PBTL EINE NEUE KRAFTSTOFFROUTE - POWER-AND-BIOGAS-TO-LIQUID
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Eine neue Kraftstoffroute Power-and-Biogas-to-Liquid PBtL CAPHENIA GMBH House of Logistics and Mobility (HOLM) Bessie-Coleman-Straße 7 60549 Frankfurt am Main www.CAPHENIA.com
CAPHENIA entwickelt Technologie für neue Kraftstoffrouten
Hybridkraftstoffe auf Basis von Methan, CO2 und erneuerbarem Strom
Strom Fischer-Tropsch-Synthese
Luftfahrt
CH4
CO2 CO2 minimierte
bis CO2-neutrale Schifffahrt
Kraftstoffe
H2O
Schwerlastverkehr
Methanol-Synthese
CO2-reduzierte Chemische
chemische Grundstoffe Industrie
2
PBtL reduziert den Bedarf an Strom aus erneuerbaren Energien (EE)
Verringerung der Nutzungskonkurrenz um EE und Erhöhung der Gesamtproduktionspotentiale von SAF
Stromverbrauch
bei Kraftstoff-Produktion (3) PtL (1) „Ein Power-and-Biogas-to-Liquid Verfahren hat
[MWh / t Fuel] 25,1 einen 6,4-fach geringeren Bedarf an EE-Strom
für die Produktion von Kraftstoff als ein reines
Power-to-Liquid Verfahren über rWGS.“
Prozessdesign und Physik machen dies möglich
Die einzige Energiequelle im PtL-Prozess ist der elektrische Strom.
CO2 ist energetisch wertlos. Die Energie im Kraftstoff (Kerosin ~43
MJ/kg) stammt deshalb ausschließlich aus dem Input des elektrischen
Stroms.
Der PBtL-Prozess hingegen nutzt zusätzlich CH4 (~55 MJ/kg). Damit
kann der Bedarf an Energie aus elektrischem Strom drastisch gesenkt
werden.
(1) Der Strombedarf des PtL-Prozesses ergibt sich wie folgt: 11,06 tCO2/tKerosin / 0,44
tCO2/MWhDeutscher Strommix = 25,1 MWh/ tKerosin. (1)
(2) CAPHENIA. Eigene Berechnungen.
via
PBtL (2) (3) Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. (2019). CO2-Bilanz des CAPHENIA
Prozesses.
rWGS 3,9
3
Mit PBtL/PtL können hohe CO2-Einsparungen erreicht werden
Ergebnisse einer Well-to-Wheel-Analyse der Technischen Universität Hamburg (TUHH)
THG-Emissionen in g CO2 eq/MJ Kraftstoff
„Ein Power-and-Biogas-to-Liquid Verfahren
Referenz PtL PBtL
weist einen extrem niedrigen CO2-Fußabdruck
auf und führt zu CO2-Einsparungen von 91 %
gegenüber der fossilen Referenz.“ 94 (1)
HEFA Hydroprocessed Esters and Fatty Acids
PtL Power-to-Liquid
PBtL Power-and-Biogas-to-Liquid 10 (3) 8 (3)
(1) European Parliament. (2018). Directive (EU) 2018/2001 of the European Parliament
and of the Council of 11 December 2018 on the promotion of the use of energy from
renewable sources. Fossil Wind Wind
(2) NESTE. (2004). (Conwave/Eucar WTW 2004, IFEU). Mittelwert CO2 Bioabfall
(3) TUHH. (2021). Untersuchung der Umweltauswirkungen eines Power-and-Biogas-
to-Liquid (PBtL) Prozesses zur Herstellung von erneuerbaren synthetischen
Kraftstoffen.
4
Strom
Plasma
CH4
Zone
C H2
CO2
Boudouard
Zone Wir denken Synthesegas neu
C CO H2
Durch Kombination von bestehenden Prozessen und der Nutzung
hetWGS
H2 0 unterschiedlicher Feedstocks, entsteht ein komplett neues
PBR-Syngas-Reaktor
Zone
CO H2 hocheffizientes Verfahren.
WHRU
Quench
Syngas
5Die Gewinnung von H2 aus Methan ist energetisch hoch effizient
Die Methanpyrolyse stellt eine offensichtliche Alternative zur Wasserelektrolyse dar
Feedstock Energieaufwand
zur Produktion von 1 mol H2
CH4 7,6-mal effizienter 37,5 kJ/mol Methanpyrolyse
H2O 286 kJ/mol Wasserelektrolyse
(1) Sanchez-Bastardo, N., Schlögl, R. & Ruland, H. (2020).
Methane Pyrolysis for CO2-Free H2 Production: A Green
Process to Overcome Renewable Energies Unsteadiness.
Chemie Ingenieur Technik.
https://doi.org/10.1002/cite.202000029
6CAPHENIA nutzt die Methanpyrolyse zur H2-Produktion
Drei Viertel des Wasserstoffs im neuen Synthesegas-Verfahren resultieren aus der Pyrolyse von Methan
Strom
Plasma
CH4
Zone CH4 C + 2 H2 Methanpyrolyse (1)
C H2
Es wird ein thermisches Verfahren der Methanpyrolyse eingesetzt. Eine Plasma-Lichtbogen
Technologie erlaubt die effiziente Einspeisung von thermischer Energie sowie eine
Konversionsrate >98 %.
PBR-Syngas-Reaktor
7CAPHENIA kombiniert Methanpyrolyse mit Boudouard
Dabei werden Nachteile der Einzelprozesse in einen systemischen Gesamtvorteil überführt
Strom
Plasma
CH4
Zone CH4 C + 2 H2 Methanpyrolyse (1)
C H2
C + CO2 CO + CO Boudouard-Reaktion (2)
Boudouard
CO2 Zone
C CO H2
Die Boudouard-Reaktion kann nur über hohe Temperaturen erschlossen werden.
Dieser vermeintliche Nachteil wird – durch die Kombination von Methanpyrolyse und
PBR-Syngas-Reaktor
Boudouard-Reaktion – in einen Vorteil umgewandelt.
Die, nach der Pyrolyse verbleibende, hohe thermische Energie des Kohlenstoff-Wasserstoff-
Aerosols kann durch die Boudouard-Reaktion in chemische Bindungsenergie umgewandelt
werden.
Damit entsteht ein energetisch hoch effizienter Prozess.
8CAPHENIA kombiniert hetWGS und schafft flexibles Syngas-Verfahren
Das CO:H2-Verhältnis im Synthesegas wird einstellbar
Strom
Plasma
CH4
Zone CH4 C + 2 H2 Methanpyrolyse (1)
C H2
C + CO2 CO + CO Boudouard-Reaktion (2)
Boudouard
CO2 Zone
C CO H2 C + H2O CO + H2 het. Water-Gas-Shift-Reaktion (3)
hetWGS
H2 0
PBR-Syngas-Reaktor
Zone
CO H2
9Drei bekannte Reaktionen, erstmals zusammen gedacht
Der CAPHENIA-Prozess: Eine neue Route zur Herstellung von variablem Synthesegas
CH4 C + 2 H2 Methanpyrolyse (1)
C + CO2 CO + CO Boudouard-Reaktion (2) Edukt
Produkt
C + H2O CO + H2 het. Water-Gas-Shift-Reaktion (3) C Intermediate
netto von 3 CH4 + 3 CO2 6 CO + 6 H2 (1 : 1)
über 3 CH4 + 1 CO2 + 2 H2O 4 CO + 8 H2 (1 : 2) FT-Synthese, MeOH-Synthese
bis 3 CH4 + 3 H2O 3 CO + 9 H2 (1 : 3)
Plattformtechnologie
Variabel einstellbares Syngas-Verhältnis, durch variabel einstellbares Verhältnis der Eduktzufuhr. Dadurch wird es möglich, verschiedene nachfolgende
Syntheseschritte zu bedienen. Geeignet zur Produktion von Kraftstoffen, sowie zur Herstellung von Grundchemikalien.
10Wärmerückgewinnung macht das Verfahren zusätzlich effizient
Quench verhindert Rückreaktionen
Strom Wärmerückgewinnung
Das Synthesegas besitzt nach durchlaufen der hetWGS-Stufe noch eine
Temperatur von ca. 900°C. Diese thermische Energie wird über
Plasma Wärmeübertrager rückgewonnen und für die Vorheizung der Feedstock-
CH4
Zone
Gase (CH4, CO2 und H2O) benutzt. Damit erreicht der Gesamtprozess
86%
C H2 einen Wirkungsgrad(1) von 86 %.
Boudouard Quench
CO2 Zone
Der letzte Prozessschritt beinhaltet einen sogenannten Quench. Dabei
C CO H2 wird das Synthesegas in kurzer Zeit abgekühlt, um jenen
Temperaturbereich schnell zu durchlaufen, in welchem Rückreaktionen
hetWGS
H2 0 Gesamtwirkungsgrad (z. B. Methanisierung) stattfinden können. Durch die schnelle Abkühlung
PBR-Syngas-Reaktor
Zone
werden die Rückreaktionen praktisch unterbunden.
CO H2
PBR-Syngas-Reaktor
WHRU
Quench Sämtliche Prozessschritte finden in einem einzelnen Reaktor in
verschiedenen Zonen statt.
hetWGS heterogene Wasser-Gas-Shift
PBR Plasma-Boudouard-Reaktor
Syngas
(1) Wirkungsgrad ist definiert über das Verhältnis von Energieoutput (thermisch,
chemisch) zu Energieinput (elektrisch, thermisch, chemisch)
11Physikalisch-chemische Gesetzmäßigkeiten entscheiden über Effizienz
PBtL hat das einfachere und effizientere Prozessdesign
PBtL PtL/rWGS
CH4 H2 O O2
H2 3 H2O → 3 H2 + 1,5 O2 Elektrolyse
CO2
H2 + CO2 → CO + H2O rWGS
H2O CO2 H2O
PBtL Power-and-Biogas-to-Liquid
PtL Power-to-Liquid
Wirkungsgrad: (1) Wirkungsgrad: (1) rWGS reverse Water-Gas-Shift
86 % 45 % (1) Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. (2019).
CO/2H2 Synthesegasherstellung CO/2H2 Synthesegasherstellung
CO2-Bilanz des CAPHENIA Prozesses.
Vorteil Nachteil
Kein Stoffstrom verlässt den Prozess (1) Zwei Stoffströme verlassen den Prozess. Damit verschlechtert sich die stoffliche Ausbeute,
außerdem geht dem Prozess dadurch Bindungsenergie verloren.
(2) Der Prozess benötigt zusätzliches intermediäres H2. In der rWGS-Reaktion geht H2 verloren,
bzw. es wird für die Reduktion von CO2 zu CO benötigt.
12Eine neue Kraftstoffroute mit großen Potentialen: Der PBtL-Prozess
Die Hälfte des in Deutschland getankten Kerosins könnte über PBtL bereitgestellt werden
Feedstock PBtL
Power-and-Biogas-to-Liquid
EE-Strom
Fortschrittliche Biogas
CH4
Biomasse (1) enthält
CH4 und CO2 (2)
CAPHENIA
CO2 PBR Plasma-Boudouard-Reaktor
H2 0
Industrie Rest- und Abfallstoffe
Bioabfall Haushalt und Grünland
Gülle und Festmist Fischer-
Syngas Raffinerie Kraftstoff
Getreidestroh Tropsch
(1) Fortschrittliche Biomasse nach RED II; keine nachwachsenden Rohstoffe.
Biomethanpotential (2) Das CO2 in Roh-Biogas wird sonst abgeschieden und in die Atmosphäre entlassen. Kraftstoff Potential
(3) Aus 1 Tonne Methan kann 1,107 Tonnen Kraftstoff hergestellt werden.
(4) Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH. (2015).
Ressourcendatenbank Biomassepotenzialen. DBFZ. (Berücksichtigt sind 6,174 Mio. Tonnen (3)
5,575 Mio. Tonnen (4) mobilisierbare Potentiale der Biogas-Produktion in Deutschland.) Kraftstoffproduktion
Mobilisierbares Potenzial auf Basis des PBtL-Verfahrens
131 2
Bau der ersten PBtL-
Anlage
Frankfurt/Main
3 1
CAPHENIA Anlage
2 Biogasaufbereitung
3 Fermenter
14Wir fügen bekannte Prozesse neu zusammen
Die technologische Reife des dabei neu entstehenden „Power-and-Biogas-to-Liquid“-Prozesses ist hoch
Gas Methan Wärmerück- Synthetische
Biomasse Fermenter Gasification FT-Synthese
Reinigung Pyrolyse gewinnung Kraftstoffe
TRL 9 TRL 9 TRL 8-9 TRL 4 TRL 9 TRL 8-9
Kommerzielle Stand der Kommerzielle Lab Stand der Kommerzielle
Anwendung Technik Anwendung Demonstration Technik Anwendung
Beispiele
industrieller Umsetzung
TRL Technology Readiness Level
FT Fischer-Tropsch
15Realisierung der CAPHENIA-Technologie im Industriepark Höchst
Vorzeigemodell für globale Ballungsräume: Recycling organischer Reststoffe und CO2 zu Kraftstoffen
Ziele Standort
▪ Demonstration der PBtL-Technologie Hessen
▪ Bau und Betrieb eines PBR-Reaktors Frankfurt/Main
▪ Prozess-Optimierung Industriepark Höchst
▪ Life Cycle Assessment
2
1
Förderung Start
Projektskizze beim Projektträger Jülich genehmigt Q1/2022
im Auftrag des Bundeswirtschaftsministeriums
(1) Fläche Pilotanlage
(2) Biogas-Aufbereitungsanlage
Entwicklungspartner
16PBtL Power-and-Biogas-to-Liquid
House of Logistics and Mobility (HOLM)
Bessie-Coleman-Straße 7
60549 Frankfurt am Main
www.CAPHENIA.com
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