Evaluierung der dezentralen Herstellung von Bio-LPG

Abstract

Durch die immer weiter voranschreitende Veränderung des weltweiten Klimas, steigt die Relevanz alternativer und erneuerbarer Energieträger. Ihr Vorteil liegt darin, dass nicht mehr CO2 in die Atmosphäre freigesetzt werden kann, als zuvor gebunden wurde. Im Abkommen von Paris wurde im Jahr 2015 ein Plan festgelegt, um dem Klimawandel entgegenzuwirken. Österreich hat sich dabei zum Ziel gesetzt bis 2050 etwa 80 % des CO2-Ausstoßes zu reduzieren, wodurch eine Klimaneutralität erreicht wäre. Ein Beitrag dazu kann durch die Nutzung erneuerbarer Brenngase, etwa in Form von Biogas, geleistet werden. Häufig beschränkt sich die Nutzung von Biogas auf die Bereitstellung von Strom und Wärme. Allerdings ist diese Verwertungsschiene langfristig nur schwer darstellbar, da andere Technologien zur Erzeugung erneuerbarer Energien wie Photovoltaik und Windkraft bereits deutlich geringere Gestehungskosten für die Erzeugung speziell von erneuerbarem Strom haben. Als Alternative zur Einspeisung von Biomethan ins Erdgasnetz bietet sich die Option der Umwandlung von Methan in die höheren Kohlenwasserstoffe Propan und Butan an und deren Vermarktung als Bio-Flüssiggas oder Bio-LPG (Liquefied Petroleum Gas). Bei Bio-LPG handelt es sich um ein Flüssiggas, das in erster Linie aus Propan C3H8 und Butan C4H10 besteht. Hierfür werden drei mögliche Prozessrouten mittels der Simulationssoftware Aspen Plus untersucht und miteinander verglichen. Unterschieden werden sie anhand von Ausbeute, spezifischem Energiebedarf sowie Energie- und Rohstoffkosten. Die Bandbreite des angeführten Energiebedarfs resultiert aus dem Ausmaß der Wärmeintegration. Prozessroute 1 besteht aus einer Dampfreformierung gefolgt von einer Fischer-Tropsch Synthese. Es konnte eine Ausbeute von 26 % bei einem spezifischen Energiebedarf von etwa 19 – 76 kWh/kg Bio-LPG erreicht werden. Prozessroute 2 besteht aus einer Dampfreformierung gefolgt von einer Methanolsynthese. Methanol wird in einem Methanol-to-Propylen Verfahren nach Lurgi zu Olefinen umgewandelt. Diese werden weiter zu Alkanen hydriert. Es konnte eine Ausbeute von 15 % Bio-LPG bei einem spezifischen Energiebedarf von etwa 30 – 69 kWh/kg erreicht werden. Prozessroute 3 stellt einen alternativen Weg dar, um Bio-LPG herzustellen. Es handelt sich hierbei um die Nutzung von Glycerol, das in einem vierstufigen Prozess zu Propan umgewandelt wird. Dieses Verfahren besteht aus jeweils zwei Hydrierungs- bzw. Dehydratisierungsschritten. Es konnten Ausbeuten von etwa 33 % bei einem Energiebedarf von etwa 3 – 9 kWh/kg erreicht werden.Nach einer Gegenüberstellung der Daten ist ersichtlich, dass die dritte Verfahrensroute die höchsten Ausbeuten, bei geringstem Energiebedarf aufweist. Auch unter Berücksichtigung der spezifischen Herstellungskosten, die sich aus den Rohstoffkosten und den Energiekosten zusammensetzen, ist ersichtlich, dass das Produkt der Route 3 auf dem marktüblichen Preisniveau von LPG liegt, während die anderen Routen weit darüber liegen.

The relevance of alternative and renewable energy sources is increasing due to the ongoing change in the global climate. Their advantage is that not more CO2 can be released into the atmosphere than was previously bound. In the Paris agreement, a plan to counteract climate change was laid down in 2015. Austria has set itself the goal of reducing CO2 emissions by about 80 % by 2050, which would achieve climate neutrality. A contribution to this is the production and use of biogas. Often the utilisation of biogas is limited to the production of electric power and heat.However, production of electric power from renewable sources meanwhile is possible at lower costs for example via photovoltaic or wind power. An alternative to feeding biomethane to the natural gas grid, might be the option to convert it to higher hydrocarbons propane and butane and their use as Bio-LPG (Liquefied Petroleum Gas). Bio-LPG is a liquefied gas consisting primarily of propane C3H8 and butane C4H10. For this purpose, three possible process routes are investigated and compared with each other using the Aspen Plus simulation software. They are differentiated on the basis of yield, specific energy requirements as well as raw material and energy costs. The range of the obtained energy demand results from the extent of heat integration. Process route 1 consists of a steam reforming step followed by a Fischer-Tropsch synthesis. A yield of 26 % could be achieved with a specific energy demand of about 19 – 76 kWh/kg Bio-LPG. Process route 2 consists of a steam reforming step followed by a methanol synthesis. Methanol is converted to olefins in a methanol-to-propylene process according to Lurgi. These olefins are further hydrogenated to alkanes. A yield of 15 % Bio-LPG could be achieved with a specific energy demand of about 30 – 69 kWh/kg. Process route 3 represents an alternative way to produce Bio-LPG. It involves the conversion of glycerol to propane in a four-step process. This process consists of two hydrogenation or dehydration steps. Yields of about 33 % could be achieved with an energy demand of about 3 – 9 kWh/kg.A comparison of the data shows that the third process route has the highest yields at lowest energy consumption. Even taking into account the specific production costs, which are composed of raw material costs and energy costs, it is evident that the product of route 3 is at the market price level of LPG, while the other routes are far above.