Fischer-Tropsch und Fluid Catalytic Cracking: Zwei alternative Technologien zur Herstellung von flüssigen Treibstoffen aus Biomasse

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit zwei alternativen, großtechnisch noch kaum realisierten Technologien zur Herstellung von flüssigen Kraftstoffen aus biogenen Einsatzstoffen, nämlich dem Fischer-Tropsch Prozess und Fluid Catalytic Cracking (FCC). Bei der Fischer-Tropsch-Synthese wird der holzartige Einsatzstoff zunächst mit Hilfe von Biomasse-Vergasung in ein Synthesegas umgewandelt, welches in der anschließenden Synthese zu flüssigen Kohlenwasserstoffen reagiert. Hinsichtlich dieser Technologie standen zunächst der Entwurf und die Prozesssimulation von verschiedenen Anlagenkonzepten mit einer Kapazität von 200.000 Tonnen Kraftstoff pro Jahr im Vordergrund. Dabei wurden auch verschiedene Einflussfaktoren, wie die Zusammensetzung der Biomasse und die Größe der Anlage berücksichtigt. Als Software kam das Prozesssimulationsprogramm IPSEpro zum Einsatz.<br />Bei FCC handelt es sich um einen in der Raffinerietechnik weit verbreiteten Prozess, bei welchem langkettige Erdölprodukte in kürzerkettige aufgespalten werden und somit die Ausbeute an leichtersiedenden Kohlenwasserstoffen wie z.B. Benzin deutlich erhöht werden kann. An der FCC-Pilotanlage der TU Wien wurden ausführliche Versuchsreihen mit verschiedenen biogenen ölförmigen Einsatzstoffen durchgeführt, wobei die Veränderung des Produktspektrums sowie der Einfluss auf den Crackprozess evaluiert wurden. Neben pflanzlichen Bioölen und Pyrolyseöl wurden auch Reststoffe wie Altspeiseöl und Tierfette untersucht. Es zeigte sich, dass der bei den Versuchen beobachtete Konversionsrückgang größtenteils auf den in den Einsatzstoffen eingelagerten Sauerstoff, der vor allem zur Bildung von Wasser führt, zurückzuführen ist. Bei den im FCC-Prozess anfallenden Olefinen Ethylen und Propylen handelt es sich um wichtige Ausgangsmaterialien für die Polymerindustrie, weshalb der Prozess eine Möglichkeit darstellt, aus biologischen Einsatzstoffen Kunststoffe herzustellen. Die bei den Versuchen gewonnenen Daten dienten auch als Basis für weiterführende Berechnungen.<br />Für beide Technologien wurden in weiterer Folge Massen- und Energiebilanzen erstellt, weshalb auch für den FCC-Prozess großtechnische Konzepte erstellt wurden. Anschließend erfolgte eine ökonomische Evaluierung der beiden Prozesse, wobei nach einer Abschätzung der zu erwartenden Investitions- und Betriebskosten die Treibstoffkosten berechnet wurden. Hier zeigte sich, dass zwar die Investitionskosten für FCC-Anlagen deutlich niedriger liegen, als jene für Fischer-Tropsch-Anlagen, aber auf Grund des großen Anteils der Rohstoffkosten an den Betriebskosten für beide Technologien relativ ähnliche Werte von ca. 1 EUR pro Liter Kraftstoff erzielt werden können.<br />Als durchaus lukrativ zeigte sich der Verkauf des in den Konzepten produzierten Ökostroms, der bei ausreichend hohen Einspeisetarifen zu einer entsprechenden Kostendeckung in der Treibstoffherstellung führt.<br />Beide Technologien scheinen sich zur Herstellung von Biotreibstoffen zu eignen, wobei sich aufgrund der jeweiligen Kraftstoffqualitäten FCC vor allem für die Produktion von Benzin und Fischer-Tropsch für Diesel anbietet. Die Kombination der beiden Prozesse bietet auch neue Möglichkeiten zur Erhöhung der Hektarerträge sowie zur Verbreiterung des Produkt¬spektrums der aus biogenen Einsatzstoffen herstellbaren Wertprodukte.<br />

The present work deals with two alternative technologies, not yet commercially realized, for the production of liquid fuels from biogene feedstock: Fischer-Tropsch and Fluid Catalytic Cracking (FCC).<br />The Fischer-Tropsch synthesis uses wooden feedstock which is initially converted into a synthesis gas by the means of biomass gasification and subsequently turned into liquid hydrocarbons during the synthesis. For this technology a number of plant designs with capacities of about 200.000 tons of fuel per year were developed and the processes were simulated. Thereby various factors such as the composition of the biomass and the size of the plants were taken into account. For process simulation the program IPSEpro was used.<br />FCC is a technology widely used in refineries for cracking long-chained petroleum products into shorter chains and increasing the yield of low-boiling hydrocarbons, such as gasoline significantly. In the FCC pilot plant at Vienna University of Technology extensive experiments with different biogenic oily feedstocks were conducted to evaluate the change of the product spectrum and the influence on the cracking process. In addition to vegetable oils and pyrolysis oil, residues such as waste cooking oils and animal fats were studied. It was found that the observed decrease in conversion is mainly due to the oxygen embedded in the feedstock, which primarily leads to the formation of water.<br />Ethylene and propylene, two olefins incurred during cracking, are important starting materials in the polymer industry, thus the technology provides an interesting option for producing plastics from biological sources. The data obtained in the experiments served as a basis for further calculations.<br />For both technologies subsequently mass and energy balances were created, hence designs for large-scale FCC plants were also designed.<br />For the economic evaluation of both processes an estimation of the expected investment and operating costs, as well as the fuel costs, was conducted. It was shown that investment costs for FCC plants are significantly lower than for Fischer-Tropsch plants. However the majority of operating costs in each case arise from raw material costs, thus relatively similar fuel costs of about 1 EUR per liter can be achieved for both technologies. The sale of green electricity seems to be quite lucrative as it leads to significant decreasing production costs at sufficiently high feed-in tariffs.<br />Both technologies appear to be suitable for the production of biofuels.<br />Due to the respective fuel qualities FCC is mainly suited for the production of gasoline and Fischer-Tropsch for the production of diesel.<br />The combination of the two processes also provides new opportunities to increase yields per hectare and to broaden the product range of value products from biogenic feedstock.<br />