Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik - · PDF fileFischer-Tropsch-Synthese: vom...

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  • Lehrstuhl CHEMISCHE VERFAHRENSTECHNIK

    UNIVERSITT BAYREUTH

    Lehrstuhl fr Chemische Verfahrenstechnik

    Zentrum fr Energietechnik

    Universitt Bayreuth

    Herstellung flssiger Kraftstoffe aus CO2 und regenerativ

    erzeugtem Wasserstoff durch Fischer-Tropsch-Synthese

    Andreas Jess

    Tagung "Vernetzte Energieforschung: Verwertung ungenutzter Energiestrme

    Universitt Bayreuth, Zentrum fr Energietechnik (ZET), 3.4.2014

    Entdeckung durch

    Franz Fischer 1922

    Kohle(vergasung) CO + H2 Benzin/Diesel

  • Lehrstuhl CHEMISCHE VERFAHRENSTECHNIK

    UNIVERSITT BAYREUTH

    Sind fossile Energietrger bald (z.B. in 50 Jahren) erschpft?

    Konzept eines Prozesses H2 + CO2 Diesell/Kerosin + O2

    Warum CO2 als Rohstoff fr Kohlenwasserstoffe?

    Fischer-Tropsch-Synthese: vom Labor zu den Basisdaten einer techn. Anlage

    Herstellung flssiger Kraftstoffe aus CO2 und regenerativ

    erzeugtem Wasserstoff durch Fischer-Tropsch-Synthese

    Potentielle CO2-Quellen und -Senken?

  • Lehrstuhl CHEMISCHE VERFAHRENSTECHNIK

    UNIVERSITT BAYREUTH

    Sind fossile Energietrger bald (z.B. in 50 Jahren) erschpft?

    Konzept eines Prozesses H2 + CO2 Diesell/Kerosin + O2

    Warum CO2 als Rohstoff fr Kohlenwasserstoffe?

    Fischer-Tropsch-Synthese: vom Labor zu den Basisdaten einer techn. Anlage

    Herstellung flssiger Kraftstoffe aus CO2 und regenerativ

    erzeugtem Wasserstoff durch Fischer-Tropsch-Synthese

    Potentielle CO2-Quellen und -Senken?

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    UNIVERSITT BAYREUTH

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    1900 1920 1940 1960 1980 2000

    Factor 12

    1.7 billion people

    Year

    2010 1900

    1.0 billion toe/a

    Global population & energy consumption from 1900 until today

    Factor 4

    Nuclear

    power plant

    Personal

    computer Autobahn

    (1932)

    World

    Wide Web Powered

    airplane

    Jet

    plane

    7 billion people

    12 billion toe/a

    World population

    in 109

    Primary energy consump.

    in 109 toe/a

    80% gas, oil & coal

    7% traditional biomass

    5% nuclear, 8% renewables

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    1 2 3 4

    CO2

    Total carbon inventories of fossil fuels based on reserves (2011)

    C-mass in Gt

    Atmosphere

    today

    + 2 K = 530 Gt C*

    * 65% of total C in

    fossil fuel reserves

    CH

    CH4

    CH2

    3.4 GtC/a

    2 GtC/a

    4 GtC/a

    Consumption/a

    Reserves

    (recoverable from known reservoirs under

    current economic and operating conditions)

    Oil Coal Gas

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    600

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    1000

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    1400

    1 2 3 4

    CH

    CH4

    CO2

    Static life times of fossil fuels (2011)

    C-mass in Gt

    Atmosphere

    CH2

    today

    + 2 K = 530 Gt C*

    * 65% of total C in

    fossil fuel reserves

    3.4 GtC/a

    53 a 2 GtC/a

    59 a

    4 GtC/a

    140 a

    Static life time = Consumption/a

    Reserves

    Reserves

    (recoverable from known reservoirs under

    current economic and operating conditions)

    Oil Coal Gas

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    10000

    12000

    1 2 3 4

    Resources

    (not recoverable at

    current prices)

    CH

    CH4 CO2

    C-mass in Gt

    Atmosphere

    Reserves

    today

    Oil sand,

    oil shale

    CH2

    Permafrost conditions

    ocean depth > 500 m

    Methane

    Water

    Total carbon inventories of fossil fuels including resources (2011)

    Tight gas, coal gas shale gas

    & gas hydrates

    Oil Coal Gas

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    6000

    8000

    10000

    12000

    1 2 3 4

    CH

    CH4 CO2

    C-mass in Gt

    Atmosphere

    today

    CH2

    Fossil fuel scarcity myth:

    vast amounts of fossil fuels left

    but:

    o only small amounts located in the EU

    o most probably not at todays prices

    Fuel Range*

    Oil 50 - 170 years

    Gas 60 - 1000 years

    Coal 140 - 3000 years

    * reserves/consumption or

    (reserves + resources)/consumption

    Total carbon inventories of fossil fuels (2011)

    Resources

    Reserves

    Oil Coal Gas

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    Sind fossile Energietrger bald (z.B. in 50 Jahren) erschpft?

    Konzept eines Prozesses H2 + CO2 Diesell/Kerosin + O2

    Warum also CO2 als Rohstoff fr Kohlenwasserstoffe?

    Fischer-Tropsch-Synthese: vom Labor zu den Basisdaten einer techn. Anlage

    Herstellung flssiger Kraftstoffe aus CO2 und regenerativ

    erzeugtem Wasserstoff durch Fischer-Tropsch-Synthese

    Potentielle CO2-Quellen und -Senken?

  • Lehrstuhl CHEMISCHE VERFAHRENSTECHNIK

    UNIVERSITT BAYREUTH

    Resources

    Reserves

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    + 2 K = 530 Gt C*

    C-mass in Gt

    Atmosphere

    today

    + 2 K reached in 2100 at current

    consumption of fossil fuels.

    CO2

    Problem of CO2: Climate change, if fossil fuels are really burned

    Morteratsch-Glacier (Bernina Alps, Switzerland)

    2011 2 km

    2000 1911

    Oil Coal Gas

    *M. Faulstich: 210 Gt C

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    10000

    12000

    1 2 3 4

    + 2 K = 530 Gt C

    C-mass in Gt

    Atmosphere

    today

    + 2 K reached in 2100 at current

    consumption of fossil fuels.

    CO2

    Problem of CO2: Climate change, if fossil fuels are really burned

    The availability of fossil energy is not the problem of primary concern.

    The major problem lies in the effects caused by CO2 if they are burned.

    Resources

    Reserves

    Oil Coal Gas

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    UNIVERSITT BAYREUTH

    Challenges & problems to reduce the ecological (carbon) footprint

    practically 100 % switch to

    renewable energy, probably

    driven by solar and wind

    long term challenge (2050 and beyond): ecological footprint of 1 global earth

    2012 2050

    Cropland, grazing

    land, forest ...

    Biocapacity to

    absorb CO2

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    UNIVERSITT BAYREUTH

    Challenges & problems to reduce the ecological (carbon) footprint

    short/medium term challenges: (1) Use of CO2 released from fossil fuels

    (2) Storage & transport of electrical energy

    Way of storage Volume to store 10 MWh1 electr. energy

    Diesel oil 1 m3

    CH4,g (200 bar, 20oC) 4 m3

    H2,g (700 bar, 20oC) 6 m3

    N-Ethyl-carbazol/H2 4 m3

    Li-ion-battery 30 m3

    compr. air (20 bar) 3,400 m3

    pumped hydro2 (300 m) 14,000 m3

    1 2 to 4 h full load of wind turbine; 2 0.04 TWh = 34 min of Germanys electr. prod.

    Fluctuation of

    electricity with time Production of electricity

    far away from consumers

    practically 100 % switch to

    renewable energy, probably

    driven by solar and wind

    long term challenge (2050 and beyond): ecological footprint of 1 global earth

    2012 2050

    Cropland, grazing

    land, forest ...

    Biocapacity to

    absorb CO2

  • Lehrstuhl CHEMISCHE VERFAHRENSTECHNIK

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    Sind fossile Energietrger bald (z.B. in 50 Jahren) erschpft?

    Konzept eines Prozesses H2 + CO2 Diesell/Kerosin + O2

    Warum CO2 als Rohstoff fr Kohlenwasserstoffe?

    Fischer-Tropsch-Synthese: vom Labor zu den Basisdaten einer techn. Anlage

    Herstellung flssiger Kraftstoffe aus CO2 und regenerativ

    erzeugtem Wasserstoff durch Fischer-Tropsch-Synthese

    Potentielle CO2-Quellen und -Senken?

  • Lehrstuhl CHEMISCHE VERFAHRENSTECHNIK

    UNIVERSITT BAYREUTH

    Sources (emissions) & sinks (use) of CO2 emitted/fixed CO2 in Mt carbon/a

    Global CO2 from power plants,

    steel & cement production

    (50% of total emissions)

    + 42001

    (ca. 80% from coal)

    Chemicals based on CO2 today

    Total chemicals

    - 44 (1% of CO2 of power plants...)

    - 400 (9% of CO2 of power plants...)

    Total gaseous & liquid fuels

    for transport, heating, industry

    (gasoline, diesel, kerosene, natural gas)

    - 3.400 (79% of CO2 of power plants...)

    Potentials for utilization of CO2 beyond carbon capture & storage

    Only these sources are currently relevant for separation of CO2:

    o relative high CO2-content (> 10 %)

    o huge plants with high amounts of CO2

    1 80% power plants, 12% cement, 8% blast furnace

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    UNIVERSITT BAYREUTH

    Sources (emissions) & sinks (use) of CO2 emitted/fixed CO2 in Mt carbon/a

    Global CO2