Bei der Wasserelektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff wurde ein Mix aus den drei Elektrolysetechnologien PEM-EL, AEL und HT-SOEC angenommen (s. Glossar). Für die untenstehenden Energie- und Massenbedarfe wurden die Mittelwerte der drei Technologien gebildet.
| 2020 | 2030 | 2040 | 2050 | |
|---|---|---|---|---|
| Strom (in TWh) pro Produkt (in t) | 4.8961e-5 TWh | 4.6021e-5 TWh | 4.4629e-5 TWh | 4.3237e-5 TWh |
| Wärme (in TWh) pro Produkt (in t) | 2.9147e-6 TWh | 2.9147e-6 TWh | 2.9147e-6 TWh | 2.9147e-6 TWh |
| Wasserstoff (in t) pro Produkt (in t) | 1.0000e+0 t | 1.0000e+0 t | 1.0000e+0 t | 1.0000e+0 t |
| CO₂ (in t) pro Produkt (in t) | 0.0000e+0 t | 0.0000e+0 t | 0.0000e+0 t | 0.0000e+0 t |
Pichlmaier, S. und andere (2021). Ökobilanzen synthetischer Kraftstoffe - Methodikleitfaden. Sonstiger Bericht. Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V. (FfE).
Bei der Methanolsynthese wurde die Reaktion CO₂ + 3 H₂ --> CH₃OH + H₂O hinterlegt.
Die jahresabhängigen Energie- und Massenbedarfe sind unten gelistet und von der angegebenen Quellen entnommen. Die Umrechnung der darin angebenen Energie-Einheiten (PJ) in Masseneinheiten (kg) erfolgte mit dem LHV von H₂ (120 MJ/kg).
Die Daten für 2040 wurden durch eine lineare Interpolierung errechnet.
| 2020 | 2030 | 2040 | 2050 | |
|---|---|---|---|---|
| Strom (in TWh) pro Produkt (in t) | 3.1528e-7 TWh | 2.5222e-7 TWh | 2.2069e-7 TWh | 1.8917e-7 TWh |
| Wärme (in TWh) pro Produkt (in t) | -5.6750e-7 TWh | -5.6750e-7 TWh | -5.6750e-7 TWh | -5.6750e-7 TWh |
| Wasserstoff (in t) pro Produkt (in t) | 2.3084e-1 t | 2.2705e-1 t | 2.2516e-1 t | 2.2327e-1 t |
| CO₂ (in t) pro Produkt (in t) | 1.5890e+0 t | 1.5890e+0 t | 1.5890e+0 t | 1.5890e+0 t |
Detz, R., Methanol production from CO₂ (2019), https://energy.nl/wp-content/uploads/technology-factsheet-methanol-from-co2-7.pdf
Für die FT-Reaktion wurde zunächst eine umgekehrte Wassergas-Shift-Reaktion angenommen (CO₂ + H₂ -> CO+ H₂), mit einem Umsatz von 100 %. Der Wasserstoff wird über die im Webtool implementierte Wasserelektrolyse bereitgestellt.
Anschließend wurde für für die Fischer-Tropsch-Reaktion (CO + H₂ -> CH₂ + H₂O) ein Umsatz von 88 % angenommen.
Die jahresabhängigen Energie- und Massenbedarfe sind unten gelistet. Die Umrechnung der Energie-Einheiten von PJ in kWh wurde angenommen mit LHV(FT-Kraftstoff) = 43 MJ/kg; LHV (H₂) = 120 MJ/kg.
Die Daten für die rWGS-Reaktion in 2040 wurden durch eine lineare Interpolierung errechnet.
Die zeitliche Entwicklung der Produktbedarfe für Deutschland entsprechen denen im Kopernikus-Projekt P2X.
Energie- und Massenbedarfe:
Detz R.J., Technology Factsheet: Reverse Water Gas Shift-Reaktion to CO from CO2 and H2 (2019), https://energy.nl/wp-content/uploads/2019/12/Technology-Factsheets-RWGS-to-CO-from-CO2-and-H2-1.pdf; Detz R.J., Fischer-Tropsch fuel production (2019), https://energy.nl/data/fischer-tropsch-fuel-production/
Für FT-Diesel wurde eine Schulz-Flory-Verteilung mit einem Verteilungskoeffizienten von alpha = 0,85 angenommen. Es werden die folgenden Fraktionen mit den Kohlenstoffkettenlängen n zusammengelegt: 11-20.
Das führt zu einer Diesel-Fraktion von 33,7 % des FT-Crudes. Die untenstehenden Energie- und Massenbedarfe entsprechen dem FT-Crude.
| 2020 | 2030 | 2040 | 2050 | |
|---|---|---|---|---|
| Strom (in TWh) pro Produkt (in t) | 6.8015e-7 TWh | 6.1710e-7 TWh | 5.8558e-7 TWh | 5.5405e-7 TWh |
| Wärme (in TWh) pro Produkt (in t) | -2.1753e-6 TWh | -2.3014e-6 TWh | -2.4275e-6 TWh | -2.5535e-6 TWh |
| Wasserstoff (in t) pro Produkt (in t) | 4.9047e-1 t | 4.9047e-1 t | 4.9047e-1 t | 4.9047e-1 t |
| CO₂ (in t) pro Produkt (in t) | 3.5671e+0 t | 3.5671e+0 t | 3.5671e+0 t | 3.5671e+0 t |
Schulz-Flory-Verteilung:
3. Roadmap des Kopernikus-Projektes P2X. Phase II , ISBN: 978-3-89746-236-6
Dong, Z.,u.a. (2017), Highly selective Fischer-Tropsch synthesis for C10-C20 diesel fuel under low pressure. Can. J. Chem. Eng., 95: 1537-1543. https://doi.org/10.1002/cjce.22812
Für FT-Benzin wurde eine Schulz-Flory-Verteilung mit einem Verteilungskoeffizienten von alpha = 0,85 angenommen. Es werden die folgenden Fraktionen mit den Kohlenstoffkettenlängen n zusammengelegt: 5-10.
Das führt zu einer Benzin-Fraktion von 34,3 % des FT-Crudes. Die untenstehenden Energie- und Massenbedarfe entsprechen dem FT-Crude.
| 2020 | 2030 | 2040 | 2050 | |
|---|---|---|---|---|
| Strom (in TWh) pro Produkt (in t) | 6.8015e-7 TWh | 6.1710e-7 TWh | 5.8558e-7 TWh | 5.5405e-7 TWh |
| Wärme (in TWh) pro Produkt (in t) | -2.1753e-6 TWh | -2.3014e-6 TWh | -2.4275e-6 TWh | -2.5535e-6 TWh |
| Wasserstoff (in t) pro Produkt (in t) | 4.9047e-1 t | 4.9047e-1 t | 4.9047e-1 t | 4.9047e-1 t |
| CO₂ (in t) pro Produkt (in t) | 3.5671e+0 t | 3.5671e+0 t | 3.5671e+0 t | 3.5671e+0 t |
Schulz-Flory-Verteilung:
3. Roadmap des Kopernikus-Projektes P2X. Phase II , ISBN: 978-3-89746-236-6
Für FT-Kerosin wurde eine Schulz-Flory-Verteilung mit einem Verteilungskoeffizienten von alpha = 0,85 angenommen. Es werden die folgenden Fraktionen mit den Kohlenstoffkettenlängen n zusammengelegt: 8-17.
Das führt zu einer Kerosin-Fraktion von 43,3 % des FT-Crudes. Die untenstehenden Energie- und Massenbedarfe entsprechen dem FT-Crude.
| 2020 | 2030 | 2040 | 2050 | |
|---|---|---|---|---|
| Strom (in TWh) pro Produkt (in t) | 6.8015e-7 TWh | 6.1710e-7 TWh | 5.8558e-7 TWh | 5.5405e-7 TWh |
| Wärme (in TWh) pro Produkt (in t) | -2.1753e-6 TWh | -2.3014e-6 TWh | -2.4275e-6 TWh | -2.5535e-6 TWh |
| Wasserstoff (in t) pro Produkt (in t) | 4.9047e-1 t | 4.9047e-1 t | 4.9047e-1 t | 4.9047e-1 t |
| CO₂ (in t) pro Produkt (in t) | 3.5671e+0 t | 3.5671e+0 t | 3.5671e+0 t | 3.5671e+0 t |
Schulz-Flory-Verteilung:
3. Roadmap des Kopernikus-Projektes P2X. Phase II , ISBN: 978-3-89746-236-6
D. H. König, „Techno-ökonomische Prozessbewertung der Herstellung synthetischen Flugturbinentreibstoffes aus CO2 und H2“, 2016, doi: 10.18419/OPUS-9043.
Für FT-Naphtha wurde eine Schulz-Flory-Verteilung mit einem Verteilungskoeffizienten von alpha = 0,75 angenommen. Es werden die folgenden Fraktionen mit den Kohlenstoffkettenlängen n zusammengelegt: 5-9.
Das führt zu einer Naphtha-Fraktion von 29,1 % des FT-Crudes. Die untenstehenden Energie- und Massenbedarfe entsprechen dem FT-Crude.
| 2020 | 2030 | 2040 | 2050 | |
|---|---|---|---|---|
| Strom (in TWh) pro Produkt (in t) | 6.8015e-7 TWh | 6.1710e-7 TWh | 5.8558e-7 TWh | 5.5405e-7 TWh |
| Wärme (in TWh) pro Produkt (in t) | -2.1753e-6 TWh | -2.3014e-6 TWh | -2.4275e-6 TWh | -2.5535e-6 TWh |
| Wasserstoff (in t) pro Produkt (in t) | 4.9047e-1 t | 4.9047e-1 t | 4.9047e-1 t | 4.9047e-1 t |
| CO₂ (in t) pro Produkt (in t) | 3.5671e+0 t | 3.5671e+0 t | 3.5671e+0 t | 3.5671e+0 t |
Schulz-Flory-Verteilung:
3. Roadmap des Kopernikus-Projektes P2X. Phase II , ISBN: 978-3-89746-236-6
H. Kirsch u. a., „CO2-neutrale Fischer-Tropsch-Kraftstoffe aus dezentralen modularen Anlagen: Status und Perspektiven“, Chemie Ingenieur Technik, Bd. 92, Nr. 1–2, S. 91–99, Jan. 2020, doi: 10.1002/cite.201900120.
Die in der Potenzialanalyse ausgewählten Oxygenat-Kraftstoffe wurden im Rahmen vom Projekt NAMOSYN - Nachhaltige Mobilität durch synthetisch Kraftstoffen untersucht.
Die Daten von dem Benzin- und Dieselbedarf in 2020 für Deutschland wurden aus dem Jahresbericht 2020 des MWV (Mineralöl Wirtschafts Verband e.V.) entnommen. Die zeitliche Entwicklung der Produktbedarfe in Deutschland wurde im Projekt NAMOSYN festgelegt.
Diesel und Benzinbedarf für Deutschland in 2020:
Mineralöl Wirtschafts Verband e.V., Jahresbericht 2020, https://en2x.de/service/publikationen/
Die Synthesen von Dimethylcarbonat (DMC) und Methylformiat (MeFo) wurden vom DLR simuliert und die Daten von der Massen- und Energiebilanz wurden aus den Ergebnissen der Simulationen für die Potenzialanalyse übernommen.
Für die Mischung aus 65 Vol-%. DMC und 35 Vol.-% MeFo wurde ein gewichteter Mittelwert der Feedstock- und Energiebedarfe angenommen.
Für die Berechnung der Nachfrage wurde angenommen, dass der Bedarf an Benzin energetisch gedeckt werden soll (für 1 Mio. t Benzin wären 2,4 Mio. t DMC65+MeFo35 nötig, um die gleiche Energiemenge zu liefern).
| 2020 | 2030 | 2040 | 2050 | |
|---|---|---|---|---|
| Strom (in TWh) pro Produkt (in t) | 2.8386e-1 TWh | 2.8386e-1 TWh | 2.8386e-1 TWh | 2.8386e-1 TWh |
| Wärme (in TWh) pro Produkt (in t) | 2.3391e+0 TWh | 2.3391e+0 TWh | 2.3391e+0 TWh | 2.3391e+0 TWh |
| Wasserstoff (in t) pro Produkt (in t) | 1.4318e-1 t | 1.4318e-1 t | 1.4318e-1 t | 1.4318e-1 t |
| CO₂ (in t) pro Produkt (in t) | 1.5676e+0 t | 1.5676e+0 t | 1.5676e+0 t | 1.5676e+0 t |
DMC:
Aparna Raghunath, Simon Maier, Atul Bansode, Ralph-Uwe Dietrich, Atsushi Urakawa (2022): Techno-economic analysis of industrial dimethyl carbonate production from CO2 and methanol with 2-cyanopyridine as dehydrant. Manuscript in preparation.
Contact person: Simon Maier – Institute of Engineering Thermodynamics – German Aerospace Center (DLR)
MeFo:
Yoga Rahmat, Vijay Thormise, Sandra Adelung (2022): Process model for the production of methyl formate based on BASF patent EP2922815B1. Unpublished work.
Contact person: Yoga Rahmat – Institute of Engineering Thermodynamics – German Aerospace Center (DLR)
Die Synthese von Dimethylcarbonat (DMC) wurde vom DLR simuliert und die Daten von der Massen- und Energiebilanz wurden aus den Ergebnissen der Simulation für die Potenzialanalyse übernommen.
Für die Berechnung der Nachfrage wurde angenommen, dass der Bedarf an Benzin energetisch gedeckt werden soll (für 1 Mio. t Benzin wären 1,4 Mio. t DMC nötig, um die gleiche Energiemenge zu liefern).
| 2020 | 2030 | 2040 | 2050 | |
|---|---|---|---|---|
| Strom (in TWh) pro Produkt (in t) | 2.5948e-7 TWh | 2.5948e-7 TWh | 2.5948e-7 TWh | 2.5948e-7 TWh |
| Wärme (in TWh) pro Produkt (in t) | 2.7915e-6 TWh | 2.7915e-6 TWh | 2.7915e-6 TWh | 2.7915e-6 TWh |
| Wasserstoff (in t) pro Produkt (in t) | 1.3785e-1 t | 1.3785e-1 t | 1.3785e-1 t | 1.3785e-1 t |
| CO₂ (in t) pro Produkt (in t) | 1.5368e+0 t | 1.5368e+0 t | 1.5368e+0 t | 1.5368e+0 t |
Aparna Raghunath, Simon Maier, Atul Bansode, Ralph-Uwe Dietrich, Atsushi Urakawa (2022): Techno-economic analysis of industrial dimethyl carbonate production from CO2 and methanol with 2-cyanopyridine as dehydrant. Manuscript in preparation.
Contact person: Simon Maier – Institute of Engineering Thermodynamics – German Aerospace Center (DLR)
Die Synthese von Methylformiat (MeFo) wurde vom DLR simuliert und die Daten von der Massen- und Energiebilanz wurden aus den Ergebnissen der Simulation für die Potenzialanalyse übernommen.
Für die Berechnung der Nachfrage wurde angenommen, dass eine Zumischung von 5 Vol.-% MeFo in die gesamte Menge des benötigten Benzinbedarfs erfolgt.
| 2020 | 2030 | 2040 | 2050 | |
|---|---|---|---|---|
| Strom (in TWh) pro Produkt (in t) | 3.3377e-7 TWh | 3.3377e-7 TWh | 3.3377e-7 TWh | 3.3377e-7 TWh |
| Wärme (in TWh) pro Produkt (in t) | 1.4132e-6 TWh | 1.4132e-6 TWh | 1.4132e-6 TWh | 1.4132e-6 TWh |
| Wasserstoff (in t) pro Produkt (in t) | 1.5409e-1 t | 1.5409e-1 t | 1.5409e-1 t | 1.5409e-1 t |
| CO₂ (in t) pro Produkt (in t) | 1.6306e+0 t | 1.6306e+0 t | 1.6306e+0 t | 1.6306e+0 t |
Yoga Rahmat, Vijay Thormise, Sandra Adelung (2022): Process model for the production of methyl formate based on BASF patent EP2922815B1. Unpublished work.
Contact person: Yoga Rahmat – Institute of Engineering Thermodynamics – German Aerospace Center (DLR)
Die Synthese von Methylformiat (MeFo) wurde vom DLR simuliert und die Daten von der Massen- und Energiebilanz wurden aus den Ergebnissen der Simulation für die Potenzialanalyse übernommen.
Für die Berechnung der Nachfrage wurde angenommen, dass der Bedarf an Benzin energetisch gedeckt werden soll (für 1 Mio. t Benzin wären 1,3 Mio. t MeFo nötig, um die gleiche Energiemenge zu liefern).
| 2020 | 2030 | 2040 | 2050 | |
|---|---|---|---|---|
| Strom (in TWh) pro Produkt (in t) | 3.3377e-7 TWh | 3.3377e-7 TWh | 3.3377e-7 TWh | 3.3377e-7 TWh |
| Wärme (in TWh) pro Produkt (in t) | 1.4132e-6 TWh | 1.4132e-6 TWh | 1.4132e-6 TWh | 1.4132e-6 TWh |
| Wasserstoff (in t) pro Produkt (in t) | 1.5409e-1 t | 1.5409e-1 t | 1.5409e-1 t | 1.5409e-1 t |
| CO₂ (in t) pro Produkt (in t) | 1.6306e+0 t | 1.6306e+0 t | 1.6306e+0 t | 1.6306e+0 t |
Yoga Rahmat, Vijay Thormise, Sandra Adelung (2022): Process model for the production of methyl formate based on BASF patent EP2922815B1. Unpublished work.
Contact person: Yoga Rahmat – Institute of Engineering Thermodynamics – German Aerospace Center (DLR)
Die Synthese von Oxymethylenether 3-5 (OME 3-5) wurde vom Fraunhofer ISE simuliert und die Daten von der Massen- und Energiebilanz wurden aus den Ergebnissen der Simulation für die Potenzialanalyse übernommen.
Für die Berechnung der Nachfrage wurde angenommen, dass der Bedarf an Diesel energetisch gedeckt werden soll (für 1 Mio. t Diesel wären 2,4 Mio. t OME 3-5 nötig, um die gleiche Energiemenge zu liefern).
| 2020 | 2030 | 2040 | 2050 | |
|---|---|---|---|---|
| Strom (in TWh) pro Produkt (in t) | 3.9219e-6 TWh | 3.9219e-6 TWh | 3.9219e-6 TWh | 3.9219e-6 TWh |
| Wärme (in TWh) pro Produkt (in t) | 7.3177e-7 TWh | 7.3177e-7 TWh | 7.3177e-7 TWh | 7.3177e-7 TWh |
| Wasserstoff (in t) pro Produkt (in t) | 1.9142e-1 t | 1.9142e-1 t | 1.9142e-1 t | 1.9142e-1 t |
| CO₂ (in t) pro Produkt (in t) | 1.6915e+0 t | 1.6915e+0 t | 1.6915e+0 t | 1.6915e+0 t |
Massen- und Energiebilanz des OME-Prozesses auf Basis der experimentell validierten Modelle auf der Simulationsplattform Aspen Plus, entwickelt von der Gruppe Power to Liquids am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE.
Veröffentlichungen: DOI https://doi.org/10.1039/D1SE01270C
Die Synthese von Oxymethylenether 3-5 (OME 3-5) wurde von Fraunhofer ISE simuliert und die Daten von der Massen- und Energiebilanz wurden aus den Ergebnissen der Simulation für die Potenzialanalyse übernommen.
Für die Berechnung der Nachfrage wurde angenommen, dass eine Zumischung von 5 Vol.-% OME 3-5 in die gesamten Menge des benötigten Dieselbedarfs erfolgt.
| 2020 | 2030 | 2040 | 2050 | |
|---|---|---|---|---|
| Strom (in TWh) pro Produkt (in t) | 3.9219e-6 TWh | 3.9219e-6 TWh | 3.9219e-6 TWh | 3.9219e-6 TWh |
| Wärme (in TWh) pro Produkt (in t) | 7.3177e-7 TWh | 7.3177e-7 TWh | 7.3177e-7 TWh | 7.3177e-7 TWh |
| Wasserstoff (in t) pro Produkt (in t) | 1.9142e-1 t | 1.9142e-1 t | 1.9142e-1 t | 1.9142e-1 t |
| CO₂ (in t) pro Produkt (in t) | 1.6915e+0 t | 1.6915e+0 t | 1.6915e+0 t | 1.6915e+0 t |
Massen- und Energiebilanz des OME-Prozesses auf Basis der experimentell validierten Modelle auf der Simulationsplattform Aspen Plus, entwickelt von der Gruppe Power to Liquids am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE.
Veröffentlichungen: DOI https://doi.org/10.1039/D1SE01270C
Für die Synthese der Polyoxymethylenether-Polyole über die pFA-P2X-Route wird zunächst aus H₂ und CO₂ Methanol synthetisiert, welches zu para-Formaldehyd umgewandelt wird (s. Quellen). Zusammen mit Propylenoxid wird anschließend das PME-Polyol gebildet.
Es sind lediglich die Energiebedarfe angegeben (Covestro, Projektpartner in Kopernikus P2X), die eine Wasserstoffbereitstellung via PEM-Elektrolyse und eine CO₂-Abscheidung via Luft (DAC) beinhalten.
| 2020 | 2030 | 2040 | 2050 | |
|---|---|---|---|---|
| Strom (in TWh) pro Produkt (in t) | 3.9060e-6 TWh | 3.6480e-6 TWh | 3.5370e-6 TWh | 3.4260e-6 TWh |
| Wärme (in TWh) pro Produkt (in t) | 6.8900e-7 TWh | 6.8900e-7 TWh | 6.8900e-7 TWh | 6.8900e-7 TWh |
| Wasserstoff (in t) pro Produkt (in t) | - t | - t | - t | - t |
| CO₂ (in t) pro Produkt (in t) | - t | - t | - t | - t |
4. Roadmap des Kopernikus-Projektes P2X. Phase II, ISBN: tbd.
Dieses "Produkt" dient als Hilfestellung für die Berechnung der benötigten Wassermengen über eine Entsalzung. Ausgehend von den Wasserstoffmengen werden "rückwärts" die Energie- und Massenbedarfe errechnet. Es wurde der Mittelwert der mehrstufigen Entspannungsverdampfung (multi-scale flash desalination) und der Meerwasser-Umkehrosmose (Seawater reverse osmosis) gebildet.
Der Wasserstoffbedarf pro Produkttonne entspricht dem Kehrwert des Wasserbedarfs für die PEM-Elektrolyse.
| 2020 | 2030 | 2040 | 2050 | |
|---|---|---|---|---|
| Strom (in TWh) pro Produkt (in t) | 4.4550e-9 TWh | 4.4550e-9 TWh | 4.4550e-9 TWh | 4.4550e-9 TWh |
| Wärme (in TWh) pro Produkt (in t) | 3.3379e-8 TWh | 3.3379e-8 TWh | 3.3379e-8 TWh | 3.3379e-8 TWh |
| Wasserstoff (in t) pro Produkt (in t) | 1.1236e-1 t | 1.1236e-1 t | 1.1236e-1 t | 1.1236e-1 t |
| CO₂ (in t) pro Produkt (in t) | 0.0000e+0 t | 0.0000e+0 t | 0.0000e+0 t | 0.0000e+0 t |
1. Roadmap des Kopernikus-Projektes P2X. Phase II, ISBN: 978-3-89746-212-0; Al-Karaghouli, A. u.a., "Energy consumption and water production cost of conventional and renewable-energy-powered desalination processes", Renewable and Sustainable Energy Reviews (2012), https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.12.064