Verwertung von co2

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.

2Nazmi Hamdan

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


3Nazmi Hamdan

• 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

Stand: 2012-03-29

Gliederung

Einleitung

CCS

Verwertung von CO2

Fazit und Ausblick

Quelle: United States Department of Energy - Simplified Global Carbon Cycle


5Nazmi HamdanStand: 2012-03-29

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


6Nazmi Hamdan

CO₂-Vermeidungs- und Verwertungsstrategie

Stand: 2012-03-29

Verwertungskriterien:1. Wertschöpfung2. Fixierungsmenge (Mt CO2 pro Mt Produkt)3. Fixierungsdauer (Jahrzehnte oder weniger)

Gliederung

Einleitung

CCS

Verwertung von CO2

Fazit und Ausblick


7Nazmi Hamdan

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

Stand: 2012-03-29

Gliederung

Einleitung

CCS

Verwertung von CO2

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)

Stand: 2012-03-29

Gliederung

Einleitung

CCS

Verwertung von CO2

Fazit und Ausblick

Quelle: motorafondo.net


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Verwertung von CO

Stand: 2012-03-29

• 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

Einleitung

CCS

Verwertung von CO2

Fazit und Ausblick


10Nazmi Hamdan

• 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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Gliederung

Einleitung

CCS

Verwertung von CO2

Fazit und Ausblick


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Stand: 2012-03-29

• 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

Gliederung

Einleitung

CCS

Verwertung von CO2

Fazit und Ausblick


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• Polymere: durch co-polymerization von CO₂ mit homogene Katalysatoren


Stand: 2012-03-29

Gliederung

Einleitung

CCS

Verwertung von CO2

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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Gliederung

Einleitung

CCS

Verwertung von CO2

Fazit und Ausblick


14Nazmi HamdanStand: 2012-03-29

biologische Verwertung: t CO2/a

Gliederung

Einleitung

CCS

Verwertung von CO2

Fazit und Ausblick

Quelle: Dr. Martin Lohrmann, Konzernforschung Antriebsenergie


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Energiebedarf von Algen zur Kraftstoffgewinnung

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Gliederung

Einleitung

CCS

Verwertung von CO2

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

Stand: 2012-03-29

Gliederung

Einleitung

CCS

Verwertung von CO2

Fazit und Ausblick


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biologische Verwertung: t CO2/a

Makroalgen• keine weitere Erhöhung der Produktionsrate bei hoher CO2-Konzentration

Stand: 2012-03-29

Gliederung

Einleitung

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

Stand: 2012-03-29

Gliederung

Einleitung

CCS

Verwertung von CO2

Fazit und Ausblick

1)

3)

2)

Quelle: schweizerische chemische GesellschaftQuelle: stanford.edu

Quelle: stanford.edu


19Nazmi Hamdan

innovativer Lösungsansätze

Stand: 2012-03-29

Gliederung

Einleitung

CCS

Verwertung von CO2

Fazit und Ausblick

Quelle: Det Norske Veritas (2011)


20Nazmi Hamdan

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

Stand: 2012-03-29

Gliederung

Einleitung

CCS

Verwertung von CO2

Fazit und Ausblick


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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

Stand: 2012-03-29

Gliederung

Einleitung

CCS

Verwertung von CO2

Fazit und Ausblick


22Nazmi Hamdan

Vielen Dank für Ihr Interesse!

Stand: 2012-03-29

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