Techno-ökonomische Bewertung von Verfahren zur Herstellung von Kraftstoffen aus $H_{2}$ und $CO_{2}$

  • Techno-economic assessment of processes for the production of fuels from $H_{2}$ and $CO_{2}$

Schemme, Steffen; Stolten, Detlef (Thesis advisor); Wirsum, Manfred (Thesis advisor)

Jülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zenralbibliothek, Verlag (2020)
Buch, Doktorarbeit

In: Schriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt/Energy & environment 511
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (360 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Power-to-Fuel-Technologien und die damit hergestellten sogenannten Elektrokraftstoffe sind zahlreichen Studien zu Folge für eine zukünftig weitgehend CO2-neutrale Energieversorgung unverzichtbar. Der wissenschaftliche Beitrag dieser Arbeit ist die Beantwortung der Frage, wie technisch ausgereift, energie- und kostenintensiv unterschiedliche Power-to-Fuel-Konzepte verglichen miteinander sind. Dafür wurden H2-basierte Herstellungsverfahren elf verschiedener normgerechter Verkehrskraftstoffe techno-ökonomisch gegenübergestellt. Der methodische Fokus liegt auf der Homogenität der Berechnungen zur Gewährleistung der Vergleichbarkeit sowie auf den verfahrenstechnischen Auslegungen, um an dieser Stelle technisch und wissenschaftlich fundierte Werte und fachkundige Aussagen liefern zu können. Die simulationsgestützte und dadurch verfahrenstechnisch robuste Analyse erfolgte mit Hilfe des Programms Aspen Plus®. So wurden produktionstechnische Möglichkeiten sowie Potenziale aufgezeigt und Effizienzen sowie Kosten bestimmt. Für die verfahrenstechnischen Analysen wurden alle erforderlichen Chemieanlagen in Aspen Plus® entworfen, wobei technisch bereits etablierte Verfahren adaptiert und fehlende Teilprozesse bzw. Syntheserouten neu entwickelt wurden. Dazu zählen beispielsweise völlig neu entwickelte Verfahrenskonzepte zur H2-basierten Synthese höherer Alkohole. Anschließend wurden alle Teilprozesse vielversprechender Syntheserouten basierend auf H2 und CO2 simulationsgestützt technoökonomisch analysiert, bewertet und gegenübergestellt. Die Vergleichbarkeit der Simulationen und Berechnungen ist durch die Wahl identischer Annahmen und Randbedingungen gewährleistet. Die Simulationsmodelle wurden modular aufgebaut, ein validiertes physico-chemisches Modell zur Beschreibung fehlender Stoffsysteme in die Prozesssimulationssoftware Aspen Plus® implementiert und alle Stoffumwandlungs- und Stofftrennvorgänge zur Bestimmung des Betriebsmittelaufwandsausgelegt. Um ein realistischeres Bild zu erhalten ist die Wärmeintegration der Prozesse bzw. Syntheserouten an gängige Betriebsmittel eines Verbundstandorts gebunden und wurde nicht ideal via Pinch-Analyse durchgeführt. Die Produkte erfüllen weitestgehend heutige Kraftstoffnormen. Alle entworfenen Verfahrenskonzepte haben keine Nebenprodukte außer Wasser, da auch eigentlich nicht rückführbare Nebenprodukte der Reaktionen mit Hilfe von Reformern zu Synthesegasumgewandelt und so rückverwertet werden. Somit sind die Verfahrenskonzepte auch für den großskaligen Einsatz geeignet. Die Empfindlichkeit der Ergebnisse auf die getroffenen Annahmen und Randbedingungen wurde mittels Sensitivitätsanalysen bewertet. Die Arbeit soll mit dem ganzheitlichen Bild von Verfahren und Produkten eine robuste Grundlage sowohl für Eingliederungen von Power-to-Fuel-Konzepten in Simulationen zukünftiger Energiesysteme und Energieversorgungsstrategien als auch für die Wahl von Elektrokraftstoffen für eine zukünftig im besten Fall CO2-neutrale Mobilität liefern.

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