Eter Dimetylowy ze Źródeł Odnawialnych

Transkrypt

1 Międzynarodowe Targi Ochrony Środowiska, POLEKO 2008, Forum Czystej Energii Poznań października 2008r Eter Dimetylowy ze Źródeł Odnawialnych KATEDRA TECHNOLOGII CHEMICZNEJ POLITECHNIKA GDAŃSKA Jan Hupka Robert Aranowski

2 Plan wystąpienia Obecny stan paliw odnawialnych i zalecenia UE Eter dimetylowy jako potencjalne paliwo Właściwości eteru dimetylowego Biomasa Metody otrzymywanie eteru dimetylowego Zalety i wady eteru dimetylowego Podsumowanie 2

3 Wybrane informacje i zalecenia Komisji Energii UE Rocznie jedna osoba produkuje odpady organiczne, które pozwalają na wyprodukowanie biogazu w ilości odpowiadającej 1 MWh energii Rocznie jeden samochód zużywa około 10 MWh energii 23% potrzeb na paliwa powinno być zastąpione paliwami alternatywnymi 3

4 Energia z Biomasy CO + 2H O+ hν O + H O+ CH O+ E E = 470kJ Konwersja energii biomasy może odbywać się poprzez: Bezpośrednie spalanie (całkowita sprawność obiegów parowych 14%) Zgazowanie Przetwarzanie na paliwa płynne 4

5 Zalecenia Dyrektoriatu Generalnego Energii i Transportu Główne paliwa alternatywne: wodór, biopaliwa i gaz ziemny; Biorąc pod uwagę takie czynniki jak koszt, niezawodność i dostępność, w krótkiej perspektywie czasowej rozważane są dwa potencjalne paliwa alternatywne : biopaliwa i gaz ziemny, którego udział w rynku paliw w roku 2010 wyniesie 8 10%. Napędy hybrydowe włączone są również do programu rozwoju rynku pojazdów na paliwa alternatywne. Z uwagi na wysoki koszt uzyskania energii z ogniwa paliwowego wykorzystującego wodór (1 kw = ok. 500 $ ) różnica w cenie pojazdu z napędem klasycznym obecnie nie jest do pobicia. Powstające Dyrektywy Unijne promują paliwa alternatywne dla transportu zalecając między innymi: opracowywanie odpowiednich standardów technicznych, kreowanie korzystnych systemów opodatkowania, usprawnienia łańcuchów dostaw paliw alternatywnych, rozwój dobrze funkcjonujących i nie dyskryminujących struktur rynkowych, kreowanie popytu na pojazdy napędzane paliwami alternatywnymi w ramach aspektów polityki władz zarówno na szczeblu lokalnym jak i ogólnokrajowym. 5

6 Podstawowe właściwości eteru dimetylowego Najprostszy eter Wzór chemiczny: CH 3 O CH 3 Nazewnictwo: eter dimetylowy, DME, metoksymetan, eter metylowy, eter drzewny Bezbarwny gaz o eterycznym zapachu Stabilny chemicznie, łatwopalny, łatwy do skroplenia Punkt wrzenia 25,1 C (760 mmhg) Prężność pary w temperaturze 250 C wynosi 0,61 MPa 6

7 Podstawowe właściwości eteru dimetylowego cd, Nie jest toksyczny, ani rakotwórczy W środowisku atmosferycznym szybko się rozkłada i nie gromadzi się w ekosystemie w szkodliwych ilościach Podczas kontaktu z powietrzem nie tworzy wybuchowych nadtlenków Podczas spalania nie powstają tlenki siarki, brak jest zanieczyszczeń pyłowych, tlenki azotu utrzymują się na niskim poziomie 7

8 Porównanie DME z Innymi Paliwami Parametr DME Wodór Metan (LNG) Propan Metanol Olej napędowy Wzór chemiczny CH 3 OCH 3 H 2 CH 4 C 3 H 8 CH 3 OH CH 2 Temperatura wrzenia, C 25,1 252,8 161, , Gęstość w 20 C, g/cm 3 0,668 0,49 0,79 0,84 Gęstość par względem powietrza 1,59 0,07 0,55 1,52 Ciśnienie pary nasyconej w 25 C, MPa 0,61 0,93 Temperatura zapłonu, C Granice wybuchowości, % 3, ,1 9,4 5,5 36 0,6 7,5 Liczba cetanowa Ciepło spalania, MJ/kg 28,84 141,51 50,24 46,47 21,10 42,71 8

9 Bezpośrednie Zastosowanie DME 9

10 Metody Otrzymywania DME (a) 2CO + 4H 2 2CH 3 OH (b) 2CH 3 OH CH 3 OCH 3 + H 2 O (c) H 2 O + CO H 2 + CO 2 ΔH = 182,06 kj ΔH = 22,67 kj ΔH = 41,12 kj Sumarycznie 3H 2 + 3CO CH 3 OCH 3 + CO 2 ΔH T = 245,85 kj Katalizatory syntezy metanolu: Cu/ZnO/Al 2 O 3, ZnO/Cr 2 O 3 i Ca/Pd/SiO 2 Katalizatory dehydratacji metanolu: H ZSM 5, H Y, γ Al 2 O 3, SiO 2 Al 2 O 3, AlPO 4 Warunki prowadzenia procesu: Temperatura C, Ciśnienie 3 7 MPa 10

11 Potencjalne surowce w produkcji DME WĘGIEL GAZ ZIEMNY BIOMASA ENERGIA JĄDROWA ŹRÓDŁA ALTERNATYWNE REFORMING PAROWY GAZ SYNTEZOWY (CO + H 2 ) REFORMING PAROWY KOREKTA STOSUNKU (CO/H 2 ) GAZ SYNTEZOWY (CO + H 2 ) SYNTEZA DME DME 11

12 DME z gazu ziemnego Bezpośredni proces syntezy DME proponowany przez Korporację NKK (Japonia) obejmuje: Odsiarczanie gazu ziemnego Konwersja gazu ziemnego do gazu syntezowego w reformingu autotermicznym Korekta składu gazu syntezowego do stosunku H 2 /CO=1 z udziałem zawracanego do obiegu CO 2 (produkt uboczny) Konwersja gazu syntezowego do DME i wody w reaktorze zawiesinowym 12

13 DME z Węgla Bezpośrednia produkcja DME w zintegrowanym cyklu przemian gazowych (IGCC) obejmuje: Zgazowanie węgla Oczyszczanie gazu syntezowego Dostosowanie składu gazu syntezowego H 2 /CO Usuwanie CO 2 i H 2 S z gazu syntezowego Konwersja gazu syntezowego do DME i wytwarzanie energii 13

14 DME z Biomasy Główne zagadnienia: Użycie azotu zawierającego 5 50% gazu syntezowego Bez wcześniejszego dostosowania współczynnika H 2 /CO dla gazu syntezowego Wysoka skuteczność pojedynczej konwersji CO (>90%), eliminacja powtórnego obiegu Wysoce efektywny katalizator Tani, skuteczny, katalityczny reaktor Niskie nakłady kapitałowe 14

15 DME z Biomasy METANOL BIOMASA SYNGAZ (CO+H 2 ) DME BEZPOŚREDNIA SYNTEZA 15

16 Metody Syntezy DME Najczęstsza droga syntezy DME Bezpośrednia syntezy DME Coprodukcja Metanol/DME Reaktor TEC s TAF-X 16

17 Potencjalne Źródła Rozproszone Metan kopalniany Szyby naftowe Pokłady węgla Gaz ziemny, w tym hydraty metanu Biomasa Metan z procesów beztlenowych (biogaz, gaz wysypiskowy) Oleje roślinne Odpady przemysłu celulozowego Biomasa (drewno, słoma, etc.) 17

18 Zastosowanie DME w Ogniwach Paliwowych Rodzaje ogniw paliwowych Ogniwa paliwowe z wymianą protonu przez membranę Ogniwa paliwowe ze stałym elektrolitem tlenkowym Ogniwa paliwowe ze stopionymi węglanami 18

19 DME w Ogniwach Paliwowych Bardzo korzystny całkowity bilans energetyczny otrzymywania eteru Pełna oksydacja Niska temperatura wymagana do uruchomienia Magazynowanie pod ciśnieniem jako ciecz zaś wykorzystanie w postaci gazu pod niskim ciśnieniem Niska toksyczność Niska granica wybuchowości (3,4 17%) Niskie koszty produkcji 19

20 DME Jako Substrat w Syntezie Chemicznej 20

21 KONWERSJA KATALITYCZNA REFORMING KATALITYCZNY ENERGIA BENZYNA, OLEFINY, DIMETOKSYMETAN itp. a b a WODÓR DO OGNIW PALIWOWYCH WODÓR GAZ SYNTEZOWY (a) CH 3 OCH 3 + H 2 O 2CH 3 OH ΔH H = + 23 kj (b) 2CH 3 OH + 2H 2 O 2CO 2 + 6H 2 ΔH H = + 98 kj Total: CH 3 OCH 3 + 3H 2 O 2CO 2 + 6H 2 ΔH T = kj (Hydratacja) (Reforming parowy) (a) CH 3 OCH 3 + H 2 O 2CH 3 OH (b) 2CH 3 OH 2CO + 4H 2 Total: CH 3 OCH 3 + H 2 O 2CO + 4H 2 ΔH H = kj ΔH H = kj ΔH T = kj (Hydratacja) (Reforming) 21

22 Zalety DME Możliwość otrzymywania z różnorodnych źródeł Wysoka wydajność energetyczna, różnorodne zastosowanie energetyczne Wszechstronne zastosowanie w syntezie chemicznej Niskie koszty przewozu, koszty dystrybucji porównywalne z LPG Łatwość skroplenia, koszty technologii porównywalne z LPG Prosta technologia produkcji, niskie koszty procesu 22

23 DME Jako Paliwo Do Silników Diesla Brak emisji zanieczyszczeń pyłowych Względnie niska emisja NO x i innych zanieczyszczeń Wysoka liczba cetanowa > 55 Niski hałas silnika Maksymalny moment obrotowy/ moc tak jak w innych silnikach diesla 23

24 Emisja Zanieczyszczeń z Silników Diesla Zasilanych DME Metan bardzo niska Aldehyd octowy bardzo niska Akroleina bardzo niska Aldehyd propionowy bardzo niska Aceton bardzo niska Formaldehyd niska 24

25 Wykorzystanie Energii i Emisja CO 2 w Silnikach Przyszłości Energy efficiency, % CO2-equivalents, g/kwh 1500 CO 2 -equivalents, g/kwh CO 2 -equivalents, g/kwh 0 Ethanol Ethanol (wheat) (wheat) Ethanol Ethanol (wood) (wood) RME RME (rape (rape seed) seed) DME DME (wood) (wood) MeOH MeOH (wood) (wood) Synthetic Synthetic diesel diesel (wood) (wood) Biogas Biogas (sewage) (sewage) MeOH MeOH (wood, (wood, black black liquor) liquor) DME DME (wood, (wood, black black liquor) liquor) H2 (electr. H2 (electr. wind) wind) hybrid hybrid DME DME (wood, (wood, black black liq.) liq.) hybrid hybrid H2 (electr.) hybrid (electr.) hybrid Syn. Syn. diesel diesel (natural (natural gas) gas) CNG CNG (natural (natural gas) gas) MeOH MeOH (natural (natural gas) gas) DME DME (natural (natural Gas Gas Diesel Diesel (crude (crude oil) oil) H2 Diesel Diesel (crude (crude oil) hybrid oil) hybrid Energy efficienc

26 Podsumowanie Eter dimetylowy może być produkowany z wielu alternatywnych surowców w tym z biomasy Produkcja DME jest ściśle związana z produkcją alkoholu metylowego DME może być nie tylko nośnikiem energii ale również cennym surowcem do wielu syntez Powstało wiele organizacji non profit wspjerających rozwój produkcji i zastosowań DME 26