Erneuerbares Methanol als Ausgangsstoff für die Bereitstellung von füssigen Kraftstoffen für den Transportsektor

Schorn, Felix; Jupke, Andreas; Stolten, Detlef

doi:43457

Erneuerbares Methanol als Ausgangsstoff für die Bereitstellung von füssigen Kraftstoffen für den Transportsektor = Renewable methanol as an intermediate for the supply of liquid fuels for the transport sector

Schorn, Felix^RWTH*

2024

VerantwortlichkeitsangabeFelix Schorn

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-95806-769-1

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt/ energy & environment ; 636

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Druckausgabe: 2024. - Onlineausgabe: 2024. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Stolten, Detlef (Thesis advisor)^RWTH* ; Jupke, Andreas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-04-26

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-07100
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/990051/files/990051.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Brennstoffzellen (FZ Jülich) (413010)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
carbon capture (frei) ; methanol (frei) ; methanol-to-gasoline (frei) ; methanol-to-kerosene (frei) ; sustainable aviation fuel (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Der Anteil importierter Energie am Primärenergieverbrauch der Europäischen Union nahm von 50 % im Jahr 1990 auf über 60 % im Jahr 2019 zu. Obwohl der weitere Ausbau der erneuerbaren Energieerzeugung und die zunehmende Elektrifizierung aller Sektoren diese Abhängigkeit verringern werden, kann in dem begrenzten Zeitrahmen bis zum Jahr 2045 nicht von einer auf erneuerbarer Energie basierenden, europäischen Energieautarkie ausgegangen werden. Daher werden Importe treibhausgasneutraler Energieträger auf Basis von Wasserstoff im zukünftigen Energiesystem eine entscheidende Rolle spielen. Methanol ist dabei aufgrund der hohen technologischen Reife der direkten Synthese aus Wasserstoff und Kohlendioxid sowie seiner einfachen Handhabung und breiten Anwendbarkeit ein vielfach diskutierter flüssiger Energieträger und steht daher im Fokus dieser Arbeit. Dabei werden zwei Themenfelder zunächst getrennt analysiert und anschließend zusammengeführt. Zum einen wird der Einfluss unterschiedlicher Kohlendioxidquellen auf die wasserstoffbasierte Methanolsynthese untersucht. Hierbeiwerden zwei CO2-Abscheidungsprozesse aus Biogas und aus der Luft entwickelt und mit einer Methanolsynthese gekoppelt. Zum anderen werden Synthesen von Methanol zu den Verkehrskraftstoffen Benzin, Kerosin und Butanol prozesstechnisch und ökonomisch analysiert. Mithilfe der gewonnenen Erkenntnisse aus beiden Themenfeldern wird im Anschluss für unterschiedliche Kohlendioxidquellen der Bedarf an erneuerbarer Energie je Methanol-Folgeprodukt inklusive der damit verbundenen Produktgestehungskosten berechnet. Dabei basiert das Vorgehen dieser Arbeit auf Simulationen mit einheitlichen Systemgrenzen und standardisiertem techno-ökonomischem Vorgehen. Dieses Vorgehen ermöglicht die innovativen CO2-Abscheidungsprozesse und die Prozesssimulationenuntereinander und mit Literaturangaben zu vergleichen. Somit trägt die Arbeit zur systematischen Bewertung von Erzeugungsrouten hin zu treibhausgasneutralen Kraftstoffen bei. Die Ergebnisse der Analyse des Einflusses der Kohlendioxidquellen auf die Methanolproduktion ergeben, dass der Wirkungsgrad der Synthese zwischen 41-60 % variiert und somit eine starke Abhängigkeit vom eingesetzten CO2-Abscheidungsprozess vorliegt. Die techno-ökomische Analyse der Methanol-Folgeprodukte zeigen auf, dass ein hoher Anteil von 71-88 % der in Methanol gespeicherten, chemischen Energie in die drei Zielprodukte zu Kosten zwischen 0,14-0,23 € pro Liter Dieseläquivalent umgewandelt werden kann. Dabei zeigt sich insbesondere der neu entwickelte Prozess von Methanol-zu-Kerosin als vielversprechend, da er die Möglichkeit aufzeigt, normgerechtes Kerosin mit einer hohen Kohlenstoffausbeute von 82 % aus Methanol zu produzieren. Werden die Umwandlungskosten zu den Zielprodukten mit zukünftigen Methanolgestehungskosten von 400-800 €/t für 2030 kombiniert, ergibt sich insgesamt eine Spannweite an Produktgestehungskosten von 0,95-2,65 € pro Liter Dieseläquivalent.

The share of imported energy in the European Union's primary energy consumption increased from 50 % in 1990 to over 60 % in 2019. Although the further extension of renewable energy production and the increasing electrification in every sector will reduce this dependency, a European energy autarky based on renewable energies cannot be assured in the short timeframe given until 2045. Hence, renewable energy imports based on hydrogen will play a vital role within the future energy system. The focus of this work is the widely discussed liquid energy carrier methanol, because of its high technological maturity of direct synthesis from hydrogen and carbon dioxide, as well asits easy handling and broad applicability. Within this thesis, two aspects are first separately analyzed and then combined. First, the influence of different carbon dioxide sources on hydrogen-based methanol synthesis is investigated. Here, two CO2 capture processes from biogas and from air are developed and coupled with a methanol synthesis. Second, various production routes from methanol to the transport fuels gasoline, kerosene and butanol are analyzed in terms of process engineering and economics. With the results obtained from both topics, the demand of renewable energy per methanol downstream product, including the associated net production costs, can then be calculated for different carbon dioxide sources. The approach of this work is based on simulations with consistent system boundaries and standardized techno-economic procedures. This enables the comparison of the innovative CO2 capture processes and the process simulations with each other as well as with literature data, thus contributing to the systematic evaluation of production routes for carbon neutral fuels. The results of the analysis of the influence of carbon dioxide sources on methanol production show that the efficiency of the synthesis varies significantly between 41-60%. The technoeconomic analysis of the methanol downstream products indicates that a high proportion in the range of 71-88% of the chemical energy stored in methanol can be converted into the three target products at costs between 0.14-0.23 € per liter of diesel equivalent. In this context, the newly developed methanol-to-kerosene process shows particular promise, as it demonstrates the possibility of producing standard kerosene with a high carbon yield of 82 % from methanol. When the conversion costs to the target products are combined with future methanol production costs of 400-800 €/t for 2030, the overall range of net production costs is 0.95-2.65 € per liter of diesel equivalent.

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