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System-wide perspective for life cycle assessment of CO2-based C1-chemicals = Ökologische Bewertung von CO2-basierten C1-Chemikalien aus einer systemweiten Perspektive
2017 & 2018
Dissertation, RWTH Aachen University, 2017
Druckausgabe: 2017. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2018
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-01-13
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-00039
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/711834/files/711834.pdf
Einrichtungen
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
In den letzten Jahren hat das Interesse an der Umwandlung von CO2 zu Basischemikalien mit einem Kohlenstoffatom (C1-Chemikalien) wie z.B. Methan und Methanol stark zugenommen. Die Motivation für die Nutzung von CO2 ist die Reduktion von Treibhausgasemissionen und des fossilen Rohstoffverbrauchs. Diese Reduktionen sind jedoch nicht garantiert, da alle C1-Chemikalien neben dem im Überfluss vorhandenen CO2 auch Wasserstoff benötigen. Daher ist das Ziel dieser Arbeit die ökologische Bewertung von CO2-basierten C1-Chemikalien (Methan, Methanol, Kohlenstoffmonoxide und Ameisensäure) auf Basis einer Ökobilanz (engl. life cycle assessment, LCA). Die Bewertung erfolgt aus einer system-weiten Perspektive; das heißt, für limitierte Rohstoffe (z.B. erneuerbarer Strom) wird auch berücksichtigt, wie der limitierte Rohstoff sonst in anderen Prozessen genutzt worden wäre. Zunächst werden die CO2-basierten Prozesse mit den derzeitigen fossilen Prozessen für C1-Chemikalien verglichen. Ameisensäure bietet das höchste Potential zur Einsparung von Treibhausgasemissionen und fossilen Rohstoffen. Danach folgen Kohlenstoffmonoxid, Methanol und Methan. Für Ameisensäure ist sogar die derzeitige fossile Bereitstellung von Wasserstoff ausreichend, um Treibhausgasemissionen und fossile Rohstoffe einzusparen. Alle anderen Prozesse benötigen Wasserstoff aus einer Elektrolyse mit erneuerbarem Strom. Im Folgenden wird die Bereitstellung von Wasserstoff durch eine Elektrolyse genauer untersucht. Die CO2-basierte Herstellung von Kohlenstoffmonoxid und Methan benötigt etwa 60 % bzw. 88 % erneuerbaren Strom (in 2020 in der EU-27) um Treibhausgasemissionen gegenüber den fossilen Prozessen zu sparen. Wenn 100 % erneuerbarer Strom genutzt wird, reduzieren alle CO2-basierten C1-Chemikalien Treibhausgasemissionen und den fossilen Rohstoffverbrauch im Vergleich zu fossilen Prozessen. Zur Bewertung dieser Reduktionen werden in dieser Arbeit ebenfalls alternative Möglichkeiten zur Integration von erneuerbarem Strom (Power-to-X) ökologisch bewertet wie z.B. Stromspeicher, Batteriefahrzeuge und Wärmepumpen. Die höchsten Reduktionen pro genutztem Strom werden durch die Bereitstellung von Wärme erzielt, gefolgt von Batteriefahrzeugen und klassischen Stromspeichern. Erst danach folgen die CO2-basierten C1-Chemikalien.Da erneuerbarer Strom effizienter außerhalb der chemischen Industrie genutzt werden kann, werden ebenfalls biomassebasiertes Methan und Methanol untersucht. Biomasse erzielt die höchsten Einsparungen, wenn es Kohlekraftwerke ersetzt, dann folgt die Herstellung von Methanol. Für Methanol und Methan kann der Ertrag von Biomasseprozessen durch die zusätzliche Nutzung von Wasserstoff deutlich erhöht werden.In recent years, the conversion of CO2 to basic chemicals with one carbon atom (C1-chemicals) such as methane and methanol has gained increasing interest. The major motivation for the utilization of CO2 is the reduction of global warming and fossil depletion impacts. However, these reductions are not guaranteed because all C1-chemicals require hydrogen besides the abundantly available CO2. Thus, the goal of this thesis is the life cycle assessment of CO2-based C1-chemicals (methane, methanol, carbon monoxide and formic acid). The assessment is based on a system-wide perspective, which means that for limited resources such as renewable electricity also the utilization of the limited resources is in other processes is considered. First of all, the CO2-based processes are compared to fossil-based processes for C1-chemicals. Formic acid has the highest potential to reduce global warming and fossil depletion impacts followed by carbon monoxide, methanol and methane. Even if hydrogen is supplied by fossil-based steam reforming, formic acid reduces global warming and fossil depletion impacts. All other CO2-based C1-chemicals require hydrogen from electrolysis using renewable electricity. In the following, the supply of hydrogen by electrolysis is analyzed in more detail. The CO2-based processes for carbon monoxide and methane required about 60 % and 88 % renewable electricity (in 2020 in the EU-27) to reduce global warming impacts compared to the fossil-based processes. If 100 % renewable electricity is used, all CO2-based C1-chemicals reduce global warming and fossil depletion impacts compared to the fossil-based processes. For the assessment of these reductions, also alternative utilization options for renewable electricity (Power-to-X) are analyzed such as electricity storage systems, battery electric vehicles and heat pumps. The highest reductions per electricity used are achieved for heat pumps followed by battery electric vehicles and electricity storage systems. Then, the CO2-based C1-chemicals follow. Since renewable electricity is used more efficiently outside the chemical industry, also biomass-based methane and methanol are analyzed. The utilization of biomass achieves the highest reductions if coal-fired power plants are substituted followed by the production of methanol. For methanol and methane, the yield per biomass can be increased if additional hydrogen is used.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online, print
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT019562816
Interne Identnummern
RWTH-2018-00039
Datensatz-ID: 711834
Beteiligte Länder
Germany
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