Síla na kapalinu

Termín Power to Liquid (PtL) znamená přeměnu elektrického proudu na kapalné palivo. Proces PtL je řada různých dílčích procesů. Tento proces se dosud nepoužívá v průmyslovém měřítku, ale potenciálně umožňuje dodávku paliva z obnovitelné elektřiny pro odvětví, která se neobejdou bez kapalného paliva (např. Letectví).

Obrázek níže ukazuje nejběžnější kombinaci kroků procesu; existují však také různé kombinace.

Popis dílčích procesů mezi elektřinou a kapalinou

popis procesu

Výroba elektřiny

Vzhledem k tomu, že elektřina je homogenní zboží, lze při výrobě PtL použít jakýkoli druh elektřiny. Těžba PtL z fosilních paliv by však nebyla ekonomicky ani ekologicky rozumná kvůli mnoha konverzním krokům a ztrátám. Totéž platí pro výrobu PtL z přeměny biomasy na elektřinu . Ekologický smysl má pouze výroba z obnovitelných energií (větrná, sluneční, vodní), tj. Z elektricky generovaného zeleného vodíku . Těžba PtL na základě současné skladby elektřiny ve Spolkové republice Německo by vedla pouze k mírnému snížení emisí CO2 ve srovnání s těžbou stejného množství paliva z fosilní ropy .

Při dodávce energie do procesu PtL je třeba poznamenat, že procesy syntézy probíhající na konci procesního řetězce v ideálním případě probíhají nepřetržitě, ale větrná a sluneční energie jsou k dispozici pouze v závislosti na denní době a povětrnostních podmínkách. Pokud nelze elektřinu vyrábět výlučně z vodní energie, musí být její výkyvy vyrovnávány.

elektrolýza

Elektrolýza je chemické rozdělení látky na její složky dodáváním energie ve formě elektrického proudu. Elektrolýza typický proces PTL je elektrolýzy vody , ve které voda (H 2 O ) je rozdělena do jeho složek vodíku (H 2 ) a kyslík (O 2 ).

Existují tři hlavní formy elektrolýzy:

  • Alkalická elektrolýza
  • PEM elektrolýza
  • Vysokoteplotní elektrolýza

Alkalické elektrolyzéry používají porézní separátor, který fyzicky odděluje plyny vodík a kyslík, ale stále umožňuje výměnu kapalného elektrolytu. Jedná se o nejstarší formu elektrolýzy a v průmyslovém měřítku se používá přibližně jedno století. V současné době se tyto alkalické elektrolyzéry používají hlavně pro elektrolýzu alkalických chlorů za účelem získání chloru a hydroxidu sodného. Když se používají k výrobě vodíku, jejich účinnost přeměny je kolem 66%. Do určité míry můžete pružně reagovat na výkyvy napájení, ale v tomto bodě jsou omezené (rozsah zatížení mezi 15 a 100%, reakční doba pro studené starty přibližně 50 minut).

Elektrolýza PEM (Proton Exchange Membrane) sahá až k výzkumu od 70. let. Název je odvozen od skutečnosti, že elektrolytický článek PEM má proton-vodivou membránu. Jedná se o plynotěsný pevný elektrolyt, který izoluje anodu od katody, ale uzavírá elektrický obvod prostřednictvím selektivní vodivosti pro kationty. Účinnost přeměny je podobná jako u alkalické elektrolýzy. Výhodou PEM elektrolýzy je její větší flexibilita při částečném zatížení, která se teoreticky pohybuje od 0 do 100%, se spodní hranicí přibližně 5% jmenovitého výkonu v důsledku předpokládané vnitřní spotřeby periferních komponent v praxi. Startovací čas pro studený start je přibližně 10 minut, doba od pohotovostního do jmenovitého výkonu je pouze 10 sekund.

Vysokoteplotní elektrolýza (HTES - High Temperature Electrolýza páry ) se v současné době (kolem roku 2016) dosud ve velkém měřítku nepoužívá, ale je spíše předmětem základního výzkumu. Při vysokoteplotní elektrolýze se část energie potřebné k rozdělení vody dodává tepelně. Tento proces pracuje s teplotní úrovní 800 až 1 000 ° C. Díky vysokým teplotám zvládá vysokoteplotní elektrolýza výrazně nižší napětí článků než ostatní elektrolýzní procesy a dosahuje tak vysokých účinností souvisejících s proudem. Tato vysoká (elektrická) účinnost přeměny (kolem 80%) je hlavní výhodou vysokoteplotní elektrolýzy - ztráty při přeměně jsou jen asi o polovinu vyšší než u jiných elektrolýzních procesů. Této elektrické účinnosti lze však v praxi dosáhnout pouze tehdy, když požadovaná vysoká teplota nemusí být generována samotnou elektřinou, ale je zajištěna jiným způsobem. Pokud následná syntéza probíhá na stejném místě jako elektrolýza, může být jako zdroj tepla použito odpadní teplo z procesu syntézy, ale v případě extrakce CO 2 z okolního vzduchu konkuruje souvisejícím energetickým požadavkům.

Hlavní nevýhodou vysokoteplotní elektrolýzy je její nízká flexibilita. Zapínání a vypínání elektrolyzérů a související výkyvy teploty vedou k vysokému zatížení článků, což drasticky zkrátí životnost a v případě nerovnoměrného rozběhu modulu (zásobníku) elektrolýzy může vést k přímému zničení buňky. Chování při částečném zatížení vysokoteplotní elektrolýzou také není příliš dynamické. Je proto vhodný zejména pro situace s nepřetržitým napájením, např. B. vodní energií.

Dodávka CO 2

Kromě energie a vody je CO 2 třetím základním vstupním faktorem pro proces PtL. CO 2 je přítomen prakticky všude v atmosféře , ale pouze ve velmi nízké koncentraci 0,04%. Proto přímá extrakce ze zemské atmosféry vyžaduje průchod velmi velkého množství vzduchu, a je proto odpovídajícím způsobem složitá. Zásadně jednodušší typ je extrakce z výfukových plynů stacionárních zářičů, ve které je CO 2 obsažen v mnohem větších poměrech.

Těžba CO 2 z výfukových plynů stacionárních zářičů

Nejdůležitější stacionární zářiče jsou uvedeny v tabulce 1.

Tabulka 1: Stacionární zdroje CO 2 ve Spolkové republice Německo, 2016

Průmysl Množství CO 2 za rok (miliony tun) Poznámky
Lignitové elektrárny 159 Téměř nepřetržitý provoz
Elektrárny na černé uhlí 96 Zlevněný provoz
Ocelářský průmysl 57
Rafinerie minerálních olejů 23
Cementářský průmysl celkem 23
Cementářský průmysl díky energii 11 Vysoký podíl alternativních paliv
Cementářský průmysl kvůli surovinám 12
Vápenný průmysl celkem 8.
Energetický vápenný průmysl 5
Vápenný průmysl díky surovinám 3
Celková produkce amoniaku 6. Téměř nepřetržitý provoz
Procesní plyn na výrobu amoniaku CO 2 4. místo Stupeň čistoty 99,5%
Energetická výroba amoniaku (spaliny) 2
Sklářský průmysl 4. místo Téměř nepřetržitý provoz
Biologické zdroje CO 2
Bioplynové stanice 1 Distribuováno napříč stovkami systémů
Fermentace biologického odpadu 0,3
Čistírny odpadních vod 0,8 Distribuováno napříč stovkami systémů
Výroba bioethanolu 1

Zdaleka největší část průmyslových emisí CO 2 je způsobena spalováním za účelem výroby energie, a to buď k výrobě elektřiny v elektrárně, nebo k výrobě procesního tepla (např. Ve vysokých pecích nebo při výrobě skla). Tyto spaliny nevyhnutelně mají vysokou úroveň kontaminace sazemi, dusíkem nebo jinými neúplnými spalinami. Pokud se používají fosilní paliva obsahující síru, musí se také počítat s přítomností síry a sloučenin síry ve výfukových plynech.

Pouze relativně malá část emisí CO 2 je způsobena povahou surovin, a proto je nevyhnutelná. Největší množství těchto emisí CO 2 se vyskytuje v cementářském průmyslu s přibližně 12 miliony tun ročně. Stupeň čistoty těchto emisí CO 2 má tendenci být výrazně vyšší. Je největší ve výrobě amoniaku, kde je CO 2 díky procesu téměř čistý (99,5%).

Jako produkt přirozeného biologického rozkladu se CO 2 vyskytuje v zařízeních na výrobu bioplynu, fermentaci bioodpadu, čistírnách odpadních vod a při výrobě bioethanolu. Tento CO 2 má také velmi vysoký stupeň čistoty. Absolutní roční množství je však celkem malé, celkem 3 miliony tun CO 2 a stechiometricky odpovídá pouze uhlíkovému ekvivalentu jednoho milionu tun petroleje. Kromě toho je tento CO 2 lokálně distribuován napříč stovkami systémů.

Celkově jsou emise CO 2 způsobené surovinami nebo rozkladem přibližně 22 milionů tun ročně, což odpovídá stechiometricky přibližně 7 milionům tun petroleje nebo motorové nafty. Emise CO 2 související se spalováním jsou více než desetinásobné.

Extrakce CO 2 z atmosféry

Těžba CO 2 z atmosféry byla zkoumána již v 90. letech v rámci projektu státu Bádensko-Württembersko a v současné době se jí věnují různí předsedové a startupy. Jedním z příkladů je švýcarská společnost Climeworks, která již v Hinwilu provozuje dva takové systémy. V těchto systémech je vzduch nasáván čerpadly a prochází filtrem, ve kterém je chemicky vázán CO 2 . Když je filtr plný, zahřeje se na přibližně 100 ° C, čímž se uvolní CO 2 z chemické vazby a dá se k dispozici pro další kroky procesu. Tato první z těchto elektráren je v provozu od května 2017 a je schopna generovat 900 tun CO 2 ročně. Mezi další společnosti působící v této oblasti patří Carbon Engineering a Global Thermostat.

Výroba syntézního plynu

V typickém procesu PTL, vodík se nejprve generuje a poté se spojí s CO 2 . Nicméně, CO 2 je inertní a musí být převedeny na CO pro následující krocích syntézy. Tento procesní krok je znám jako reverzní reakce posunu vodního plynu. Výsledkem je syntetický plyn vyrobený z vodíku a CO, ideálně ve stechiometrickém poměru 2: 1.

Na rozdíl od toho vysokoteplotní elektrolýza a proces STL (solární na kapalné) přeměňují vodu a CO 2 na vodík a CO v jediném kroku. V případě vysokoteplotní elektrolýzy k tomu dochází jako ko-elektrolýza pomocí vodní páry a v případě procesu STL přímo solárním ohřevem vody a CO 2 . Výhodou tohoto přístupu jsou nižší ztráty při přeměně ve srovnání se sekvenčním postupem a skutečnost, že tyto dvě reakce (elektrolýza a reverzní reakce posunu vodního plynu) probíhají v jednom reaktoru, což snižuje výdaje na zařízení.

Syntéza a zpracování na petrolej

Pro výrobu kapalných paliv ze syntetického plynu jsou známy tři alternativní přístupy.

Fischer-Tropschova syntéza

Nejznámějším a nejrozšířenějším přístupem je Fischer-Tropschova syntéza . Tento proces byl vyvinut již v roce 1925 v Institutu pro výzkum uhlí Kaisera Wilhelma jako proces výroby paliv z uhlí a v následujících desetiletích byl dále rozvíjen a používán ve velkém měřítku. Ve druhé světové válce to mělo zvláštní význam, protože dovoz ropy pro zásobování německých rafinérií byl kvůli válce možný pouze v omezené míře, a proto si dodávky německých ozbrojených sil vyžadovaly přechod na syntetická paliva.

S dostupností levné ropy po skončení druhé světové války se rafinace ropy stala levnější alternativou, takže výroba syntetických paliv skončila. Jedinou výjimkou byla Jihoafrická republika, kde se počátkem padesátých let začal budovat průmysl, který přeměňoval jihoafrické uhlí na kapalná paliva. Hlavním faktorem v expanzi tohoto odvětví bylo globální embargo proti jihoafrickému režimu apartheidu a související problémy s dovozem ropy v 80. letech. V závodech Fischer-Tropsch, které pro to postavila jihoafrická společnost Sasol ( Suid Afrikaanse Steenkool en Olie ), se petrolej poprvé vyráběl také z uhlí.

Ačkoli byl Fischer-Tropschův proces původně vyvinut pro konverzi uhlí, dnes se používá hlavně pro konverzi zemního plynu, zejména v Kataru a Malajsii. Byly učiněny různé pokusy o použití procesu přeměny biomasy, nejprve asi před deseti lety společností Choren , ale zatím to nebylo úspěšné. V současné době probíhají dva další pokusy o extrakci FT petroleje z biomasy prostřednictvím projektů amerických společností Fulcrum (vstupní materiál: domácí odpad) a Red Rocks (vstupní materiál: dřevo), jejichž závody mají podle plánu zahájit výrobu FT petroleje z roku 2021.

Proces Fischer-Tropsch je zavedený proces, který se již průmyslově používá ve velmi velkém měřítku. Největší závody Fischer-Tropsch na světě jsou v současné době elektrárny Pearl Consortium v ​​Kataru s roční produkcí kapalného paliva 95 milionů tun, jejichž výstavba si vyžádala investice ve výši 24 miliard USD. Existuje několik velkých účastníků trhu se znalostmi výstavby závodů Fischer-Tropsch, zejména Shell (partner v konsorciu Pearl) a Sasol. Tento typ systému je však spojen s velmi vysokými fixními náklady a lze jej proto provozovat pouze ekonomicky ve velmi velkém měřítku. Aby bylo možné využívat suroviny i z menších zdrojů (např. Z jednotlivých bioplynových stanic), vyvinuly jednotlivé výzkumné instituce ve spolupráci se startupy procesy, které jsou navrženy pro využití malých zdrojů. Klíčovými hráči zde jsou anglická společnost Velocys a německá společnost Ineratec, spin-off KIT .

Ve Fischer-Tropschově procesu se syntetický plyn převádí na vosky s velmi odlišnou délkou řetězce pomocí železných nebo kobaltových katalyzátorů, čímž lze do určité míry upravit distribuci délky uhlovodíkových řetězců. Vosky se poté dále zpracovávají na kapalná paliva izomerací a hydrokrakováním.

Syntéza methanolu

Při syntéze methanolu se syntézní plyn převádí na methanol za použití katalyzátorů na bázi mědi, zinku nebo oxidu hlinitého. Tento procesní krok byl před několika desítkami let testován společností Mobil a lze jej považovat za obecně známý. Společnost Carbon Recycling International již provozuje zařízení na přeměnu CO 2 a vody na methanol. Tento závod byl uveden do provozu v roce 2012 a má roční kapacitu 4 000 tun, a má proto spíše demo charakter. Společnost však nabízí technologická řešení pro závody na výrobu methanolu s roční kapacitou 50 000 až 100 000 tun methanolu. Dalšími hráči v této oblasti jsou Thyssenkrupp a Mitsubishi Hitachi. Výhodou syntézy methanolu ve srovnání s Fischer-Tropschovou syntézou je vyloučení kroku reverzního posunu vodního plynu a souvisejících energetických ztrát.

Syntéza alkoholu

Při syntéze alkoholu je prvním procesním krokem katalytická přeměna syntézního plynu na vyšší alkoholy, jako je ethanol , propanol nebo butanol . Tento přístup v současné době zkoumají švédská biopaliva.

Riziko záměny s jinými procesy

Nesmí být zaměňována s přístupem PtL jsou přístupy, ve kterých se sluneční záření používá přímo k výrobě kapalných paliv bez předchozí výroby elektřiny. Zejména anglický výraz „solar power“ (solární energie) může vést k záměně s výrobou z „power“ (elektřiny). Popis takového procesu, který souvisí také s obnovitelnými energiemi, lze najít například v časopise Scientific American , kde na konci března 2012 článek s názvem „Mikroby pomáhají přeměňovat sluneční energii na kapalné palivo“ (Solar Power to Liquid Fuel). Popisuje integrovaný elektrobikrobiální bioreaktor , o kterém se říká, že je schopen používat geneticky modifikovaný Ralstonia eutropha k výrobě různých kapalných butanolů, jako je 1-butanol , které jsou vhodné jako palivo. Jedná se o zcela odlišný proces od výroby PtL.

Dalším přístupem je přístup StL (Solar to Liquid). Přístup sluneční energie k tekutinám je v současné době zkoumán hlavně na ETH Curych (křeslo profesora Steinfelda). Koncepčně je přístup soustředit sluneční světlo pomocí parabolických zrcadel v jednom bodě, a dosáhnout tak v tomto bodě teploty 1 500 ° C, při které se voda a CO 2 přemění přímo na syntézní plyn skládající se z vodíku a CO. Výhodou tohoto procesu je, že zamezuje ztrátám přeměny, ke kterým dochází v procesu PtL zpočátku během výroby energie a poté během elektrolýzy. Tyto ztráty přeměnou jsou značné, protože běžné solární kolektory přeměňují méně než 20% přicházející sluneční energie na elektřinu a k dalším ztrátám přeměny až 33% dochází při následné elektrolýze vyrobené elektřiny. Naproti tomu svazkování slunečních paprsků zrcadly je spojeno pouze s malými ztrátami; hmotnost rozptýlené sluneční energie může být použita k dosažení požadovaných vysokých teplot. Nevýhodou metody je složitá mechanika pro neustálé sledování zrcadel, která je nezbytná k neustálému udržování zaostření navzdory neustále se měnící poloze slunce. Další nevýhodou je, že tato metoda je založena výhradně na sluneční energii; Kompenzace za období s malým slunečním svitem pomocí větrné energie není u této metody možná, na rozdíl od elektřiny.

Na střeše ETH Curych existuje laboratorní systém pro koncept StL. Tento systém je provozován nepřetržitě a produkuje kapalné palivo v rozsahu mililitrů (přibližně 100 ml denně). Desetkrát větší závod se nachází v Móstoles ve Španělsku. Byly navrženy výrazně větší systémy, zejména rozsáhlý systém ve Španělsku, ale dosud nepokročily nad rámec stavu papírových studií.

Investice

V dubnu 2012 uvedla společnost Carbon Recycling International (CRI) na Islandu do provozu na Islandu elektrárnu na výrobu elektřiny o objemu 8 milionů eur s kapacitou 1,3 milionu litrů ročně. V roce 2015 společnost CRI rozšířila systém na více než 5 milionů litrů ročně. Závod, pojmenovaný po Georgovi Olahovi , měl zpočátku používat 4500 tun CO 2 ročně a produkovat tak methanol . CO 2 i elektrická energie pocházejí ze sousední elektrárny Svartsengi .

Viz také

literatura

webové odkazy

Individuální důkazy

  1. ↑ a b Kompetenční centrum pro klima a ochranu proti hluku v letovém provozu, CENA Hesensko: Zohlednění a výhled technologií pro výrobu „Power-to-Liquid“ (PtL) . 2020 ( cena-hessen.de ).
  2. ↑ Bullerdiek, N .; Buse, J.; Dögnitz, N .; Feige, A.; Halling, A.-M.; Hauschild, S .; Hawighorst, P .; Kaltschmitt, M.; Kuchling, T.; Kureti, S.; Majer, S .; Marquardt, C.; Müller-Langer, F .; Nováček, U; Oehmichen, K.; Pechstein, J.; Posselt, D.; Scheuermann, S.; Schripp, T.; Stein, H.; Zschocke, A.: Využití Multiblend-JET-A-1 v praxi. Shrnutí výsledků modelového projektu strategie mobility a pohonných hmot. Německé výzkumné středisko pro výzkum biomasy DBFZ, nezisková GmbH, Lipsko, 2019, s. Kapitola 9.2 .
  3. ↑ a b Philipp Lettenmeier: Účinnost - elektrolýza . In: Siemens Whitepaper . Ledna 2019, s. 5 .
  4. ↑ a b c Smolinka / Wiebe, Sterchele / Palzer / Lehner / Jansen / Kiemel / Miehe / Wahren / Zimmermann.: Studie IndWEDe: Industrializace vodní elektrolýzy v Německu: Příležitosti a výzvy pro udržitelný vodík pro dopravu, elektřinu a teplo. Berlín 2018.
  5. ↑ a b c d e f g h i Simon Lechleitner: Holistický pohled na výrobu paliva z elektřiny včetně zdrojů CO2 s využitím případové studie Německo. Mittweida 2016, s. 16 .
  6. ^ B Agora Verkehrswende, Agora Energiewende a Frontier Economics: The Future náklady na výrobu elektřiny na bázi syntetických paliv . 2018, s. 61-62 .
  7. ↑ a b Florian Ausfelder a Hanna Dura (eds.): Možnosti udržitelného energetického systému s technologiemi Power-to-X - 2. cestovní mapa projektu Kopernikus „Power-to-X“ . Oddíl 7.2. Edice. Frankfurt nad Mohanem 31. srpna 2019, s. 131 (Byl zvážen případ teplotních rozdílů v přední a zadní části zásobníku 50 až 100 ° C.).
  8. ↑ a b Specht / Bandi / Elser / Heberle / Maier / Schaber / Weimer: recyklace CO2 pro výrobu methanolu; Závěrečná zpráva státu Bádensko-Württembersko. Červenec 2020, s. 74 .
  9. ↑ Climeworks otevírá první komerční systém filtrů CO2 na světě. 27. června 2017, zpřístupněno 11. ledna 2021 (německy).
  10. ↑ Reverzní změna klimatu odstraněním CO2 ze vzduchu. Citováno 11. ledna 2021 .
  11. ↑ Valentin Batteiger / Christoph Falter / Andreas Sizmann: Perspektivy a udržitelnost rozsáhlého poskytování CO2 pro výrobu syntetického tryskového paliva. Prezentace na 9. summitu o využití oxidu uhličitého. Reykjavík 19. října 2017, s. 19 .
  12. ↑ Technologie přímého zachycení vzduchu. Citováno 11. ledna 2021 .
  13. ↑ a b c d Reinhard Rauch / Hermann Hofbauer / Ulf Neuling / Martin Kaltschmitt: Výroba biokerosenu z biochemické a termochemické přeměny biomasy a následné syntézy Fischer-Tropsch . In: Martin Kaltschmitt / Ulf Neuling (eds.): Biokerosene - Status and Prospects . Heidelberg 2018, s. 505 .
  14. ↑ ASTM D7566, příloha 1 .
  15. ↑ Bullerdiek, N .; Buse, J.; Dögnitz, N .; Feige, A.; Halling, A.-M .; Hauschild, S .; Hawighorst, P .; Kaltschmitt, M.; Kuchling, T.; Kureti, S.; Majer, S .; Marquardt, C.; Müller-Langer, F .; Nováček, U; Oehmichen, K.; Pechstein, J.; Posselt, D.; Scheuermann, S.; Schripp, T.; Stein, H.; Zschocke, A.: Využití Multiblend-JET-A-1 v praxi. In: Shrnutí výsledků modelového projektu strategie mobility a pohonných hmot. Německé výzkumné středisko pro výzkum biomasy DBFZ, nezisková GmbH. Lipsko, S. Kapitola 11.1 .
  16. ↑ Podvýbor ASTM D.02.J pro letecká paliva, hlasování 24. února, hlasovací položka 45, WK69614 .
  17. ^ B Schmidt, Patrick / Batteiger, Valentin / Roth, Arne / Weindorf, Werner / Raksha, Tetyana: Výkon na kapaliny jako obnovitelné palivo Doplněk pro letectví: recenze . In: Chemický inženýr technologie . páska 90 (1–2) , 2018, s. 127-140 .
  18. ↑ Technologie a služby. Citováno 11. ledna 2021 (americká angličtina).
  19. ^ Telefonické informace ze švédských biopaliv
  20. ^ Fosilní zdarma: Mikrob pomáhá přeměňovat sluneční energii na kapalné palivo. Citováno 11. ledna 2021 .
  21. ↑ a b c Sluneční světlo a vzduch produkují benzín. Citováno 11. ledna 2021 .
  22. ↑ Informace z ETH Curych
  23. ↑ Informace z ETH Curych
  24. ↑ chemical-technology.com: George Olah CO2 do závodu na obnovitelné zdroje methanolu, Reykjanes, Island , přístup k 15. říjnu 2013.