From life-cycle assessment towards life-cycle design of carbon dioxide capture and utilization

  • Von der Ökobilanz zum Ökodesign der Kohlendioxid-Abscheidung und -Nutzung

von der Assen, Niklas; Bardow, André (Thesis advisor); Patel, Martin (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : Wissenschaftsverlag Mainz GmbH (2015, 2016)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Beiträge zur Technischen Thermodynamik 6
Seite(n)/Artikel-Nr.: XX, 209 Seiten : Diagramme, Karten

Dissertation, RWTH Aachen, 2015

Kurzfassung

Der vermehrte Einsatz fossiler Rohstoffe führt unweigerlich zu CO2-Emissionen und einer steigenden CO2-Konzentration in der Atmosphäre. Die erhöhte CO2-Konzentration ist eine der Hauptursachen für die globale Erwärmung der Erde. Eine Möglichkeit, der Ressourcenverknappung und der globalen Erwärmung zu begegnen, ist die CO2-Abscheidung und anschließende Nutzung von CO2 als alternative Kohlenstoffquelle. Sowohl CO2-Abscheidung als auch -Nutzung (CO2 Capture and Utilization, CCU) benötigen jedoch in der Regel Energie, deren Erzeugung meist wiederum fossile Rohstoffe einsetzt und CO2-Emissionen verursacht. Die intuitiv erwarteten ökologischen Vorteile von CCU sind daher nicht zwingend gegeben. Aus diesem Grund sollte für jeden CCU-Einzelfall eine zuverlässige ökologische Bewertung erfolgen.Eine zuverlässige ökologische Bewertung benötigt im Allgemeinen umfangreiche Prozessdaten wie Massen- und Energiebilanzen. Die Datenverfügbarkeit ist jedoch gerade für viele CCU-Prozesse in der Entwicklungsphase beschränkt. Deshalb werden häufig einfache, so-genannte ad-hoc Kriterien verwendet, die jedoch keine zuverlässige ökologische Bewertung garantieren. Ökobilanzen (Life-Cycle Assessments, LCA) hingegen bewerten den gesamten Lebenszyklus einer Prozesskette hinsichtlich mehrerer Umweltwirkungen. Der ganzheitliche Ansatz von LCA vermeidet, dass Probleme zwischen Lebensphasen oder Umweltwirkungen nur verschoben werden. Die Eignung von LCA zur ökologischen Bewertung von CCU ist zwar generell anerkannt. Aufgrund der beschränkten Datenverfügbarkeit und der scheinbaren Komplexität von LCA wurde LCA bisher jedoch nur selten auf CCU angewandt. Mit dieser Dissertation werden daher zwei Ziele verfolgt: Zum einen soll die Anwendung von LCA für CCU erleichtert und veranschaulicht werden. Zum anderen soll ein Ansatz für den ökologischen Entwurf von neuen CCU-Prozessen und -Produkten entwickelt werden.Um die Anwendung von LCA für CCU-Prozesse zu erleichtern, gibt diese Arbeit eine LCA-Einführung speziell für CCU-Prozesse. Trotz des einfach zugänglichen Konzepts von LCA werden drei besonders wichtige Probleme bei der Anwendung von LCA auf CCU im Detail beleuchtet: Zum Ersten wird das genutzte CO2 häufig fälschlicherweise als negative Emission klassifiziert. Tatsächlich stellt das genutzte CO2 jedoch einen Rohstoff dar, dessen Abscheidung selbst Umweltwirkungen verursacht. Zum Zweiten wird CO2 meist in CO2-Quellen abgetrennt, die vornehmlich ein anderes Produkt herstellen. Dadurch liefert das gesamte CCU-System neben dem CO2-basierten Produkt auch jenes andere Produkt der CO2-Quelle. Für produkt-spezifische LCA-Ergebnisse müssen die Umweltwirkungen des CCU-Systems auf die einzelnen Produkte aufgeteilt werden. Die bestehenden Möglichkeiten in LCA zur Allokation von Umweltwirkungen bieten jedoch großen Spielraum. Zum Dritten wird eine lange Speicherdauer von CO2 in Produkten häufig als wichtige Voraussetzung für einen Beitrag zum Klimaschutz angesehen. Die Berücksichtigung der CO2-Speicherdauer in der bestehenden Bewertung von Treibhausgasemissionen zeigt jedoch, dass der Effekt der Speicherdauer in der Regel klein und somit überschätzt ist. Zur Vermeidung der drei genannten Probleme wird schließlich ein Leitfaden für LCA von CCU-Prozessen präsentiert.Der Leitfaden wird anhand eines industriellen Beispiels zur CO2-basierten Polyol-Herstellung für Polyurethan-Schaumstoffe verdeutlicht. Eine Pilotanlage zur CO2- Abscheidung eines Braunkohlenkraftwerks stellt CO2 bereit, das in einer weiteren Pilotanlage zu Polyolen mit bis zu 30 Gewichtsprozent CO2 synthetisiert wird. Die Ökobilanz des gesamten Herstellungsprozesses veranschaulicht, dass CCU deutliche Einsparungen des fossilen Rohstoffbedarfs sowie der CO2-Emissionen ermöglicht. Im Gegensatz zum industriellen Beispiel bieten CCU-Prozesse in frühen Entwicklungsphasen noch viele Freiheitsgrade für die ökologische Optimierung der CO2-Abscheidung und -Nutzung. Die CO2-Abscheidung kann in einer Vielzahl von CO2-Quellen erfolgen. Da der Bedarf für die CO2-Nutzung das mögliche Angebot von CO2-Quellen übersteigt, wird eine Methodik entwickelt, um CO2-Quellen mit den niedrigsten Umweltwirkungen auszuwählen. Schließlich werden CO2-Quellen und ökologisch vorteilhafte Standorte zur CO2-Nutzung in Europa identifiziert.Für die ökologische Optimierung der CO2-Nutzung werden zwei Ansätze entwickelt: Der erste Ansatz identifiziert ökologisch optimale Reaktionsgleichungen für die Hydrierung von CO2 in Abhängigkeit der Bereitstellung von Wasserstoff (H2) und CO2. Da der Optimierungsansatz nur wenige und verfügbare Daten benötigt, eignet er sich besonders für frühe Phasen der Prozessentwicklung. Während die Hydrierung von CO2 typischerweise Plattformchemikalien mit identischen Eigenschaften liefert, bietet die direkte und indirekte CO2-Nutzung für Polymere weitere Freiheitsgrade in der Lieferkette sowie im Produktdesign. Der zweite Ansatz identifiziert daher die ökologisch optimale Lieferkette und Polymerzusammensetzung für CO2-Polymere mit definierten Eigenschaften. Im Besonderen werden dabei alternative Methoden zur Allokation von Nebenprodukten innerhalb der Lieferkette analysiert. Die präsentierten Optimierungsansätze erlauben das bedingte Potential von CCU zur Reduktion von CO2-Emissionen und Ressourcenverknappung auszuschöpfen.

Identifikationsnummern