[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zum Herstellen von Kohlenwasserstoffen.
[0002] Regenerative Kohlenwasserstoffe zeichnen sich dadurch aus, dass sie durch die Verwendung
regenerativer Edukte hergestellt sind. Die regenerativen Edukte können beispielsweise
regeneratives Kohlenstoffdioxid, das beispielsweise aus Biomasse gewonnen wird, und
regenerativen Wasserstoff aufweisen, der beispielsweise durch Elektrolyse von Wasser
insbesondere unter Verwendung von regenerativ erzeugtem Strom gewonnen wird. Die Herstellung
der regenerativen Edukte und auch die Umsetzung der regenerativen Edukte zu den regenerativen
Kohlenwasserstoffen sind energieintensiv und damit auch kostenintensiv. Derzeit betragen
die Kosten für die Herstellung der regenerativen Kohlenwasserstoffe ein Mehrfaches
der Herstellungskosten der gleichen Kohlenwasserstoffe aus fossilen Rohstoffen.
[0003] Bisher existieren verschiedene Routen, die eine Herstellung der regenerativen Kohlenwasserstoffe
ermöglichen. An dieser Stelle sollen nur die wichtigsten Routen, die die Fischer-Tropsch-Synthese,
die Alcohol-to-Fuel-Routen, die Methanol-Route und das TIGAS-Verfahren sind, kurz
dargestellt werden.
[0004] Die Fischer-Tropsch-Synthese ermöglicht die Herstellung verschiedener synthetischer
Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe, insbesondere Diesel, Kerosin, Benzin und Flüssiggas.
Diese Technologie hat jedoch zwei Nachteile: Der erste Nachteil besteht darin, dass
die genannten Produkte nebeneinander und nur mit geringer Selektivität entstehen,
was die Notwendigkeit mit sich bringt, alle genannten Produkte gleichzeitig vermarkten
zu müssen. Die wünschenswerte Herstellung eines bestimmten Produktes unter gleichzeitiger
Entstehung nur geringer Mengen der anderen Produkte ist über diese Route praktisch
nicht erreichbar. Der zweite Nachteil der Fischer-Tropsch-Synthese besteht darin,
dass Kohlenstoffmonoxid als Edukt benötigt wird. Regenerativ gewonnenes Kohlenstoffdioxid
muss demnach zunächst zum Kohlenstoffmonoxid reduziert werden, was nur über die beiden
nicht ausgereiften Technologien Reverse-Water-Gas-Shift (RWGS) und Solid-Oxide-Electrolysis
(SOEC) möglich ist. Die mit RWGS und SOEC verbundenen hohen Temperaturen im Bereich
von mehr als 800 °C stellen extreme Anforderungen an die benötigten Werkstoffe und
Katalysatoren. Zudem ist unter diesen Bedingungen mit einer vergleichsweise schnellen
Verkokung der aktiven Oberflächen zu rechnen.
[0005] Die Alcohol-to-Fuel-Routen beruhen auf der Herstellung von Ethanol durch Synthesegas-Fermentation,
bei der Kohlenstoffdioxid und/oder Kohlenstoffmonoxid sowie Wasserstoff mikrobiologisch
zu dem Ethanol umgesetzt werden. Das Ethanol wird anschließend zu Ethylen dehydratisiert,
das zu Oligomeren oligomerisiert wird. Die Oligomere werden anschließend zu den Kohlenwasserstoffen
hydriert. Auf diese Weise sind verschiedene der Kohlenwasserstoffe mit vergleichsweise
hohen Selektivitäten herstellbar, wie beispielsweise Kerosin. Neben der typischerweise
geringen Raum-Zeit-Ausbeute der Synthesegas-Fermentation werden verschiedene Aspekte
des Scale-up kritisch gesehen. Daher stellt sich die Frage, ob die Alcohol-to-Fuel-Routen
im industriellen Großmaßstab zukünftig eine dominierende Rolle spielen können.
[0006] Die Methanol-Route, die auf der Herstellung von Methanol aus Kohlenstoffdioxid und
Wasserstoff (CO
2 + 3 H
2 ⇄ CH
3OH + H
2O) und/oder aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff (CO + 2 H
2 ⇄ CH
3OH) sowie der Weiterverarbeitung des Methanols zu Kohlenwasserstoffen beruht, ist
selektiver als die Fischer-Tropsch-Synthese, jedoch weniger selektiv als die Alcohol-to-Fuel-Routen.
Die Scale-up-Möglichkeiten werden positiv eingeschätzt und die direkte Verwendbarkeit
von regenerativem Kohlenstoffdioxid ist ein weiterer großer Vorteil dieser Route.
Nachteilig am Stand der Technik ist die Notwendigkeit der Abtrennung des bei der mit
Kohlenstoffdioxid durchgeführten Methanolsynthese entstehenden Reaktionswassers durch
eine energieintensive Destillation. Das auf diese Weise entwässerte Methanol kann
anschließend zu verschiedenen Endprodukten umgesetzt werden. Noch im Entwicklungsstadium
(Technikumsmaßstab) befindet sich die Methanol-to-Kerosene-Technologie. Methanol-to-Olefin-Technologien,
die auf die Herstellung von Ethylen, Propylen und Butylen abzielen wurden teilweise
bis in den Produktionsmaßstab entwickelt. Am bekanntesten ist die Methanol-to-Gasoline-Technologie,
die bereits für die Herstellung von synthetischem Benzin im Großmaßstab angewendet
worden ist. Neben dem Hauptprodukt Benzin entstehen Flüssiggas und in kleinen Mengen
ein C
1/C
2-Kohlenwasserstoff-Gemisch.
[0007] In Figur 1 ist das Verfahren gemäß der Methanol-Route gemäß dem Stand der Technik
dargestellt. Es wird ein Massenstrom 78, der Kohlenstoffdioxid und/oder Kohlenstoffmonoxid
sowie Wasserstoff aufweist oder aus Kohlenstoffdioxid und/oder Kohlenstoffmonoxid
sowie Wasserstoff besteht, einer Synthese von Methanol 13 zugeführt. Dadurch entsteht
ein Massenstrom 71, der Methanol, Wasser sowie nicht umgesetzte Edukte aufweist. Selbst
bei sehr hohen Umsätzen von höher als 90 % werden die Verluste nicht akzeptiert. Daher
wird eine Trennung 14 des Massenstroms 71 durchgeführt, wobei in der Trennung 14 das
Wasser und das Methanol von den nicht umgesetzten Edukten durch eine Kondensation
abgetrennt werden. Die nicht umgesetzten Edukte bilden einen Massenstrom 72, der wieder
der Synthese von Methanol 13 zugeführt wird. Das in der Trennung 14 entstehende Gemisch
aus Methanol und Wasser wird in einem Massenstrom 73 einer Destillation 15 zugeführt,
um das Methanol von dem Wasser zu trennen. Das Wasser kann in einem Massenstrom 75
einer Abwasserbehandlung 17 zugeführt werden. Das Methanol muss in einem Massenstrom
74 einer Kondensation 16 (Kondensator am Kopf der Destillationskolonne) und in einem
anschließenden Massenstrom 76 einer Verdampfung 18 zugeführt werden, da die anschließende
Kohlenwasserstoffsynthese 19 in der Gasphase abläuft. Ein Teil des in der Kondensation
16 entstehenden Kondensats 16 kann als ein Massenstrom 79 zu dem Kolonnenkopf zurückgeführt
werden. Bei der Trennung 14 hat eine erste Kühlung 81, bei der Destillation 15 hat
eine erste Erwärmung 82, bei der Kondensation 16 hat eine zweite Kühlung 83 und bei
der Verdampfung 18 hat eine zweite Erwärmung 84 zu erfolgen. Dies macht den Prozess
energieintensiv und damit kostenintensiv. Es ist trotzdem notwendig, die nicht umgesetzten
Edukte in dem Massenstrom 72 zurückzuführen, was verständlich wird, wenn man den hohen
Energieaufwand bei der regenerativen Gewinnung dieser Edukte berücksichtigt.
[0008] Eine Alternativtechnologie zur Methanol-to-Gasoline-Technologie stellt das TIGAS-Verfahren
dar, bei dem im ersten Schritt eine Mischung entsteht, die vor allem Methanol, Dimethylether
und Wasser enthält. Diese Mischung wird ohne eine Abtrennung des Wassers direkt zu
Benzin umgesetzt. Trotz dieser Vereinfachung und verschiedener technologischer und
wirtschaftlicher Vorteile eignet sich die TIGAS-Technologie derzeit nicht für die
Herstellung regenerativer Kohlenwasserstoffe, denn ähnlich wie bei der Fischer-Tropsch-Synthese
wird bei dem TIGAS-Verfahren Kohlenstoffmonoxid als Edukt eingesetzt (3 CO + 3 H
2 -> CH
3-O-CH
3 + CO
2), so dass auch hier die beschriebene Problematik der geringen Reife der RWGS-Technologie
und SOEC-Technologie ins Spiel kommt.
[0009] Um die flüssigen Kohlenwasserstoffe kostengünstig herstellen zu können, ist es in
allen Verfahren erforderlich, dass die eingesetzten Edukte möglichst vollständig verwendet
werden und/oder dass möglichst wenig Energie in den Verfahren einzusetzen ist.
[0010] Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Anlage zu schaffen, mit
denen flüssige Kohlenwasserstoffe kostengünstig hergestellt werden können.
[0011] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen von Kohlenwasserstoffen weist die Schritte
auf: a) Durchführen einer Elektrolyse von Wasser, wodurch Wasserstoff und Sauerstoff
erzeugt werden; b) Erzeugen einer Kohlenstoffquelle, die Kohlenstoffdioxid und/oder
Kohlenstoffmonoxid aufweist oder im Wesentlichen aus Kohlenstoffdioxid und/oder Kohlenstoffmonoxid
besteht; c) Herstellen der Kohlenwasserstoffe aus dem in Schritt a) erzeugten Wasserstoff
und der in Schritt b) erzeugten Kohlenstoffquelle, wobei zumindest ein Teil der hergestellten
Kohlenwasserstoffe als flüssige Kohlenwasserstoffe vorliegt und neben den Kohlenwasserstoffen
auch ein Abgas gebildet wird, das Wasserstoff, Kohlenstoffdioxid und/oder Kohlenstoffmonoxid
sowie optional gasförmige Kohlenwasserstoffe aufweist; d) Abtrennen des Abgases von
den flüssigen Kohlenwasserstoffen; e) Durchführen einer Abgasverwertung, in der eine
Reaktion des Abgases mit dem in Schritt a) erzeugten Sauerstoff und/oder mit Wasser
durchgeführt wird, wodurch Verwertungsprodukte gebildet werden, die Kohlenstoffdioxid
und/oder Kohlenstoffmonoxid, Wasser und optional Wasserstoff aufweisen.
[0012] Bei der Abgasverwertung entsteht vorteilhaft Wärme, die ebenfalls verwertet werden
kann, beispielsweise indem die Wärme in Strom umgewandelt wird, beispielsweise indem
die Reaktion in dem Schritt e) in einer Gasturbine durchgeführt wird, und/oder indem
die Wärme verwendet wird, beispielsweise um eine Verdampfung und/oder eine Destillation
durchzuführen. Dadurch, dass die Wärme in Strom umgewandelt wird oder verwendet wird,
ist das Verfahren zum Herstellen der Kohlenwasserstoffe vorteilhaft kostengünstig.
Die Abgasverwertung kann durchgeführt werden, indem eine Verbrennung des Abgases mit
dem in Schritt a) erzeugten Sauerstoff, der aufgrund seiner Reinheit besonders energiereich
ist, durchgeführt wird. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass der in dem Schritt
a) in der Elektrolyse erzeugte Sauerstoff auch verwertet wird, wodurch das Verfahren
noch kostengünstiger wird. Alternativ kann die Abgasverwertung durchgeführt werden,
indem eine Vergasung des Abgases durch eine Reaktion mit dem Wasser durchgeführt wird.
Die Vergasung kann ohne die Zugabe von Sauerstoff oder mit der Zugabe des in Schritt
a) in der Elektrolyse erzeugten Sauerstoffs durchgeführt werden. Auch hier gilt, dass
durch die Verwertung des Sauerstoffs in der Vergasung das Verfahren besonders kostengünstig
wird. Indem in Schritt e) die Reaktion unter Verwendung von dem in Schritt a) erzeugten
Sauerstoff und nicht unter Verwendung von Luft durchgeführt wird, wird zudem vorteilhaft
erreicht, dass im Wesentlichen keine unerwünschten Stoffe, wie beispielsweise Stickstoff
und/oder Edelgase, an dieser Stelle in das Verfahren eingetragen werden.
[0013] Um zu erreichen, dass der Teil der hergestellten Kohlenwasserstoffe als die flüssigen
Kohlenwasserstoffe vorliegt, kann eine Abkühlung der in dem Schritt c) erzeugten Reaktionsprodukte
durchgeführt werden. Die dabei anfallenden flüssigen Kohlenwasserstoffe lassen sich
besonders gut vermarkten.
[0014] Es ist bevorzugt, dass das Verfahren den Schritt aufweist: f) Abtrennen von Wasser
von den Verwertungsprodukten. Dadurch bestehen die Verwertungsprodukte im Wesentlichen
aus Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid und/oder Wasserstoff. Dadurch haben die
Verwertungsprodukte einen höheren Wert als wenn das Wasser noch in den Verwertungsprodukten
enthalten wäre.
[0015] Das in Schritt f) abgetrennte Wasser wird bevorzugt in Schritt a) für die Elektrolyse
verwendet, um daraus den Wasserstoff und den Sauerstoff zu erzeugen, und/oder in Schritt
e) verwendet, um die Reaktion mit dem Abgas durchzuführen. Das in Schritt f) abgetrennte
Wasser ist im Gegensatz zu Frischwasser bereits entmineralisiert. Daher kann die Menge
an dem Frischwasser, die dem Verfahren zuzuführen ist und das vorher zu entmineralisieren
ist, verringert werden, wodurch das Verfahren noch kostengünstiger wird. Zudem eignet
sich dadurch das Verfahren auch in Regionen durchgeführt zu werden, in denen nur geringe
Ressourcen an Frischwasser vorliegen.
[0016] Es ist bevorzugt, dass in Schritt c) die Kohlenwasserstoffe auch aus den in Schritt
e) erzeugten Verwertungsprodukten hergestellt werden. Dadurch geht dem Verfahren vorteilhafterweise
kein oder nur wenig Kohlenstoff verloren, wodurch das Verfahren noch kostengünstiger
wird. Es ist hierbei besonders bevorzugt, in dem Schritt f) das Wasser abzutrennen,
weil es sich bei dem Herstellen der Kohlenwasserstoffe um eine Gleichgewichtsreaktion
handelt und in den Verwertungsprodukten enthaltenes Wasser die Ausbeute der flüssigen
Kohlenwasserstoffe in dem Schritt c) vermindern würden.
[0017] In Schritt e) entstehende Wärme wird bevorzugt teilweise oder vollständig einem endothermen
Schritt oder mehreren endothermen Schritten des Verfahrens zugeführt. Dadurch können
die Kosten zum Durchführen des Verfahrens verringert werden. Der endotherme Schritt
oder die endothermen Schritte können beispielsweise eine Verdampfung und/oder eine
Destillation sein.
[0018] Es ist bevorzugt, dass das Verfahren kontinuierlich durchgeführt wird. Dadurch entstehen
insbesondere ein kontinuierlicher Massenstrom der flüssigen Kohlenwasserstoffe, ein
kontinuierlicher Massenstrom des Abgases und ein kontinuierlicher Massenstrom der
Verwertungsprodukte.
[0019] Es ist bevorzugt, dass in Schritt c) ein Teil der hergestellten Kohlenwasserstoffe
als gasförmige Kohlenwasserstoffe vorliegt und in Schritt e) die Reaktion auch mit
zumindest einem Teil der in Schritt c) hergestellten gasförmigen Kohlenwasserstoffe
durchgeführt wird. Dadurch entsteht in dem Schritt e) vorteilhaft mehr Wärme, als
wenn die Reaktion nur mit dem Kohlendioxid und/oder dem Kohlenmonoxid sowie dem Wasserstoff
durchgeführt wird. Dies ist besonders relevant, wenn in dem Schritt e) nicht genügend
Wärme freigesetzt wird, um endotherme Prozesse des Verfahrens aufrecht zu erhalten.
Dabei ist es besonders bevorzugt, dass es sich bei der Reaktion um die Vergasung handelt.
[0020] Es ist bevorzugt, dass in Schritt c) der Teil der gasförmigen Kohlenwasserstoffe
als ein Teil des Abgases gebildet wird und/oder der Teil der gasförmigen Kohlenwasserstoffe
durch Destillation von den flüssigen Kohlenwasserstoffen abgetrennt wird und anschließend
dem Abgas beigemischt wird.
[0021] Die gasförmigen Kohlenwasserstoffe weisen besonders bevorzugt C
1-Kohlenwasserstoff, C
2-Kohlenwasserstoff, C
3-Kohlenwasserstoff und/oder C
4-Kohlenwasserstoff auf oder bestehen besonders bevorzugt im Wesentlichen aus C
1-Kohlenwasserstoff, C
2-Kohlenwasserstoff, C
3-Kohlenwasserstoff und/oder C
4-Kohlenwasserstoff. Diese Kohlenwasserstoffe haben üblicherweise einen geringeren
Handelswert als die Kohlenwasserstoffe, die längere Ketten haben. Der C
1-Kohlenstoff und der C
2-Kohlenstoff können in dem Abgas enthalten sein. Es ist denkbar, dass der C
1-Kohlenwasserstoff, der C
2-Kohlenwasserstoff, der C
3-Kohlenwasserstoff und/oder der C
4-Kohlenwasserstoff zumindest teilweise in den flüssigen Kohlenwasserstoffen gelöst
sind. Dabei ist denkbar, dass in einer ersten Destillationskolonne der C
1-Kohlenwasserstoff und der C
2-Kohlenwasserstoff abgetrennt werden und anschließend zumindest teilweise mit dem
Abgas gemischt werden. Zudem ist denkbar, dass in einer zweiten Destillationskolonne
der C
3-Kohlenwasserstoff und der C
4-Kohlenwasserstoff abgetrennt werden und anschließend zumindest teilweise mit dem
Abgas gemischt werden.
[0022] In Schritt c) wird auch Wasser gebildet und das Verfahren weist bevorzugt den Schritt
auf: g) Abtrennen des Wassers von dem Abgas und den Kohlenwasserstoffen. Dies kann
beispielsweise durch eine Kondensation des Wassers und einer Phasentrennung von den
flüssigen Kohlenwasserstoffen erfolgen. Dabei ist besonders bevorzugt, dass das in
Schritt g) abgetrennte Wasser in Schritt a) für die Elektrolyse verwendet wird, um
daraus den Wasserstoff und den Sauerstoff zu erzeugen, und/oder in Schritt e) verwendet
wird, um die Reaktion mit dem Abgas durchzuführen. Das in Schritt g) abgetrennte Wasser
ist im Gegensatz zu Frischwasser bereits entmineralisiert. Daher kann die Menge an
dem Frischwasser, die dem Verfahren zuzuführen ist und das vorher zu entmineralisieren
ist, verringert werden, wodurch das Verfahren noch kostengünstiger wird. Zudem eignet
sich dadurch das Verfahren auch in Regionen durchgeführt zu werden, in denen nur geringe
Ressourcen an Frischwasser vorliegen. In dem Fall, dass das in Schritt g) abgetrennte
Wasser in Schritt e) verwendet wird, um die Reaktion mit dem Abgas durchzuführen,
ergibt sich zudem der Vorteil, dass eventuell in dem Wasser gelöste Kohlenwasserstoffe
mit vergast werden.
[0023] In Schritt b) werden bevorzugt Kohlenstoffdioxid aus Luft extrahiert, Biomasse verbrannt,
Biomasse vergast und/oder Verbrennungsabgase erzeugt. Verfahren zum Extrahieren des
Kohlenstoffdioxids aus der Luft sind unter dem Begriff "direct air capture" (DAC)
bekannt. Beispielsweise wird das Kohlenstoffdioxid mittels einer Adsorption oder durch
eine Reaktion mit Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid aus der Luft extrahiert, bevor
es gewöhnlich durch Zuführung von Energie wieder desorbiert wird und dadurch für nachfolgende
Prozesse zur Verfügung gestellt wird. Indem das Kohlenstoffdioxid aus der Luft extrahiert
wird oder aus der Biomasse gewonnen wird, können die Kohlenwasserstoffe vorteilhaft
regenerativ, d.h. ohne den Einsatz fossiler Kohlenstoffquellen, gewonnen werden. Alternativ
ist denkbar, dass die Verbrennungsabgase aus einem nicht vermeidbaren Verbrennungsprozess
eingesetzt werden. Wird das Kohlenstoffdioxid aus der Luft extrahiert, so hat das
den Vorteil, dass im Wesentlichen keine unerwünschten Stoffe, wie beispielsweise Stickstoff
und/oder Edelgase, in das Verfahren gelangen.
[0024] Es ist bevorzugt, dass die Biomasse mittels des in Schritt a) erzeugten Sauerstoffs
verbrannt oder vergast wird. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass im Wesentlichen
keine unerwünschten Stoffe, wie beispielsweise Stickstoff und/oder Edelgase, in das
Verfahren gelangen.
[0025] Es ist bevorzugt, dass in Schritt c) in einer ersten Verfahrensstufe in einer Gleichgewichtsreaktion
Methanol hergestellt wird und das Methanol, der in der Gleichgewichtsreaktion nicht
umgesetzte Wasserstoff und der die in der Gleichgewichtsreaktion nicht umgesetzte
Kohlenstoffquelle einer zweiten Verfahrensstufe zugeführt werden, in der die Kohlenwasserstoffe
aus dem Methanol hergestellt werden. Im Vergleich zu dem Verfahren gemäß dem Stand
der Technik (siehe Figur 1) werden der nicht umgesetzte Wasserstoff und die nicht
umgesetzte Kohlenstoffquelle nicht der Synthese von Methanol zurückgeführt (siehe
Massenstrom 72). Dadurch entfällt die energieintensive Abtrennung des Methanols, wodurch
das Verfahren besonders kostengünstig ist. Ermöglicht wird dies dadurch, dass der
nicht umgesetzte Wasserstoff und die nicht umgesetzte Kohlenstoffquelle nach der zweiten
Verfahrensstufe in der Abgasverwertung in dem Schritt e) zu den Verwertungsprodukten
umgewandelt werden.
[0026] Es ist besonders bevorzugt, dass in der Gleichgewichtsreaktion der ersten Verfahrensstufe
Wasser entsteht, welches nicht von dem Methanol, dem in der Gleichgewichtsreaktion
nicht umgesetzten Wasserstoff und der in der Gleichgewichtsreaktion nicht umgesetzten
Kohlenstoffquelle abgetrennt wird. Auch dadurch ist das Verfahren besonders kostengünstig.
Das in der Gleichgewichtsreaktion der ersten Verfahrensstufe entstehende Wasser kann
in dem Schritt g) abgetrennt werden.
[0027] Die Kohlenwasserstoffe weisen bevorzugt gesättigte Kohlenwasserstoffe und/oder Olefine
auf oder bestehen bevorzugt aus den gesättigten Kohlenwasserstoffen und/oder den Olefinen.
Bei den flüssigen Kohlenwasserstoffen, insbesondere den gesättigten Kohlenwasserstoffen,
kann es sich beispielsweise um Benzin, Kerosin, Diesel und/oder Flüssiggas handeln.
[0028] Die konkreten Reaktionsbedingungen in Schritt c) zum Herstellen der Kohlenwasserstoffe
hängen beispielsweise davon ab, welche Kohlenwasserstoffe hergestellt werden. Beispielsweise
kann bei der Herstellung von Benzin der Druck von 20 bar bis 30 bar betragen, die
Temperatur kann von 200°C bis 400°C, insbesondere von 250°C bis 400°C, betragen und
es kann ein heterogener Katalysator anwesend sein, wie beispielsweise ein Zeolith-Katalysator,
insbesondere ein ZSM-5-Katalysator.
[0029] Die erfindungsgemäße Anlage ist eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren oder
eine bevorzugte Ausführungsform davon durchzuführen.
[0030] Im Folgenden wird anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen die Erfindung
näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 ein Ablaufdiagramm eines herkömmlichen Verfahrens,
Figur 2 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 3 ein Ablaufdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
[0031] Wie es aus Figur 2 ersichtlich ist, weist ein Verfahren zum Herstellen von Kohlenwasserstoffen
die Schritte auf: a) Durchführen einer Elektrolyse 3 von Wasser, wodurch Wasserstoff
und Sauerstoff erzeugt werden; b) Erzeugen einer Kohlenstoffquelle 4, die Kohlenstoffdioxid
und/oder Kohlenstoffmonoxid aufweist oder im Wesentlichen aus Kohlenstoffdioxid und/oder
Kohlenstoffmonoxid besteht; c) Herstellen 5 der Kohlenwasserstoffe aus dem in Schritt
a) erzeugten Wasserstoff und der in Schritt b) erzeugten Kohlenstoffquelle, wobei
zumindest ein Teil der hergestellten Kohlenwasserstoffe als flüssige Kohlenwasserstoffe
6 vorliegt und neben den Kohlenwasserstoffen 6 auch ein Abgas gebildet wird, das Wasserstoff,
Kohlenstoffdioxid und/oder Kohlenstoffmonoxid aufweist; d) Abtrennen des Abgases von
den flüssigen Kohlenwasserstoffen 6; e) Durchführen einer Abgasverwertung 8, in der
eine Reaktion des Abgases mit dem in Schritt a) erzeugten Sauerstoff und/oder mit
Wasser durchgeführt wird, wodurch Verwertungsprodukte gebildet werden, die Kohlenstoffdioxid
und/oder Kohlenstoffmonoxid, Wasser und optional Wasserstoff aufweisen.
[0032] Die Abgasverwertung kann beispielsweise durchgeführt werden, indem eine Verbrennung
des Abgases mit dem in Schritt a) erzeugten Sauerstoff durchgeführt wird. In einem
anderen Beispiel kann die Abgasverwertung durchgeführt werden, indem eine Vergasung
des Abgases durch eine Reaktion mit dem Wasser durchgeführt wird. Die Vergasung kann
ohne die Zugabe von Sauerstoff oder mit der Zugabe des in Schritt a) in der Elektrolyse
erzeugten Sauerstoffs durchgeführt werden.
[0033] Figur 2 zeigt, dass Frischwasser 1 in einem Massenstrom 51 der Elektrolyse 3 zugeführt
werden kann. Der in Schritt a) erzeugte Wasserstoff kann in einem Massenstrom 53 einem
Reaktor zugeführt werden, in dem in Schritt c) das Herstellen der Kohlenwasserstoffe
6 erfolgt. Der in Schritt a) erzeugte Sauerstoff kann in einem von dem Massenstrom
53 getrennten Massenstrom 55 geführt werden, so dass keine Vermischung des Wasserstoffs
und des Sauerstoffs erfolgen kann.
[0034] Um in dem Schritt b) die Kohlenstoffquelle bereitzustellen, kann ein kohlenstoffhaltiger
Ausgangsstoff 2 in einem Massenstrom 52 bereitgestellt werden. Aus dem Massenstrom
52 kann die Kohlenstoffquelle erzeugt werden, die in einem Massenstrom 54 dem Reaktor
zugeführt werden kann. Beispielsweise kann in Schritt b) Kohlenstoffdioxid aus Luft
extrahiert wird, so dass der kohlenstoffhaltige Ausgangsstoff 2 die Luft ist. In Schritt
b) kann Biomasse verbrannt und/oder vergast werden, wodurch der kohlenstoffhaltige
Ausgangsstoff 2 die Biomasse ist. Wird die Biomasse verbrannt, wird vorwiegend Kohlenstoffdioxid
entstehen, wird die Biomasse vergast, wird vorwiegend Kohlenstoffmonoxid entstehen.
Es ist denkbar, dass die Biomasse mittels des in Schritt a) erzeugten Sauerstoffs
verbrannt oder vergast wird. Dies hat den Vorteil, dass dadurch kein Stickstoff oder
keine Edelgase in das Verfahren gelangen. Der in Schritt a) erzeugte Sauerstoff kann
dazu teilweise oder vollständig in einem Massenstrom 70 bereitgestellt werden, der
von dem Massenstrom 53 getrennt geführt ist, so dass keine Mischung des Sauerstoffs
mit dem Wasserstoff stattfinden kann. In einem anderen Beispiel können Verbrennungsabgase,
insbesondere durch eine Vergasung und/oder Verbrennung von fossilen Brennstoffen als
den kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoff, erzeugt werden.
[0035] Das Herstellen 5 der Kohlenwasserstoffe kann in dem Schritt c) unter einer Temperatur
in dem Reaktor von mindestens 200 °C, insbesondere von 250 °C bis 400 °C, erfolgen.
Der Druck kann von 20 bar bis 30 bar betragen und es kann ein heterogener Katalysator
anwesend sein, wie beispielsweise ein Zeolith-Katalysator, insbesondere ein ZSM-5-Katalysator.
[0036] Das in Schritt d) abgetrennte Abgas kann in einem Massenstrom 58 bereitgestellt werden
und
- Wasserstoff,
- Kohlenstoffdioxid und/oder Kohlenstoffmonoxid,
- optional gasförmige Kohlenwasserstoffe, insbesondere C1-Kohlenwasserstoff, C2-Kohlenwasserstoff, C3-Kohlenwasserstoff und/oder C4-Kohlenwasserstoff,
aufweisen oder im Wesentlichen aus
- Wasserstoff,
- Kohlenstoffdioxid und/oder Kohlenstoffmonoxid,
- optional gasförmigen Kohlenwasserstoffen, insbesondere C1-Kohlenwasserstoff, C2-Kohlenwasserstoff, C3-Kohlenwasserstoff und/oder C4-Kohlenwasserstoff,
bestehen. In dem Fall, dass in Schritt c) auch Wasser gebildet wird, kann dazu das
Verfahren den Schritt aufweisen:
g) Abtrennen des Wassers 7 von dem Abgas und den flüssigen Kohlenwasserstoffen 6.
Dadurch entsteht ein im Wesentlichen reiner Massenstrom 56 der flüssigen Kohlenwasserstoffe
6. Das Abtrennen des Wassers 7 von dem Abgas kann durch eine Kondensation und eine
Phasenabscheidung des Wassers 7 erfolgen. Das in Schritt g) abgetrennte Wasser 7 kann
einen Massenstrom 57 bilden und beispielsweise zumindest teilweise in Schritt a) für
die Elektrolyse 3 verwendet wird, um daraus den Wasserstoff und den Sauerstoff zu
erzeugen. Alternativ ist denkbar, dass das Wasser 7 in einer Kläranlage gereinigt
und abgelassen wird.
[0037] In dem Fall, dass in Schritt e) die Verbrennung oder die Vergasung mit dem in Schritt
a) erzeugten Sauerstoff durchgeführt wird, kann der Massenstrom 55 mit dem Massenstrom
58 gemischt werden, um die Abgasverwertung 8 durchzuführen. In dem Fall, dass in Schritt
e) die Vergasung durchgeführt wird, kann das in Schritt g) abgetrennte Wasser 7 in
Schritt e) zumindest teilweise verwendet werden, um die Reaktion mit dem Abgas durchzuführen,
vergleiche die Massenströme 67 und 65. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Vergasung
in dem Schritt e) mittels einem weiteren Frischwasser 11 durchgeführt werden, vergleiche
die Massenströme 66 und 65.
[0038] Nach dem Schritt e) entsteht ein Massenstrom 59, der Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid,
Wasserstoff und/oder Wasser aufweist und/oder im Wesentlichen aus Kohlenstoffdioxid,
Kohlenstoffmonoxid, Wasserstoff und/oder Wasser besteht. Wird in Schritt e) die Verbrennung
durchgeführt, so wird der in dem Abgas enthaltene Kohlenstoff im Wesentlichen zu Kohlenstoffdioxid
umgesetzt. Wird in Schritt e) die Vergasung durchgeführt, so wird in dem Massenstrom
59 der Anteil an dem Kohlenstoffmonoxid höher sein als der Anteil an dem Kohlenstoffdioxid.
Figur 2 zeigt zudem, dass das Verfahren den Schritt aufweisen kann: f) Abtrennen 9
von Wasser 12 von den Verwertungsprodukten. Das Abtrennen von dem Wasser 12 kann durch
eine Kondensation des Wassers 12 erfolgen. Dadurch entsteht ein Massenstrom 63, der
von dem in Schritt f) abgetrennten Wasser 12 gebildet ist. Das in Schritt f) abgetrennte
Wasser 12 kann in Schritt a) für die Elektrolyse 3 verwendet werden (vergleiche Massenstrom
69), um daraus den Wasserstoff und den Sauerstoff zu erzeugen, und/oder in Schritt
e) verwendet werden, um die Reaktion mit dem Abgas durchzuführen. Der nicht in dem
Massenstrom 69 verwendete Anteil des Massenstroms 63 kann einen Massenstrom 64 bilden.
Alternativ dazu, dass in Schritt f) abgetrennte Wasser 12 zu verwenden, kann das Wasser
12 auch in einer Kläranlage gereinigt und abgelassen werden.
[0039] Figur 2 zeigt, dass in Schritt c) die Kohlenwasserstoffe auch aus den in Schritt
e) erzeugten Verwertungsprodukten hergestellt werden können. Dazu kann stromab der
Abtrennung 9 des Wassers 12 ein Massenstrom 60, der Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid
und/oder Wasserstoff aufweist oder im Wesentlichen aus Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid
und/oder Wasserstoff besteht, in Richtung zu dem Reaktor hin geführt werden. Optional
kann ein Teil des Massenstroms 60 in einem Massenstrom 61 als ein Restabgas 10 abgeführt
werden, um eventuell auftretende Nebenprodukte auszuschleusen und somit ihre Anreicherung
in dem Verfahren zu unterbinden. Ein Massenstrom 62, der von dem Massenstrom 60 optional
abzüglich des Massenstroms 61 gebildet ist, wird dann dem Reaktor zugeführt.
[0040] Das Verfahren kann kontinuierlich durchgeführt werden. Dies bedeutet beispielsweise,
dass insbesondere die Massenströme 53, 54 und 58 kontinuierlich sind.
[0041] In Schritt e) entstehende Wärme wird bevorzugt teilweise oder vollständig einem endothermen
Schritt oder mehreren endothermen Schritten des Verfahrens zugeführt, wie beispielsweise
einer Verdampfung und/oder einer Destillation.
[0042] Es ist auch denkbar, dass in Schritt c) ein Teil der hergestellten Kohlenwasserstoffe
als gasförmige Kohlenwasserstoffe vorliegt und in Schritt e) die Reaktion auch zumindest
mit einem Teil der in Schritt c) hergestellten gasförmigen Kohlenwasserstoffe 6 durchgeführt
wird. Dabei kann in Schritt c) der Teil der gasförmigen Kohlenwasserstoffe als ein
Teil des Abgases gebildet werden (dies würde bedeuten, dass in Figur 2 bereits am
Anfang des Massenstrom 58 dieser den Teil der gasförmigen Kohlenwasserstoffe aufweist)
und/oder der Teil der gasförmigen Kohlenwasserstoffe kann durch Destillation von den
flüssigen Kohlenwasserstoffen 6 als ein Massenstrom 68 abgetrennt werden und anschließend
dem Abgas beigemischt werden, d.h. dem Massenstrom 58 zugegeben werden. Die gasförmigen
Kohlenwasserstoffe können C
1-Kohlenwasserstoff, C
2-Kohlenwasserstoff, C
3-Kohlenwasserstoff und/oder C
4-Kohlenwasserstoff aufweisen oder im Wesentlichen aus C
1-Kohlenwasserstoff, C
2-Kohlenwasserstoff, C
3-Kohlenwasserstoff und/oder C
4-Kohlenwasserstoff bestehen. Dabei sind der C
1-Kohlenwasserstoff und der C
2-Kohlenwasserstoff vorzugsweise am Anfang des Massenstroms 58 vorhanden und der C
3-Kohlenwasserstoff und der C
4-Kohlenwasserstoff sind vorzugsweise in dem Massenstroms 68 vorhanden und werden dem
Massenstrom 58 nach dessen Anfang beigemischt.
[0043] Wie es aus Figur 3 ersichtlich ist, kann in Schritt c) in einer ersten Verfahrensstufe
in einer Gleichgewichtsreaktion Methanol hergestellt 13 werden und das Methanol, der
in der Gleichgewichtsreaktion nicht umgesetzte Wasserstoff und die in der Gleichgewichtsreaktion
nicht umgesetzte Kohlenstoffquelle einer zweiten Verfahrensstufe zugeführt werden,
in der die Kohlenwasserstoffe aus dem Methanol hergestellt werden. Um das Methanol
herzustellen 13, kann ein Massenstrom 78 bereitgestellt werden, der Wasserstoff aufweist
und Kohlenstoffmonoxid und/oder Kohlenstoffdioxid aufweist oder der im Wesentlichen
aus Wasserstoff besteht und aus Kohlenstoffmonoxid und/oder Kohlenstoffdioxid besteht.
In der ersten Verfahrensstufe können die Reaktionsbedingungen beispielsweise aufweisen:
eine Temperatur von 200°C bis 300°C, ein Druck von mindestens 50 bar, insbesondere
von 50 bar bis 250 bar, und es kann ein Metalloxid Katalysator zugegen sein.
[0044] Dadurch, dass das Methanol hergestellt 13 wird, entsteht ein Massenstrom 71, der
Methanol und Wasserstoff, sowie Kohlenstoffmonoxid und/oder Kohlenstoffdioxid sowie
optional Wasser aufweist. Der Massenstrom 71 wird ohne eine Abtrennung einer der vorgenannten
Stoffe einer Herstellung 19 der Kohlenwasserstoffe mit Methanol als Edukt zugeführt,
d. h. der zweiten Verfahrensstufe zugeführt. Beispielsweise kann in der zweiten Verfahrensstufe
der Druck von 20 bar bis 30 bar betragen, die Temperatur kann von 200°C bis 400°C,
insbesondere von 250°C bis 400°C, betragen und es kann ein heterogener Katalysator
anwesend sein, wie beispielsweise ein Zeolith-Katalysator, insbesondere ein ZSM-5-Katalysator.
Die Schritte d) und e) werden analog wie in Figur 1 durchgeführt. Das Abgas kann zudem
noch C
1- bis C
4-Kohlenwasserstoffe aufweisen.
[0045] Es ist denkbar, dass in der Gleichgewichtsreaktion der ersten Verfahrensstufe Wasser
entsteht (wenn das Methanol mit Kohlenstoffdioxid als Edukt hergestellt wird), welches
der zweiten Verfahrensstufe zugeführt wird. Das Wasser wird erst in Schritt d) abgetrennt.
[0046] In dem Fall, dass die Kohlenwasserstoffe C
1-Kohlenwasserstoff, C
2-Kohlenwasserstoff, C
3-Kohlenwasserstoff und/oder C
4-Kohlenwasserstoff aufweisen, können der C
1-Kohlenwasserstoff, der C
2-Kohlenwasserstoff, der C
3-Kohlenwasserstoff und/oder der C
4-Kohlenwasserstoff beispielsweise besonders einfach verwertet werden, wenn das Verfahren
an einem Standort durchgeführt wird, an dem sich ebenfalls eine Raffinerie befindet.
Der C
1-Kohlenwasserstoff, der C
2-Kohlenwasserstoff, der C
3-Kohlenwasserstoff und/oder der C
4-Kohlenwasserstoff können als Edukt in der Raffinerie eingesetzt werden. Bei der Raffinerie
kann es ich beispielsweise um einen Steam-Cracker handeln. In dem Steam-Cracker kann
Ethylen hergestellt werden, das einen hohen Handelswert hat.
[0047] Die in dem Schritt e) entstehende Wärme kann ebenfalls vermarktet werden, wenn das
Verfahren an einem Standort durchgeführt wird, an dem sich ebenfalls andere Anlagen
der chemischen oder pharmazeutischen Industrie befinden. Die in dem Schritt e) entstehende
Wärme kann beispielsweise verwendet werden, um in den anderen Anlagen einen endothermen
Prozess, wie beispielsweise eine Verdampfung oder eine Destillation, durchzuführen.
[0048] Eine Anlage ist eingerichtet, das Verfahren durchzuführen.
1. Verfahren zum Herstellen von Kohlenwasserstoffen (6), mit den Schritten:
a) Durchführen einer Elektrolyse (3) von Wasser, wodurch Wasserstoff und Sauerstoff
erzeugt werden;
b) Erzeugen einer Kohlenstoffquelle (4), die Kohlenstoffdioxid und/oder Kohlenstoffmonoxid
aufweist oder im Wesentlichen aus Kohlenstoffdioxid und/oder Kohlenstoffmonoxid besteht;
c) Herstellen (5) der Kohlenwasserstoffe (6) aus dem in Schritt a) erzeugten Wasserstoff
und der in Schritt b) erzeugten Kohlenstoffquelle, wobei zumindest ein Teil der hergestellten
Kohlenwasserstoffe als flüssige Kohlenwasserstoffe vorliegt und neben den Kohlenwasserstoffen
(6) auch ein Abgas gebildet wird, das Wasserstoff, Kohlenstoffdioxid und/oder Kohlenstoffmonoxid
aufweist;
d) Abtrennen des Abgases von den flüssigen Kohlenwasserstoffen (6);
e) Durchführen einer Abgasverwertung (8), in der eine Reaktion des Abgases mit dem
in Schritt a) erzeugten Sauerstoff und/oder mit Wasser durchgeführt wird, wodurch
Verwertungsprodukte gebildet werden, die Kohlenstoffdioxid und/oder Kohlenstoffmonoxid,
Wasser und optional Wasserstoff aufweisen.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, mit dem Schritt:
f) Abtrennen (9) von Wasser (12) von den Verwertungsprodukten.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei das in Schritt f) abgetrennte Wasser (12) in Schritt
a) für die Elektrolyse (3) verwendet wird, um daraus den Wasserstoff und den Sauerstoff
zu erzeugen, und/oder in Schritt e) verwendet wird, um die Reaktion mit dem Abgas
durchzuführen.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in Schritt c) die Kohlenwasserstoffe
(6) auch aus den in Schritt e) erzeugten Verwertungsprodukten hergestellt werden.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Verfahren kontinuierlich durchgeführt
wird.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in Schritt c) ein Teil der hergestellten
Kohlenwasserstoffe als gasförmige Kohlenwasserstoffe vorliegt und in Schritt e) die
Reaktion auch zumindest mit einem Teil der in Schritt c) hergestellten gasförmigen
Kohlenwasserstoffe durchgeführt wird.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei in Schritt c) der Teil der gasförmigen Kohlenwasserstoffe
als ein Teil des Abgases gebildet wird und/oder der Teil der gasförmigen Kohlenwasserstoffe
durch Destillation von den flüssigen Kohlenwasserstoffen (6) abgetrennt wird und anschließend
dem Abgas beigemischt wird.
8. Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei der Teil C1-Kohlenwasserstoff, C2-Kohlenwasserstoff, C3-Kohlenwasserstoff und/oder C4-Kohlenwasserstoff aufweist oder im Wesentlichen aus C1-Kohlenwasserstoff, C2-Kohlenwasserstoff, C3-Kohlenwasserstoff und/oder C4-Kohlenwasserstoff besteht.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei in Schritt c) auch Wasser gebildet
wird und das Verfahren den Schritt aufweist:
g) Abtrennen des Wassers (7) von dem Abgas und den Kohlenwasserstoffen (6).
10. Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das in Schritt g) abgetrennte Wasser (7) in Schritt
a) für die Elektrolyse (3) verwendet wird, um daraus den Wasserstoff und den Sauerstoff
zu erzeugen, und/oder in Schritt e) verwendet wird, um die Reaktion mit dem Abgas
durchzuführen.
11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei in Schritt b) Kohlenstoffdioxid
aus Luft extrahiert wird, Biomasse verbrannt wird, Biomasse vergast wird und/oder
Verbrennungsabgase erzeugt werden.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei die Biomasse mittels des in Schritt a) erzeugten
Sauerstoffs verbrannt oder vergast wird.
13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei in Schritt c) in einer ersten
Verfahrensstufe in einer Gleichgewichtsreaktion Methanol hergestellt wird (13) und
das Methanol, der in der Gleichgewichtsreaktion nicht umgesetzte Wasserstoff und die
in der Gleichgewichtsreaktion nicht umgesetzten Kohlenstoffquelle einer zweiten Verfahrensstufe
zugeführt werden, in der die Kohlenwasserstoffe (6) aus dem Methanol hergestellt werden.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei in der Gleichgewichtsreaktion Wasser entsteht,
welches der zweiten Verfahrensstufe zugeführt wird.
15. Anlage, die eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 durchzuführen.