärung Energie- und Rohstoffstrategische Betrachtungen

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Pyrolyse und Verkokung +

+

• Kohlen, Naturstoffe, Erdölrückstände sind keine Konkurrenzstoffe, sondern sie benötigen sich gegenseitig zur Einstellung bisher nicht genutzter Synergieeffekte. • Pyrolytische Veredlung von Stoffkombinationen: z. B. Kohlen + Lignozellulosen + Erdölrückstände  Kokse mit völlig neuen mechanischen Eigenschaften und steuerbaren Reaktivitäts- und Adsorptionseigenschaften und große Mengen an partiell gereinigten Flüssigprodukten • Direktreduktion von Metalloxiden

Spezialchemikalien und Flüssigprodukte aus Pyrolyseölen


Funktionelle Gruppen
Massen und Strukturen organischer Moleküle
Aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe
Hochsiedende Verbindungen
vergleichsweise niedrige Gehalte an

Sauerstoffverbindungen

14 Philipp Rathsack: Analytik von Pyrolyseölen. Doktorandenseminar DER, 29.05.2012, Freiberg

Energierohstoffforschung an der TU Bergakademie Freiberg

Lagerstätte

Gewinnung

Veredlung

Aufbereitung

Recycling

Petrographie Erkundung & Gewinnung Mechano-Chemische Niedertemperatur-Konversion Thermo-Chemische Niedertemperatur-Konversion Hochtemperatur-Konversion Synthesen Wasserstoff Modellierung von Hochtemperaturprozessen Hochtemperatur-Werkstoffe Chemische Strukturaufklärung Energie- und Rohstoffstrategische Betrachtungen

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CO2-emissionsarme Kohlechemie H2 100 700°C

700 1600°C

NT-Konversion

HT-Konversion

• Extraktion • Pyrolyse • (Spezialkokse)

• Vorwärmung • Vergasung • Eintragssystem

Synthesegas CO+H2

• Reinigung • Konditionierung • (Shift-Reaktion) • Synthesen

Chemikalien

• Kraftstoffe • Kunststoffe • Düngemittel

1. Heute - Energetische Nutzung: Kohle + Sauerstoff C1H0.80O0.06+ 1,1725 O2

= CO2 + Wasser = 1,0 CO2 + 0,405 H2O

2. Morgen - Stoffliche Nutzung: Kohle + Dampf + Sauerstoff C1H0.80O0.06 + 0,4 H2O + 0,56875 O2

= CO2 + Syngas (z. B. für MeOH-Synthese) = 0,6 CO2 + 0,40 CO + 0.80 H2

(Wassergas-Shift-Reaktion für richtiges H2/CO-Verhältnis: CO + H2O = CO2 + H2) 3. Zukunft - CO2-emissionsarme Kohlechemie (Einkopplung H2 ohne Shift-Reaktion): Kohle + Sauerstoff + x H2 = 0,0 CO2 + CO + H2 C1H0.80O0.06 + 0,47 O2 + 0,0 H2 = 0,0 CO2 + CO + 0.40 H2 + 0,4 H2 = 0,0 CO2 + CO + 0.80 H2 + 0,6 H2 = 0,0 CO2 + CO + H2 (Oxosynthese) + 1,6 H2 = 0,0 CO2 + CO + 2 H2 (MeOH, Olefine, Benzin) + 2,6 H2 = 0,0 CO2 + CO + 3 H2 (SNG)

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Einkopplung von erneuerbaren Energien

Synthesegaserzeugung 100,0 90,0

Kaltgaswirkungsgrad in %

80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 Autotherme Reformierung 30,0

Holzvergasung Dampfelektrolyse SOEC

20,0

MW-gestützte Reaktionstechnik

10,0 0,0 0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

100,0

C-Einbindung in %

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Lagerstätte

Gewinnung

Veredlung

Aufbereitung

Recycling

Petrographie Erkundung & Gewinnung Mechano-Chemische Niedertemperatur-Konversion Thermochemische Niedertemperatur-Konversion Hochtemperatur-Konversion Synthesen Wasserstoff Modellierung von Hochtemperaturprozessen Hochtemperatur-Werkstoffe Chemische Strukturaufklärung Energie- und Rohstoffstrategische Betrachtungen

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Modellierung von Hochtemperatur-Konversionsprozessen Zentrum für Innovationskompetenz VIRTUHCON - Virtual High Temperature Conversion

www.virtuhcon.de

19

Energierohstoffforschung an der TU Bergakademie Freiberg

Lagerstätte

Gewinnung

Veredlung

Aufbereitung

Recycling

Petrographie Erkundung & Gewinnung Mechano-Chemische Niedertemperatur-Konversion Thermo-Chemische Niedertemperatur-Konversion Hochtemperatur-Konversion Synthesen Wasserstoff Modellierung von Hochtemperaturprozessen Hochtemperatur-Werkstoffe Chemische Strukturaufklärung Energie- und Rohstoffstrategische Betrachtungen

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Werkstoffentwicklung

„Metal dusting“, beobachtet an Alloy 800 (30Ni20Cr) nach Auslagerung in Synthesegas (CO+H2) bei 500°C, (a) Lochfraß in einem Rohr mit Kohleeinlagerungen (b) Lochfraß-Korrosion mit Metallverlusten an einem Blech

Die Reaktionssequenz beim „metal dusting“ umfasst folgende Stufen: 1. Oberflächennahe Übersättigung der metallischen Matrix mit Kohlenstoff 2. Bildung von Metallkarbiden vom Typ M3C an der Metalloberfläche 3. Zerfall der Metallkarbidschicht nach M3C = 3M + C Quelle: J. C. Nava Paz and H. J. Grabke: Metal Dusting. Oxidation of Metals, Vol. 39, Nos. 5/6, 1993

21

Werkstoffentwicklung

Keramische Werkstoffe für Ofenauskleidung

Metallische Werkstoffe für hochbeanspruchte Düsen

• Legierungen für Abhitzekessel und Heißgasreinigung

•

Keramische Wärmetauscher Perowskite zur Sauerstoffbereitstellung 22

Energierohstoffforschung an der TU Bergakademie Freiberg

Lagerstätte

Gewinnung

Veredlung

Aufbereitung

Recycling

Petrographie Erkundung & Gewinnung Mechano-Chemische Niedertemperatur-Konversion Thermo-Chemische Niedertemperatur-Konversion Hochtemperatur-Konversion Synthesen Wasserstoff Modellierung von Hochtemperaturprozessen Hochtemperatur-Werkstoffe Chemische Strukturaufklärung Energie- und Rohstoffstrategische Betrachtungen

23

Energie- und Rohstoffstrategie

Kohlestrom

2012

2020

2030

2050

• Derzeit dominiert Verstromung • 2012 in Deutschland1 814 Mio. t CO2 1

TREIBHAUSGASAUSSTOSS IN DEUTSCHLAND 2012 - Vorläufige Zahlen aufgrund erster Berechnungen und Schätzungen des Umweltbundesamtes. Februar 2013

24

Energie- und Rohstoffstrategie

Kohlestrom

2011

2020

2030

2050

• Bis 2050 Absenkung der CO2-Emission um 80-95 % gegenüber 1990

25

Energie- und Rohstoffstrategie

Erneuerbare Erneuerbare Energien Energie

Kohlestrom

2011

2020

2030

2050

• Zukunft der Energieversorgung – Kohle und Erneuerbare Energien • „Dekarbonisierung“ der Stromerzeugung 26

Energie- und Rohstoffstrategie

Erneuerbare Energie

Kohlestrom

???

2011

2020

2030

2050

• Ablösung der Kohle aus der Strom- und Wärmeversorgung • Bedarf an Konzepten für die am Strommarkt frei werdende Kohle 27

Energie- und Rohstoffstrategie

Erneuerbare Erneuerbare Energien Energie

Kohlestrom

C-Produkte

2011

2020

2030

2050

• Kohle als alternative Kohlenstoffquelle zu Erdöl und Erdgas • Herstellung von 8,6 Mio. t/a Olefinen (Ethylen und Propylen) mit ca. 16 Mio. t Rohöl • Alternative Herstellung der Olefine mit 71 Mio. t. Rohbraunkohle möglich 28

Höhere Wertschöpfung bei sinkenden CO2 Emissionen

83-125 €/t 75 €/t

Strom

Neue Synthesen unter Einkopplung von EE-H2 Wertschöpfung

Methanol, Propylen, Olefine

C-Produkte

Kohlestrom CO2-Emissionen 100 % 60 %

CO2-arme Kohlechemie 0%

29

Energiewende und Rohstoffwende

Rohstoffwende

sekundär/nachw. primär

Rohstoffe

A + B = C + D ± Energie

Low Carbon Economy

Energiewende

Kohlenstof f-intensive Wirtschaft

erneuerbar

fossil

Energie

30

Ressourcenwende

Stoff

primär

sekundär

Low Carbon Economy

En Tr er an gi s e, fo C rm he m at ie io ,M n et vo al n lu rg ie

Rohstoffwende

sekundär/nachw. primär

Rohstoffe

Ressourcenwende

Energiewende

Kohlenstoff -intensive Wirtschaft

Energie

fossil erneuerbar

fossil

Energie

1. 2. 3. 3. 4.

erneuerbar

Nutzung

Senkung von Rohstoff- und Primärenergieverbrauch - Weniger verbrauchen, mehr nutzen! Ressourceneffizienz: Steigerung von Energie- und Stoffeffizienz Energiewende: Übergang von fossilen zu erneuerbaren Energien Rohstoffwende: Übergang von primären zu sekundären/nachwachsenden Rohstoffen Ressourcenwende: Transformation von energetischer zu stofflicher Nutzung

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Vision

A B C D

Kohlendioxid aus Kraftwerken als Rohstoff Erneuerbare Energien – Schlüssel für innovative Stofftransformation Hochwertige Veredelungsstufen für die Biotechnologie Entlastung und Stabilisierung der Stromnetze

Innovative Stofftransformationstechnologien Maßgeschneiderte Synthese- und Recyclingprozesse Hochwertige und hoch-energiehaltige Chemikalien und Metalle

I II III

32