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Methanol als Energieträger in Methanol als Energieträger in einem nachhaltigen einem nachhaltigen
Energiesystem?Energiesystem?
Markus RaschkaMarkus Raschka
Fachgebiet EnergiesystemeFachgebiet EnergiesystemeVeranstaltung „Neue Entwicklung auf den Energiemärkten“Veranstaltung „Neue Entwicklung auf den Energiemärkten“
am 04.07.2002am 04.07.2002
Folie Folie 22/33 /33
Grundlagen: Methanol und Methanolherstellung Methanolproduktion Methanolpreis Verwendung von Methanol Methanol als Energieträger CO2-Reduktion Zusammenfassung und Ausblick
GliederungGliederung
Folie Folie 33/33 /33
Grundlagen
Methanol (Methylalkohol, Holzgeist): • chemische Verbindung CH3OH• flüssig, farblos, Geruch alkoholartig• giftig, Wassergefährdungsklasse (WGK) 1
GrundlagenGrundlagen
GrundlagenGrundlagen
Molekulargewicht 32,04 kg/molSiedepunkt (1013 mbar) 64,509 °CDichte (20°C) 791,3 kg/m3Heizwert (Hu) 19468 kJ/kgBrennwert (Ho) 22315 kJ/kg
Stoffdaten zu Methanol:
Folie Folie 44/33 /33
Herstellung von Methanol
Zur Herstellung von Methanol sind derzeit alle Kohlenwasserstoffe geeignet:
• Erdgas• Erdöl• Kohle• Biomasse, u.a.
Herstellung von MethanolHerstellung von Methanol
GrundlagenGrundlagen
Fließbild zur Methanolherstellung:
Kohlen-wasserstoffe
Synthesegas(CO, H2, CO2)
MethanolCH3OH
Reformierung/ Methanol-SyntheseTeiloxidation
Folie Folie 55/33 /33
Synthesegas (CO, H2, CO2) wird zu Methanol konvertiert:
1. Reaktion: CO + 2H2 CH3OH mit HR = -91 kJ/kmol
2. Reaktion: CO2 + 3H2 CH3OH mit HR = -50 kJ/kmol
Reaktion läuft unter hohem Druck im Beisein eines Katalysators ab (z.B. Kupfer).
GrundlagenGrundlagen
Chemische Reaktionen zur MethanolsyntheseChemische Reaktionen zur Methanolsynthese
Man unterscheidet: Hochdruck-Prozesse mit Drücken von 250 bis 300 bar Mitteldruck-Prozesse mit Drücken von 100 bis 250 bar Niedrigdruck-Prozesse mit Drücken von 50 bis 100 bar
Folie Folie 66/33 /33 GrundlagenGrundlagen
Herstellung von Synthesegas zur Herstellung von Synthesegas zur MethanolproduktionMethanolproduktion
Prozesse zur Synthesegasherstellung sind• die Reformierung mit Wasserdampf• die Teiloxidation• kombinierte Verfahren
Reformierung mit Wasserdampf (Methan-Dampf-Reformierung): CH4 + H2O CO + 3H2 mit HR = 205 kJ/kmol
Teiloxidation: CnHm + n/2 O2 n CO + m/2 H2
Folie Folie 77/33 /33
Herstellung von Synthesegas zur Herstellung von Synthesegas zur MethanolproduktionMethanolproduktion
GrundlagenGrundlagen
Kombinierte Verfahren:
Zur Zeit werden über 90% kombinierte Verfahren aus Dampf-Reformierungund Teiloxidation zur Synthesegas-/ Methanol-produktion verwendet.
Hersteller: ICI, Lurgi, Topsoe
Erdgas
Entschwefelung
Dampf-Reformer
Autothermer Reformer O2
Synthesegas
Methanolsynthese
Rohmethanol
Fließbild Kombiniertes Verfahren:
Folie Folie 88/33 /33 MethanolproduktionMethanolproduktion
Rohstoffeinsatz zur MethanolproduktionRohstoffeinsatz zur Methanolproduktion
Methanolproduktionskapazität Welt
Erdgas84%
Kohle2%
Raffinerie-gas1%
Rück-standsöl
4%
Unbekannt9%
34,9 Mio. t/a (2000)
Methanolproduktionskapazität Deutschland
Biomasse(Müll)5%
Raffinerie-gas21%
Rück-standsöl
74%
1,91 Mio. t/a (2002)
Folie Folie 99/33 /33
Methanolproduktion Deutschland und WeltMethanolproduktion Deutschland und Welt
Methanolproduktionskapazität Deutschland (1,93 Mio t/a):
FIRMA STANDORT PROZESS ROHSTOFF KAPAZITÄT[1000 t/a]
BASF LUDWIGSHAFEN BASF/LURGI RAFFINERIEGAS 400DEA WESSELING LURGI RÜCKSTANDSÖL 450
LEUNAWERKE LEUNA LURGI RÜCKSTANDSÖL 660VEBA GELSENKIRCHEN LURGI RÜCKSTANDSÖL 300SVZ SPREEWITZ Abfall/Steinkohle 120
MethanolproduktionMethanolproduktion
Methanolproduktionskapazität Welt (35,05 Mio t/a):
KONTINENT KAPAZITÄT[1000 t/a]
NORD-AMERIKA 8.240SÜD-AMERIKA 6.548
EUROPA 7.530MITTLERER OSTEN / AFRIKA 6.756
ASIEN / PAZIFIK 5.976
Weltmarktführer mit 26% Marktanteil ist METHANEX.
Folie Folie 1010/33 /33
Methanolproduktion Deutschland
0
200.000
400.000
600.000
800.000
1.000.000
1.200.000
1.400.000
1.600.000
1.800.000
2.000.000
1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000
Jahr
MeO
H-P
rodu
ktio
n [t
/a]
Methanolproduktion DeutschlandMethanolproduktion Deutschland
MethanolproduktionMethanolproduktion
Folie Folie 1111/33 /33
Methanolproduktion WeltMethanolproduktion Welt
MethanolproduktionMethanolproduktion
TENDENZENTENDENZEN :• Weltweite Methanolproduktionskapazität steigt (1989: 21 Mio t/a; 2000: 35 Mio t/a)
• Errichtung größerer Methanol-Produktionsstätten mit Kapazitäten größer als 1000 ktMeOH/a
• Methanol-Produktionsstätten an Orten mit billigem Erdgas (z.B. Mittlerer Osten, Trinidad)
• Kapital-Investitionskosten der Methanol-Produktionsstätten sinken von derzeit 320 $/(tMeOHpa) auf 200 $/(tMeOHpa)
• Maritime Transportkosten von Methanol sind gering: <6 $/tMeOH (z.B. Neufundland-Europa)
Folie Folie 1212/33 /33
MethanolpreisMethanolpreis
MethanolpreisMethanolpreis
Methanolpreis Europa:2.Quartal 2002: 145 Euro/t (FOB Rotterdam)
Methanolpreis USA: April 2002: 125 $/t Mai 2002: 166 $/t
Methanolpreis Methanex:
Juni 2002: 186 $/t
Folie Folie 1313/33 /33
MethanolpreisMethanolpreis
MethanolpreisMethanolpreis
Zusammenhang: Erdgaspreis-Methanolpreis
Sensitivität des Erdgaspreises auf den Methanolpreis:
Änderung des Erdgaspreises um 1 $/GJ
Änderung des Methanolpreises um 37 $/t
Folie Folie 1414/33 /33
MethanolpreisMethanolpreis
MethanolpreisMethanolpreis
0
50
100
150
200
250
300
Q1
1996
Q2
1996
Q3
1996
Q4
1996
Q1
1997
Q2
1997
Q3
1997
Q4
1997
Q1
1998
Q2
1998
Q3
1998
Q4
1998
Q1
1999
Q2
1999
Q3
1999
Q4
1999
Q1
2000
Q2
2000
Q3
2000
Q4
2000
Q1
2001
Q2
2001
Q3
2001
Q4
2001
Q1
2002
Quartal
Met
hano
lpre
is [U
S$/t]
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
9,00
Erdg
aspr
eis
[US$
/GJ]
Erdgaspreis (Wellhead)Methanolpreis (Methanex)Lidderdale Methanolpreis
Folie Folie 1515/33 /33
Formaldehyd (Phenolharze, Harnstoffharze, Melaminharze, Holzschutzmittel, Desinfektionsmittel u.v.m.)EssigsäureVergällungsmittelMethylisierungsmittel (Pharmazeutika, Farben, Absorptionsmittel)GefrierschutzmittelTieftemperatur GaswäscheKühlmittel in KälteanlagenLösungsmittel (für Harze, Wachse, anorganische Salze, Polymere)VitaminprodukteChemische Synthesen (Insektizide, Sprengstoffe, Duftstoffe, Plexiglas) Niedere Olefine, niedere AromatenMTBE (Bleiersatz im Benzin)M3, M15, M85, M100 (Benzinzusatz und Benzinersatz)Synthesegas, WasserstoffÜberführung in SNG (Methan)
MethanolverwendungMethanolverwendung
Verwendung von MethanolVerwendung von Methanol
Folie Folie 1616/33 /33
Verwendung von MethanolVerwendung von MethanolWeltweite Verwendung von Methanol imWeltweite Verwendung von Methanol im Jahr 2000 Jahr 2000
MethanolMethanol28 Mio t/a28 Mio t/a
Formaldehyd35,5%
MTBE28%
Essigsäure7%
Lösungsmittel,MMA, DMT
8%
Andere21,5%
Hauptsächlicher Einsatz von Methanol als Chemierohstoff und Additiv im Verkehrssektor
MethanolverwendungMethanolverwendung
Folie Folie 1717/33 /33
Verwendung von Methanol als ChemierohstoffVerwendung von Methanol als Chemierohstoff
Formaldehyd HCHOFormaldehyd HCHO: • Verwendung in der Leim- und Kunstoffproduktion• Herstellung von Holzschutzmitteln und Desinfektionsmitteln Produktionsmengen: Deutschland ca. 500 kt/a
Welt ca. 5000 kt/a
Essigsäure CHEssigsäure CH33COOHCOOH: • Herstellung von Essigsäureester, Celluloseacetat (zur Kunstseideherstellung), Lösungsmittel (Lacke, Harze) und Additiv in der Textilindustrie
Lösungsmittel, MMA (Methylmetacrylat), DMT (Dimethylterephtalat):Lösungsmittel, MMA (Methylmetacrylat), DMT (Dimethylterephtalat): • Lösungsmittel auf Basis von Methanol (Methylamine) werden in Insektiziden und Pharmazeutika verwendet• MMA wird bei der Herstellung von Acrylglas eingesetzt• DMT bei der Herstellung von PET (Polyethylentherephtalat)
MethanolverwendungMethanolverwendung
Folie Folie 1818/33 /33
Verwendung von Methanol im VerkehrssektorVerwendung von Methanol im Verkehrssektor
MTBE (Metyltertiärbutylether): MTBE (Metyltertiärbutylether): • Verwendung als Antiklopfmittel und Ersatz für organische Bleiverbindungen im Benzin• MTBE besitzt eine hohe Oktanzahl (ROZ: 117, MOZ: 101)• MTBE wirkt emissionsmindernd (CO und H-C) im Benzin
Kraftstoffe M3, M15, M85, M100: Kraftstoffe M3, M15, M85, M100: Mischkraftstoffe, bei denen Methanol dem Benzin direkt zugegeben wird. M3: 3% Zumischung von Methanol zum Benzin M100: 90% Methanol
MethanolverwendungMethanolverwendung
Folie Folie 1919/33 /33
Welt-MethanolbedarfWelt-Methanolbedarf
Prognose: Bedarfszuwachs bis 4 % pro Jahr
0
5
10
15
20
25
30
1997 1998 1999 2000 2001
Jahr
Mio
t/a Andere
Essigsäure
MTBE
Formaldehyd
MethanolverwendungMethanolverwendung
Folie Folie 2020/33 /33
Methanol- Weltbedarf nach KontinentenMethanol- Weltbedarf nach Kontinenten
0
2
4
6
8
10
12
Mio
t/a
1997 1998 1999 2000 2001
Jahr
Nord-Amerika
Europa
Asien-Pazifik
Lateinamerika
Mittlerer Osten
MethanolverwendungMethanolverwendung
Folie Folie 2121/33 /33
Zukünftige Verwendung von MethanolZukünftige Verwendung von Methanol
MethanolverwendungMethanolverwendung
Methanol-To-Propylen: • Neuer Prozess zur Propylenherstellung von LURGI• Bisher basiert 98% der Propylenherstellung auf Erdöl• Prognostizierte Steigerung der Propylennachfrage um 6% pro Jahr
Methanol als Energiespeicher/Energieträger
Fuel Methanol in Brennstoffzellen (DMFC)
Folie Folie 2222/33 /33
Konkurrenz von MethanolproduktenKonkurrenz von Methanolprodukten
Produkt Rohstoff Produkt Rohstoff
Formaldehyd Methanol - -
Propylen Methanol Propylen Erdöl
Olifene Methanol Olifene Leichtbenzin
MTBE Methanol ETBE EthanolAlkylate Isobutylen + Isobutan
Isooctane Isobutylen + Isobutylen
Brennstoffzelle Methanol Brennstoffzelle Wasserstoff, ErdgasBrennstoff Brennstoff
Konkurrenz Methanolprodukte
MethanolverwendungMethanolverwendung
Folie Folie 2323/33 /33
Methanol als EnergieträgerMethanol als Energieträger
Methanol als EnergieträgerMethanol als Energieträger
Methanol kann mit Wasserdampf einfach in Kohlendioxid und Wasserstoff zerlegt werden und damit als Kraftstoff für Brennstoffzellen eingesetzt werden.
CH3OH + H2O CO2 + 3H2 mit HR(T=473K) = 58,4 kJ/kmol
Folie Folie 2424/33 /33
Methanol als Energieträger: Methanol als Energieträger: Vergleich mit WasserstoffVergleich mit Wasserstoff
Methanol als EnergieträgerMethanol als Energieträger
Methanol ist leicht zu lagern und zu transportieren.
Methanol WasserstoffMeOH LH2
Energiespeicher pro m3
1.100 m3 H2 bei Umgebungs-bedingungen
800 m3 H2 bei -253°C
Transportverluste (5000 km maritim)
ca. 2% ca. 10%
Folie Folie 2525/33 /33
Methanol als Energieträger: Methanol als Energieträger: TransportTransport
Methanol als EnergieträgerMethanol als Energieträger
0
5
10
15
20
25
30
0 1000 2000 3000 4000 5000Distanz [km]
Erdg
as-T
rans
port
[BC
M/a
]
AC Wire DC Wire
GAS to LIQUIDS:Syndiesel DME Methanol
PIPELINE LNG
LNG Kapitalinvestition Produktion
0
100
200
300
400
500
600
700
1965-75 1975-85 1985-95 1995-00 Trinidad
[$/tp
a]
Methanol Kapitalinvestition Produktion
0
50
100
150
200
250
300
350
IndustrieStandard
Chile II Titan Mega Methanoland DME
[$/tp
a]
Folie Folie 2626/33 /33
Methanol als EnergieträgerMethanol als Energieträger
Methanol als EnergieträgerMethanol als Energieträger
unbelastetes Holz oder Altholz Luft
Ernte
Transport
Hacken
Trocknen
Vergasung Luftzerlegung
Gasreinigung/-kühlungDampf
Entschwefelung H2-AbtrennungH2
Methanolsynthese Purgegas
Destillation BHKW
Regionalverteilung/Betankung
Methanol (z.B. Tankstelle) Strom Wärme
Regenerativer Methanol-PfadRegenerativer Methanol-Pfad von Biomasse (Holz) bis zur Tankstelle:• Der Methanolpreis bei Tankstellenabgabe kann mit 32,5 bis 42,5 Eurocent/Liter prognostiziert werden.
Vergleich:Vergleich:Fossiler Methanol-PfadFossiler Methanol-Pfad von Erdgas bis zur Tankstelle:• Der Methanolpreis bei Tank-stellenabgabe kann mit 83 Eurocent/Liter (ohne Mineral-ölsteuer 14 Eurocent/Liter) prognostiziert werden.
Folie Folie 2727/33 /33
Methanol als Energieträger: Kostenvergleich von Methanol als Energieträger: Kostenvergleich von KraftstoffenKraftstoffen
Methanol als EnergieträgerMethanol als Energieträger
0
20
40
60
80
100
120
140
160
1 l OttokraftstoffNormal 33,6MJ
1 l Biodiesel35,8 MJ
1,6 l Methanol(regenerativ)
33,4 MJ
1,6 l Methanol (fossil)
33,4 MJ
Kos
ten
[Eur
ocen
t/Tre
ibst
offä
quiv
alen
t]
MinSt, ÖkoSt, MwSt
Herst., Transp., Vertr.
Folie Folie 2828/33 /33
COCO22-Reduktion in Deutschland-Reduktion in Deutschland
Kyoto-Abkommen: Reduktion von Treibhausgasen (CO2, CH4, N2O, SF6) in
Deutschland um 21% bis 2008 bzw. 2012 (gegenüber 1990)
Selbstverpflichtung Deutschlands CO2-Emissionen zu senken minus 25 % bis 2005 minus 30 % bis 2010 (gegenüber 1990)
CO2-Emissionen Deutschland:
1990: 1.014 Mio t 1999: 859 Mio t (-15,3% gegenüber 1990) 2000: 868 Mio t (-14,4% gegenüber 1990)
Ziel 2005: 761 Mio t (Deckungslücke 100 Mio t CO2)
COCO22-Reduktion-Reduktion
Folie Folie 2929/33 /33
COCO22-Emission im Verkehrssektor-Emission im Verkehrssektor
COCO22-Reduktion-Reduktion
Quelle: www.bmu.de
Folie Folie 3030/33 /33
COCO22-Reduktion: Einsatz von Methanol-Reduktion: Einsatz von Methanol
Wieviel COWieviel CO22-Emissionen können durch den Einsatz von Methanol -Emissionen können durch den Einsatz von Methanol im Verkehrssektor vermieden werden?im Verkehrssektor vermieden werden?
(1) Fossiler MethanolFossiler Methanol aus Erdgas: 69,1 g CO2/MJ
Vermiedende CO2-Emissionen im Vergleich zum Benzin: 17,3 g CO2/MJ
Substitution von ca. 3 t Benzin senken COSubstitution von ca. 3 t Benzin senken CO22-Emission um 1 t-Emission um 1 t
(2) Regenerativer MethanolRegenerativer Methanol aus Biomasse (Holz): 9,1 g CO2/MJ
Vermiedende CO2-Emissionen im Vergleich zum Benzin: 77,3 g CO2/MJ
Substitution von ca. 0,65 t Benzin senken COSubstitution von ca. 0,65 t Benzin senken CO22-Emission um 1 t-Emission um 1 t
CO2-Emissionen werden bei Herstellung von regenerativen Methanol aus Biomasse gegenüber fossilen Methanol aus Erdgas um den Faktor 8 gesenkt
COCO22-Reduktion-Reduktion
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COCO22-Reduktion: Einsatz von Methanol im -Reduktion: Einsatz von Methanol im VerkehrssektorVerkehrssektor
COCO22-Reduktion-Reduktion
Emissionen im Vergleich
0 50 100 150 200
BenzinMethanol (Erdgas)
Methanol (Biomethanol)
BenzinMethanol (Erdgas)
Methanol (Biomethanol)
BenzinMethanol (Erdgas)
Methanol (Biomethanol)
BenzinMethanol (Erdgas)
Methanol (Biomethanol)
Prozent
// 350%
CO2
CO
NOx
SO2
Folie Folie 3232/33 /33
Zusammenfassung und AusblickZusammenfassung und Ausblick
Zusammenfassung und AusblickZusammenfassung und Ausblick
Bedeutung des Chemierohstoffs und Energieträgers Methanol wächst
Methanol kann eine Brückenfunktion beim Übergang zu einem regenerativen Kraftstoffsystem einnehmen
In Zukunft sollte Methanol eine bedeutendere Rolle zugewiesen werden
Folie Folie 3333/33 /33
Ausgewählte QuellenAusgewählte Quellen
Asinger, Friedrich: Asinger, Friedrich: „Methanol- Energie und Chemierohstoff“,„Methanol- Energie und Chemierohstoff“, Springer, Berlin, 1986 Springer, Berlin, 1986Henning, Volkmar: „Henning, Volkmar: „A Market Analysis of Natural Gas Resources Offshore A Market Analysis of Natural Gas Resources Offshore
Newfoundland“,Newfoundland“, Final Report, Dezember 2000 Final Report, Dezember 2000McCaskil, Dave C.: McCaskil, Dave C.: „World Methanol Overviews“„World Methanol Overviews“, 18, 18thth World Methanol Conference, World Methanol Conference,
Kopenhagen, November 2000Kopenhagen, November 2000Pehnt, Martin: Pehnt, Martin: „Ökobilanz von Methanol aus Holz und Erdgas“,„Ökobilanz von Methanol aus Holz und Erdgas“, Energiewirtschaftliche Energiewirtschaftliche
Tagesfragen 49 Jg., Heft 4, 1999Tagesfragen 49 Jg., Heft 4, 1999Wolf, Bodo: Wolf, Bodo: „Bio-Methanol als Treibstoff aus regionalen Quellen“, „Bio-Methanol als Treibstoff aus regionalen Quellen“,
http://www.eurosolar.org/politik/Wolf.htmlhttp://www.eurosolar.org/politik/Wolf.html
www.methanol.org (Methanol Institute)www.methanex.com (Methanex)www.bmu.de (Bundesumweltministerium)www.diw.de (DIW-Wochenberichte)www.lurgi.de (LURGI)www.basf.de (BASF)