Verfahren zur Herstellung eines synthetischen Kraftstoffs und System zur Durchführung eines solchen Verfahrens

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines synthe tischen Kraftstoffs. Ferner betrifft die Erfindung ein System, das zur Durch führung eines solchen Verfahren ausgelegt und eingerichtet ist. Zur Produktion nachhaltiger synthetischer Kraftstoffe wird neben erneuerbar, beispielsweise mittels Elektrolyse von Wasser erzeugtem Wasserstoff eine Kohlenstoffquelle benötigt. Da die synthetischen Kraftstoffe einen Beitrag zur Reduktion der Treibhausgasemissionen leisten sollen, ist eine nicht-fossile Kohlenstoffquelle Grundvoraussetzung. Billig et al. haben gezeigt, dass Kohlenstoffdioxid (CO2) als Kohlenstoffquelle einen wichtigen Beitrag zur Produktion synthetischer Kraftstoffe leisten kann, siehe hierzu „Non-fossil CO2 recycling - The technical potential for the present and future utilization for fuels in Germany“, Journal of CO2 utilization, 30 130-141 (2019). Für die Bereitstellung des CO2 sind mehrere Optionen denkbar. Neben prozessbe- dingten Emissionen aus der Industrie und der Abtrennung des Kohlenstoff dioxids aus der Umgebungsluft bieten die besonders in Deutschland weit verbreiteten Biogasanlagen eine mögliche lokale C0 ₂ -Quelle. Biogas besteht aus Methan und 40-60 vol.% CO2. Insgesamt sind in Deutschland fast 10.000 Anlagen in Betrieb, welche etwa 12 Millionen Tonnen Kohlenstoffdi- oxid produzieren. Das Problem ist allerdings die kleinteilige örtliche Vertei lung der Biogasanlagen, wodurch sich eine Auftrennung des Biogases in Biomethan und CO2 nur bei derzeit etwa 256 sehr großer Anlagen mit direk ter Anbindung an das Erdgasnetz wirtschaftlich trägt. Hierbei ist allerdings das abgetrennte Biomethan das gewünschte und vergütete Produkt, wäh- rend das abgetrennte CO2 aktuell noch an die Umgebung angegeben wird, da für dieses keine Verwendung besteht. Als Abtrennungstechnologien ste hen die auch im klassischen Carbon Capture Verfahren in der Industrie an gewandten Technologien zur Verfügung, wie beispielsweise Druckwechsel absorption, Amin- oder Druckwasserwäsche, Membranverfahren und kryo- gene Trennung.

Figur 3 zeigt schematisch ein bekanntes Beispiel einer Biogasanlage. Das die Biogasanlage 20 über die Leitung 21 verlassende, Methan (CFU) und Kohlenstoffdioxid (CO2) aufweisende Biogas wird zunächst in zwei Teilströ- me aufgeteilt, welche durch die Leitungen 22 und 23 geleitet werden. Das durch die Leitung 22 strömende Biogas wird einer Gasverbrennungsanlage 24 zugeführt, bei der es sich vorliegend um ein Blockheizkraftwerk handelt, wo es zur Erzeugung von Strom und Wärme eingesetzt wird, wobei die Wärme zum Betreiben der Biogasanlage 20 eingesetzt wird. Je nach Wär- mebedarf der Biogasanlage müssen bis zu 50% des in der Biogasanlage erzeugten Biogases in der Biogasverbrennungsanlage verbrannt werden und gelangt somit nicht in die Aufbereitung. Das durch die Leitung 23 strömende Biogas gelangt zur Aufbereitungsanlage 25, wo es unter Einsatz einer der oben genannten Technologien in Biomethan (CH4) und Kohlenstoffdioxid (CO2) aufgetrennt bzw. separiert wird. Dafür sind gewisse Aufwände an thermischer und/oder elektrischer Energie erforderlich, welche beispielsweise in Adler et al. aufgelistet sind, siehe hierzu „Leitfaden Biogasaufbereitung und -einspeisung, Fachagentur nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR), (2014). Das die Aufbereitungsanlage 25 über die Leitung 26 verlassende Biomethan kann beispielsweise ins Erdgasnetz eingespeist werden. Das die Aufbereitungsanlage 25 über die Leitung 27 verlassende Kohlenstoffdioxid wird normalerweise in die Umgebung abgelassen. Es stünde somit grund sätzlich auch zur Produktion synthetischer Kraftstoffe zur Verfügung. Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorlie genden Erfindung, ein alternatives und umweltfreundliches Verfahren zur Herstellung eines synthetischen Kraftstoffs zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines synthetischen Kraftstoffs, umfassen die Schritte: a) Zerlegung von Wasser (H ₂ O) in Sauerstoff (O ₂ ) und Wasserstoff (H ₂ ) unter Verwendung eines Elektrolyseurs; b) Erzeugung eines Biogases umfassend Methan (CH ₄ ) und Kohlenstoffdioxid (CO ₂ ) unter Verwendung einer Biogas anlage; c) Erzeugung von Strom und/oder Wärme in einer Gasverbren nungsanlage unter Verwendung von in der Biogasanlage erzeugtem Biogas (CH ₄ , CO ₂ ) und aus der Elektrolyse gewonnenem Sauerstoff (O ₂ ); d) Be handeln des die Gasverbrennungsanlage verlassenden, Wasser (H ₂ O) und Kohlenstoffdioxid (CO ₂ ) aufweisenden Abgases derart, dass diesem Wasser (H ₂ O) zumindest teilweise entzogen wird, insbesondere mittels Kondensati on; und e) Erzeugung von synthetischem Kraftstoff in einer Kraftstoffsynthe seanlage unter Verwendung von aus dem Abgas der Gasverbrennungsan lage gewonnenem Kohlenstoffdioxid (CO ₂ ) und aus der Elektrolyse gewon nenem Wasserstoff (H ₂ ). Ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Gasverbrennungsanlage im Oxyfuelprozess betrieben wird, und dass das die Gasverbrennungsanlage verlassende Abgas entsprechend nur aus Kohlenstoffdioxid (CO ₂ ) und Wasser (H ₂ O) besteht, was die Abtren nung gegenüber den eingangs genannten Abscheidetechnologien deutlich vereinfacht, da das Wasser lediglich auskondensiert werden muss. Zusätz lich wird durch dieses Verfahren der gesamte Kohlenstoff des Biogases der anschließenden Kraftstoffsynthese zur Verfügung gestellt. Das auf diese Weise gewonnene CO ₂ hoher Reinheit wird im Anschluss zur Kraftstoffsyn these genutzt, für die der Elektrolyseur den zusätzlich benötigten Wasserstoff (H ₂ ) liefert. Insgesamt schafft die Erfindung somit ein sehr umweltfreundli ches Kraftstoffsyntheseverfahren. Vorteilhaft erfolgt die Erzeugung von Strom und/oder Wärme in Schritt c) un ter Verwendung von aus dem Abgas der Gasverbrennungsanlage gewon nenem und gekühltem Kohlenstoffdioxid (CO ₂ ) zur Regulierung der Ver- brennungstemperatur, um in der Abgasverbrennungsanlage zu hohe Tem peraturen einer Verbrennung mit reinem Sauerstoff durch Abgasrückführung zu vermeiden. Somit ersetzt das rückgeführte C02 die Rolle des Inertgases, die normalerweise der in der Umgebungsluft enthaltene Stickstoff spielt. Der Verbrennungsprozess ist dabei bevorzugt derart eingestellt, dass gegenüber einem Verbrennungsbetrieb unter Verwendung von Umgebungsluft keine höheren Temperaturen und keine höheren Drücke entstehen. Somit wird der Motor nicht stärker als im Nennbetrieb belastet.

Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Schritt c) Wärme erzeugt, wobei diese Wärme zumindest teilweise zum Be treiben der Biogasanlage verwendet wird.

Vorteilhaft handelt es sich bei der Gasverbrennungsanlage um ein Block heizkraftwerk. Wie es eingangs bereits beschrieben wurde, sind solche Blockheizkraftwerke insbesondere in Deutschland weit verbreitet, so dass sie durch einfache Umrüstung in Kombination mit einer Installation eines Elekt rolyseurs und einer Kraftstoffsyntheseanlage zur Kraftstoffsynthese einge setzt werden können. Bei der Kraftstoffsyntheseanlage handelt es sich bevorzugt um eine Metha nolsyntheseanlage, da für diese die beiden Edukte Wassersoff (H ₂ ) und Kohlenstoffdioxid (CO ₂ ) ohne weitere Aufbereitung ausreichen. Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird der in Schritt e) erzeugte synthetische Kraftstoff an der Kraftstoffsyntheseanlage in Trans portbehälter gefüllt, also dezentral abgefüllt. Bevorzugt sind die Auslegung des Elektrolyseurs, der Biogasanlage, der Gasverbrennungsanlage und der Kraftstoffsyntheseanlage derart aufeinan der abgestimmt, dass sich die Gasverbrennungsanlage und die Kraft stoffsyntheseanlage kontinuierlich betreiben lassen. Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein System umfassend zumindest einen Elektrolyseur, zumindest eine Biogasanlage, zumindest eine Gasver brennungsanlage und zumindest eine Kraftstoffsyntheseanlage, wobei das System zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt und eingerichtet ist.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Verfahrens gemäß einer Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung sowie eines zur Durchführung des Verfahrens eingesetzten Systems unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist

Figur 1 ein Ablaufdiagramm, das die Verfahrensschritte eines

Verfahrens zur Fierstellung eines synthetischen Kraftstoffs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Figur 2 eine schematische Ansicht eines Systems gemäß einer

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das zur Durchführung des Verfahrens gemäß Figur 1 eingesetzt wird; und Figur 3 eine schematische Ansicht einer bekannten Biogasanla ge mit Aufbereitungsanlage.

Figur 1 zeigt ein Verfahren zur Fierstellung eines synthetischen Kraftstoffs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das unter Einsatz des in Figur 2 dargestellten Systems 10 durchgeführt wird. In einem ersten Schritt a) wird unter Einsatz eines Elektrolyseurs 2 Wasser (FhO) in Sauer stoff (O ₂ ) und Wasserstoff (FI2) zerlegt. Das Wasser wird dem Elektrolyseur 2 über eine Leitung 3 zugeführt. Die Abfuhr des Sauerstoffs erfolgt über eine Leitung 4, die des Wasserstoffs über eine Leitung 5. Ferner wird in Schritt b) in einer Biogasanlage 6 in an und für sich bekannter Weise ein Biogas er zeugt, dass sich aus Methan (CH ₄ ) und Kohlenstoffdioxid (CO ₂ ) zusammen setzt, wobei der Anteil an CO ₂ etwa zwischen 40-60 vol.% betragen kann. Das Biogas strömt über die Leitung 7 aus der Biogasanlage 6. In Schritt c) werden Strom und Wärme in einer Gasverbrennungsanlage 8 unter Ver wendung von in der Biogasanlage 6 erzeugtem Biogas (CH ₄ , CO ₂ ) und aus der Elektrolyse gewonnenem Sauerstoff (O ₂ ) erzeugt, wobei das Biogas und der Sauerstoff der Gasverbrennungsanlage 8 über eine Leitung 9 zugeführt werden, vorliegend zusammen mit über eine Rückführleitung 10 zugeführtem Kohlenstoffdioxid (CO ₂ ). Bei der Gasverbrennungsanlage 8 handelt es sich bevorzugt um ein Blockheizkraftwerk. Die in der Gasverbrennungsanlage 8 erzeugte Wärme wird zumindest teilweise zum Betreiben der Biogasanlage 6 genutzt. In Schritt d) wird das die Gasverbrennungsanlage 8 über eine Lei tung 11 verlassenden, Wasser (H ₂ O) und Kohlenstoffdioxid (CO ₂ ) aufwei- sende Abgas derart behandelt, dass diesem Wasser (H ₂ O) entzogen wird, insbesondere unter Einsatz eines nicht näher dargestellten Kondensators. Das Wasser wird über eine Leitung 12 abgeschieden. Das verbleibende Kohlenstoffdioxid (CO ₂ ) strömt in die Leitung 13. Die Leitung 13 ist über die Rückführleitung 10 einerseits mit der Leitung 9 gekoppelt, um durch die Rückführung von CO ₂ zu hohe Temperaturen und Drücke während der Ver- brennung des in der Biogasanlage 6 gewonnenen Biogases in der im Oxyfuelprozess betriebenen Gasverbrennungsanlage 8 zu vermeiden. An dererseits ist die Leitung 13 über eine Leitung 14 mit einer Kraftstoffsynthe seanlage 15 gekoppelt, in der in Schritt e) synthetischer Kraftstoff unter Ver- Wendung von aus dem Abgas der Gasverbrennungsanlage 8 gewonnenem Kohlenstoffdioxid (CO2) und aus der Elektrolyse gewonnenem Wasserstoff (H2) erzeugt wird, das der Kraftstoffsyntheseanlage 15 über die Leitung 5 zugeführt wird. Bei der Kraftstoffsyntheseanlage 15 handelt es sich vorlie gend um eine Methanolsyntheseanlage, die als Edukte lediglich Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid benötigt. Der erzeugte Kraftstoff wird dann bevorzugt lokal in Transportbehälter abgefüllt. Die Auslegung des Elektrolyseurs 2, der Biogasanlage 6, der Gasverbrennungsanlage 8 und der Kraftstoffsynthese anlage 15 sind vorliegend derart aufeinander abgestimmt, dass sich die Gasverbrennungsanlage 6 und die Kraftstoffsyntheseanlage 15 kontinuierlich betreiben lassen.

Es sollte klar sein, dass die zuvor beschriebenen Ausführungsform nicht als einschränkend zu verstehen ist. Vielmehr sind Modifikationen und/oder Än derungen möglich, ohne den durch die beiliegenden Ansprüche definierten Schutzbereich zu verlassen.

Bezugszeichenliste

1 System

2 Elektrolyseur 3 Leitung

4 Leitung

5 Leitung

6 Biogasanlage

7 Leitung 8 Gasverbrennungsanlage

9 Leitung

10 Rückführleitung

11 Leitung

12 Leitung 13 Leitung

14 Leitung

15 Kraftstoffsyntheseanlage

16 Transportbehälter

20 Biogasanlage 21 Leitung

22 Leitung

23 Leitung

24 Gasverbrennungsanlage

25 Aufbereitungsanlage5 26 Leitung

27 Leitung