Kraftstoffe für einen nachhaltigen Flugverkehr - Techno-ökonomische Bewertung der Kraftstoffherstellung

Kurzfassung

Zur Herstellung von flüssigen Kohlenwasserstoffen in der FT-Synthese wird ein Synthesegas bestehend aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid benötigt. Die Erzeugung des Synthesegases hängt direkt von der betrachteten Wasserstoff- und Kohlenstoff-quelle ab. Wasserstoff kann durch Elektrolyse von Wasser in großen Mengen hergestellt werden. Die bekanntesten Elektrolysesysteme sind die Alkalische Elektrolyse, die Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse und die Hochtemperatur-Elektrolyse (SOEC), wobei der Entwicklungsstand dieser Technologien in der aufgeführten Reihenfolge abnimmt. Eine weitere interessante Wasserstoffquelle stellt die Vergasung von Biomasse dar. Zurzeit kann zwischen drei Vergaserkonzepten unterschieden werden; Festbettvergasung (Gleichstrom, Gegenstrom), Wirbelschichtvergasung (stationär, zirkulierend) und Flugstromvergasung. Das entstehende Synthesegas weist typisch einen Wasserstoffmangel auf, wodurch nachgelagerte Synthesegasaufbereitungsschritte erforderlich werden. Zur Aktivierung des CO2 wird die Eduktmischung in der reversen Wassergas-Shift (rWGS) Reaktion zum Teil in Wasser und Kohlenmonoxid umgewandelt. Da die rWGS Reaktion stark endotherm ist, werden hohe Betriebstemperaturen > 700 °C für einen zufriedenstellenden CO2-Umsatz benötigt. Die Krafstoffsynthese basierend auf dem Fischer-Tropsch-Prozess unterscheidet sich nicht zwischen den untersuchten Konzepten. Für den Syntheseprozess wird ein H2/CO Verhältnis im Syngas von etwas größer als zwei benötigt. Abhängig von der Reaktorbauweise, dem eingesetzten Katalysator und den eingestellten Betriebsbedingungen lassen sich verschiedene Produktspektren herstellen. Großtechnisch kommen derzeit drei Reaktordesigns zum Einsatz: Festbett-, Slurry- und Wirbelschichtreaktor. Weiterhin wird zwischen Hochtemperatur- und Niedrigtemperatur-FT-Synthese unterschieden. Eine gute Näherung für die Produktverteilung kann mit der Anderson-Schulz-Flory (ASF) Verteilung wiedergegeben werden, ALPHA gibt dabei die Kettenwachstumswahrscheinlichkeit an. Die flüssigen Produktbestandteile werden im nachfolgenden Separationsprozess aus der Gasphase abgetrennt, wobei die Wachsfraktion mit hohem Schmelzpunkt in einem Hydrocrackerprozesses in kurzkettigere Produkte aufgespalten wird. Nicht um-gesetzte Edukte werden zur FT-Synthese zurückgeführt. Andere Restgase werden in einem Oxyfuel-Brenner mit dem Sauerstoff aus der Elektrolyse verbrannt um Energie für die endotherme rWGS Reaktion bereitzustellen. Jeweils eine PtL und PBtL-Prozessroute mit einer Produktionsleistung von 11.000 t Kraftstoff pro Jahr wurden in einer detaillierten Fließbildsimulation in Aspen Plus® abgebildet und mittels Wärmeintegration analysiert und optimiert. Eine Kostenschätzung wurde mit dem in-house-Tool TEPET (Techno-Economic Process Evaluation Tool) nach der Methodik von Peters et al. durchgeführt. Die Kraftstoffherstellungskosten wurden als Funktion der FT-Anlagengröße für verschiedene Strompreise ermittelt. Der Strompreis von 105 €/MWh entspricht dem durchschnittlichen Preis für große Stromabnehmer (>70.000 MWh/Jahr) in Deutschland 2014, wogegen der Preis von 32 €/MWh dem durchschnittlichen Wert der gehandelten Stromprodukte auf der European Energy Exchange (EEX) entspricht. Bei niedrigem Strompreis können synthetische Kraftstoffe in Kleinanlagen am kos-tengünstigsten mit dem PtL-Verfahren produziert werden, wogegen die Reduktion der Investmentkosten durch den Skaleneffekt beim PBtL-Verfahren ein hohes Kostensenkungspotential für Großanlagen verspricht. Der Vergleich der Kostenstruktur im PtL und PBtL-Konzept unter der Annahme eines Strompreises von 105 €/MWh zeigt einen Anteil der Stromkosten an den Herstellungskosten im PtL-Verfahren von knapp 70 % gegenüber ca. 60 % beim PBtL-Konzept.