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Chemische, verfahrenstechnische und ökonomische Bewertung von Kohlendioxid als Rohstoff in der chemischen Industrie = Chemical, procedural and economic evaluation of carbon dioxide as feedstock in the chemical industry



VerantwortlichkeitsangabeAlexander Otto

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich, Zentralbibliothek 2015

UmfangVIII, 272 S. : graph. Darst.

ISBN978-3-95806-064-7

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich : Reihe Energie & Umwelt ; 268


Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015


Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
;

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-04-13

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-026378
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/478446/files/478446.pdf

Einrichtungen

  1. Lehrstuhl für Brennstoffzellen (FZ Jülich) (413010)
  2. Lehrstuhl für Heterogene Katalyse und Technische Chemie (155310)
  3. Fachgruppe Chemie (150000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; CO2-Nutzungsreaktionen (frei) ; CO2 als Rohstoff (frei) ; Prozessentwürfe von CO2-Nutzungsreaktionen (frei) ; Simulation von CO2-Nutzungsreaktionen (frei) ; Wirtschaftlichkeit von CO2-Nutzungsreaktionen (frei) ; Bewertung von CO2-Nutzungsreaktionen (frei) ; Potentiale der CO2-Nutzung (frei) ; Identifikation von sinnvollen CO2-Nutzungsreaktionen (frei) ; CO2 utilization reactions (frei) ; CO2 as a feedstock in the chemical industry (frei) ; process designs of CO2 utilization reactions (frei) ; simulations of CO2 utilization reactions (frei) ; economy of CO2 utilization reactions (frei) ; evaluation of CO2 utilization reactions (frei) ; potential of CO2 utilization (frei) ; identification of suitable CO2 utilization reactions (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Nutzung von Kohlendioxid als Rohstoff in der chemischen Industrie stellt eine Alternative zur, in Deutschland gesellschaftlich umstrittenen und gesetzlich limitierten, geologischen Speicherung dar. Wissenschaftliche Publikationen über CO2-Nutzungsreaktionen beschäftigen sich in der Regel ausschließlich mit der Durchführbarkeit der Synthese, ohne das CO2-Reduktionspotential sowie die wirtschaftliche Umsetzbarkeit gegenüber entsprechenden konventionellen Herstellungsverfahren zu betrachten. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin CO2-Nutzungsreaktionen zu identifizieren, die das Potential aufweisen zur Reduktion von CO2-Emissionen beizutragen und deren großtechnische Umsetzung, CO2-Bilanz und Wirtschaftlichkeit gegenüber dem konventionellen Prozess zu bewerten. Um dies zu erreichen wurden 123 CO2-basierte Synthesen aus der Literatur erfasst und anhand von eigens definierten Kriterien, die sowohl das mengenmäßige Potential zur Reduktion von CO2, als auch das mögliche wirtschaftliche Interesse an diesen Reaktionen berücksichtigen, bewertet. Neben der Einordnung der betrachteten Reaktionen konnte durch die Bewertung ein CO2-Vermeidungspotential der betrachteten 123 Reaktionen in Höhe von 1,33 % der Treibhausgas-Emissionen der Europäischen Union ermittelt werden. Für die Chemikalien Ameisensäure, Oxalsäure, Formaldehyd, Methanol, Harnstoff und Dimethylether, die die Auswahlkriterien am ehesten erfüllt haben, erfolgte ein direkter Vergleich des potentiellen CO2-basierten mit dem konventionellen Verfahren. Mittels Literaturdaten, Prozessentwürfen und -simulationen konnte gezeigt werden, dass die Herstellung von Methanol mit 1,43 kgCO2/kgMeOH und Dimethylether mit 2,17 kgCO2/kgDME die höchste CO2-Reduktion gegenüber dem konventionellen Verfahren erreicht. Voraussetzung ist jedoch, dass der für die Reaktionen benötigte Wasserstoff aus Elektrolyse stammt, die mit Strom aus erneuerbaren Energien betrieben wird. Die CO2-basierten Herstellungsverfahren von Methanol und Dimethylether können somit bei vollständiger Substitution der konventionellen Prozesse innerhalb der Europäischen Union (EU) zu einer Reduktion von 0,059 % der Treibhausgas-Emissionen der EU beitragen. Für die CO2-basierten Prozesse zu Herstellung von Methanol und Dimethylether konnte anschließend gezeigt werden, dass die Herstellkosten des CO2-basierten Prozesses um das 3,3-fache beziehungsweise um 2,3-fache höher sind als beim entsprechenden konventionellen Prozess. Daraus resultieren CO2-Vermeidungskosten in Höhe von 540 €/tCO2 bei der CO2-basierten Herstellung von Methanol und 440 €/tCO2 bei Dimethylether, die 90 beziehungsweise 73-mal höher sind als bei der geologischen Speicherung von CO2 in Aquiferen. Sinken hingegen die angesetzten Kosten des benötigten Wasserstoffes von den 5,22 auf 1,22 beziehungsweise 1,76 €/kgH2 entstehen keine Vermeidungskosten bei der Nutzung von CO2 als Rohstoff für die Synthese von Methanol und Dimethylether.

The utilisation of CO2 as feedstock in the chemical industry represents an alternative to the geological storage, which is legally limited and socially debated. Generally, scientific publications about the utilisation of CO2 in chemical reactions typically address the feasibility of the syntheses without paying attention to the CO2 reduction potential or the economy in contrast to the conventional process of production. The aim of this doctoral thesis is to identify chemical reactions with CO2 as feedstock, which have the potential to reduce CO2 emissions. These reactions are evaluated concerning the industrial realization, CO2 balance and economy compared to the conventional processes. To achieve this, 123 reactions from the literature were collected and evaluated with the help of selection criteria developed specifically for this application. The criteria consider both, the quantitative potential to reduce CO2 and possible economical interests in these reactions. Additional to the process of the evaluation of the reactions, a CO2 reduction potential of 1.33 % of the greenhouse gas emissions within the European Union could be calculated. For the chemicals formic acid, oxalic acid, formaldehyde, methanol, urea and dimethyl ether, which most fully satisfy the selection criteria, a direct comparison of the CO2 based process with the conventional process is performed. By literature data, process designs, and simulations, it has been shown that the highest reductions of CO2 emissions can be achieved for methanol with 1.43 kgCO2/kgMeOH and dimethyl ether with 2.17 kgCO2/kgDME, but only with the assumption that the necessary hydrogen for the CO2 based reaction is produced by electrolysis operated with renewable energy. Overall, the CO2 based production processes of methanol and dimethyl ether could reduce 0.059 % of the greenhouse gas emissions of the European Union (EU) if all conventional processes are substituted in the EU. Finally, for the CO2 based processes of methanol and dimethyl ether it could be shown that the manufacturing costs are 3.3 or 2.9 times higher than for the corresponding conventional processes. The result of this are CO2 abatement costs of 540 €/tCO2 for the CO2 based production of methanol and 440 €/tCO2 for dimethyl ether. These abatement costs are respectively 90 and 73 times higher than for the geological storage of CO2. For the case, that the production costs for the necessary hydrogen decrease from 5.22 to 1.22 or 1.76 €/kgH2 no abatement costs are necessary.

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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book

Format
online, print

Sprache
German

Externe Identnummern
HBZ: HT018701270

Interne Identnummern
RWTH-2015-02637
Datensatz-ID: 478446

Beteiligte Länder
Germany

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Faculty of Mathematics, Computer Science and Natural Sciences (Fac.1) > Department of Chemistry
Faculty of Mechanical Engineering (Fac.4)
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Publications database
155310
413010
150000

 Record created 2015-05-28, last modified 2023-04-08


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