Pathway to net 0
BFH
BFH
Estimated Additional Costs of ES2050
- Gesamtkosten:
- Zusätzliche Kosten von 73 Milliarden CHF im Vergleich zu BAU, davon:
- Investitionskosten: 109 Milliarden CHF
- Wartungskosten: 14 Milliarden CHF
- Eingesparte Energiekosten: -50 Milliarden CHF
- Zusätzliche Investitionen von 109 Milliarden CHF bedeuten eine Erhöhung um 8% gegenüber den bestehenden Investitionen im Energiesystem von 1.400 Milliarden CHF.
- Durchschnittliche jährliche Zusatzkosten (2020 bis 2050): 2,4 Milliarden CHF/Jahr.
- Zusätzliche Kosten von 73 Milliarden CHF im Vergleich zu BAU, davon:
Fist Figures Fossil Resources for Non-Energy Purposes
- Globaler Einsatz fossiler Ressourcen als Rohstoffe für Chemikalien:
- 7% des gesamten Ölverbrauchs.
- 4% des gesamten Erdgasverbrauchs.
- Schweiz:
- Nettokonsum importierter organischer Chemikalien enthält ca. 1,6 Mt (65 PJ) Öl als Rohstoff.
- Inländischer Verbrauch von 0,4 Mt Öl (17 PJ) für nicht-energetische Zwecke.
Difference Between Decarbonization and Defossilization
- Dekarbonisierung:
- Wärme-, Strom- und Verkehrssektoren können dekarbonisiert werden. (-50% bis 2050)
- Defossilisierung:
- Alle organischen Chemikalien enthalten Kohlenstoff, was eine Kohlenstoffquelle für ihre Produktion notwendig macht.
- Der Chemiesektor muss defossilisiert werden, da der Kohlenstoffbedarf für die chemische Produktion sich verdoppeln wird.
Use of Natural Gas and Crude Oil for the Production of the 7 Basic Chemicals
- 7 Grundchemikalien:
- Ammoniak (NH₃)
- Methanol (CH₃OH)
- Ethylen
- Propylen
- Benzol
- Toluol
- Gemischte Xylole
- Hauptwege zur Herstellung dieser Chemikalien:
- Erdgas (CH₄) zu Synthesegas (CO + H₂) und weitere Umwandlung zu H₂ (für NH₃) oder Methanol.
- Steam-Cracking von Naphtha (eine Ölfraktion) zu hochveredelten Chemikalien (HVCs).
Three Renewable Carbon Sources (Biomass, Recycled Plastic and CO2), Conversion Pathways and Rough Potentials
- Biomasse:
- Umwandlungswege:
- Thermochemische Vergasung zu Synthesegas und weitere Umwandlung zu H₂ für NH₃-Produktion, Methanol, synthetisches Naphtha.
- Fermentation zu Ethanol für die Ethylenproduktion durch Dehydratisierung.
- Anaerobe Vergärung oder katalytische hydrothermale Vergasung zu CH₄ als direkter Ersatz für Erdgas.
- Potenzial: Etwa 50% des globalen nachhaltigen Biomassepotenzials würde ausreichen, um die Produktion der Grundchemikalien zu decken.
- Umwandlungswege:
- Recyceltes Plastik:
- Umwandlungswege:
- Direktes Recycling.
- Chemisches Recycling durch gezielte Depolymerisation zu monomeren Bausteinen und Repolymerisation.
- Vergasung zu Synthesegas + Fischer-Tropsch zu synthetischem Naphtha.
- Pyrolyse zu synthetischem Naphtha.
- Potenzial: 40% Plastikrecycling könnten verwendet werden, um 10% der heutigen Grundchemikalien zu produzieren.
- Umwandlungswege:
- CO₂:
- Umwandlungswege:
- Mit H₂ zu Synthesegas durch Wassergas-Shift-Reaktion.
- Mit H₂ zu Methanol (direkte Hydrierung).
- Mit H₂ zu CH₄ (Sabatier-Reaktion).
- Potenzial: Die Produktion aller Grundchemikalien mit CCU würde 55% der heutigen globalen Stromproduktion benötigen.
- Umwandlungswege:
Three Possible Uses of Biomass in the Energy Transition (Heat/Electricity, Fuels/Chemicals, CCS) and Their Potential, and Be Able to Evaluate Their Use
- Wärme/Strom:
- Potenzial: Biomasse kann zur Wärme- und Stromerzeugung genutzt werden, wobei sie einen Beitrag zur Reduzierung fossiler Brennstoffe leistet.
- Kraftstoffe/Chemikalien:
- Potenzial: Biomasse kann in Biokraftstoffe und erneuerbare Chemikalien umgewandelt werden, was zur Defossilisierung des Transport- und Chemiesektors beiträgt.
- CCS (Carbon Capture and Storage):
- Potenzial: Biomasse kann in Kombination mit CCS verwendet werden, um negative Emissionen zu erzeugen, indem biogenes CO₂ dauerhaft gespeichert wird.
- Bewertung:
- Wärme/Strom: Geeignet für die Dekarbonisierung von Energiesektoren, aber begrenztes Potenzial für negative Emissionen.
- Kraftstoffe/Chemikalien: Wesentlich für die Defossilisierung, aber erfordert erhebliche Mengen an Biomasse.
- CCS: Kritisch für das Erreichen von Netto-Null-Emissionen, da es negative Emissionen ermöglicht, aber technisch und wirtschaftlich herausfordernd.
Ist CCS NET?
Nein, es ist neutral nicht negativ emission
Was bedeutet NET?
Negative Emissions Technologie
Ein Faktor von CCU zur Langlebigkeit
Carbon Capture and Utilization - Wenn langlebig, dann auch Lagerung (Storage)
Erkläre die Co2 Value Chain
1. CO₂-Erfassung (Capture)
- Punktquellen-Erfassung (Point Source Capture, PSC): CO₂ wird aus den Abgasen von industriellen Prozessen oder Kraftwerken abgeschieden. Technologien wie Post-Combustion-Capture (nach der Verbrennung), Oxyfuel-Combustion-Capture (Verbrennung mit reinem Sauerstoff) und Pre-Combustion-Capture (vor der Verbrennung) werden verwendet.
- Direkte Luftabscheidung (Direct Air Capture, DAC): CO₂ wird direkt aus der Umgebungsluft abgeschieden. Dies ist besonders wichtig für die Reduktion von CO₂ in der Atmosphäre und zur Erreichung von negativen Emissionen.
2. CO₂-Transport
- Methoden: Das abgeschiedene CO₂ kann durch Pipelines, Schiffe, Züge oder Lastwagen zu den Verwendungs- oder Speicherorten transportiert werden.
- Aggregatzustand: Je nach Transportmethode und -bedingungen kann CO₂ als Gas, Flüssigkeit oder superkritisches Fluid transportiert werden.
3. CO₂-Nutzung (Utilization)
- Chemische Umwandlung: CO₂ kann in verschiedene Chemikalien, Kunststoffe, Treibstoffe und andere wertvolle Produkte umgewandelt werden. Beispiele sind die Umwandlung in Methanol, synthetische Kraftstoffe und Karbonate.
- Biologische Prozesse: Nutzung von CO₂ zur Förderung des Pflanzenwachstums in der Landwirtschaft oder in Algenkulturen zur Produktion von Biokraftstoffen und anderen Bioprodukten.
4. CO₂-Speicherung (Storage)
- Geologische Speicherung: CO₂ wird in unterirdischen geologischen Formationen wie ausgebeuteten Öl- und Gasfeldern, tiefen Salzwasseraquiferen und Kohleflözen dauerhaft gespeichert.
- Ozeanische Speicherung: Theoretisch könnte CO₂ auch in tiefen Meeresregionen gespeichert werden, jedoch gibt es erhebliche Umweltbedenken.
- Mineralisierung: CO₂ wird in stabile mineralische Karbon
Was braucht es um das 2050 net zero Ziel zu erreichen?
- Faster decrease than now
- In 2050 12 Miot CO2e raimain from
- Agriculture
- Industtial processes
- Waste incineration
- Application of CCS/NET is necessary
Welche Szenarien sind NET?
- BECCS - Bioenergy with Carbon Capture and Storage
- Gain: Heat Power
- Input: Biomass (land, water, fertilizer)
- DACS - Direct Air Capture
- Gain: -
- Input: Heat/power from renewables
- CCUS - Carbon Capture and Utilization and Storage
- Gain: Long-lived products
- Heat/power from renewables
3 Point Source Capture (PCS)
1. Nachverbrennungsabscheidung (Post-Combustion Capture)
- Prinzip: CO₂ wird aus den Abgasen entfernt, nachdem der Brennstoff verbrannt wurde.
- Anwendung: Diese Methode wird häufig in bestehenden Kraftwerken und Industrieanlagen eingesetzt.
- Prozess: Die Abgase werden durch eine Reinigungseinheit geleitet, die CO₂ mit Hilfe von Chemikalien (wie Aminen) absorbiert und dann wieder freisetzt, um das CO₂ zu sammeln.
- Vorteil: Kann in bestehenden Anlagen nachgerüstet werden.
- Nachteil: Relativ energieintensiv, da die Abgase oft gekühlt und wieder aufgeheizt werden müssen.
2. Vorverbrennungsabscheidung (Pre-Combustion Capture)
- Prinzip: CO₂ wird entfernt, bevor der Brennstoff verbrannt wird.
- Anwendung: Häufig in neuen Kraftwerksdesigns und bei der Herstellung von Wasserstoff.
- Prozess: Brennstoffe (wie Kohle oder Erdgas) werden in ein Synthesegas (eine Mischung aus CO und H₂) umgewandelt. CO wird in CO₂ umgewandelt und dann abgetrennt, während der verbleibende Wasserstoff als Brennstoff genutzt wird.
- Vorteil: Effizientere CO₂-Abscheidung aufgrund höherer CO₂-Konzentrationen.
- Nachteil: Komplexerer und teurerer Prozess, da zusätzliche Umwandlungsschritte erforderlich sind.
3. Oxyfuel-Verbrennung (Oxyfuel Combustion)
- Prinzip: Brennstoff wird mit reinem Sauerstoff statt Luft verbrannt, wodurch die Abgase hauptsächlich aus CO₂ und Wasser bestehen.
- Anwendung: Kann in speziellen Kraftwerken und Industrieanlagen verwendet werden.
- Prozess: Der Brennstoff wird mit reinem Sauerstoff verbrannt, was zu Abgasen führt, die leicht kondensiert werden können, um Wasser zu entfernen und fast reines CO₂ zu hinterlassen.
- Vorteil: Einfachere und effizientere CO₂-Abscheidung aufgrund der hohen CO₂-Konzentration im Abgas.
- Nachteil: Erzeugung von reinem Sauerstoff ist energieintensiv und teuer.
Diese drei Varianten bieten unterschiedliche Ansätze zur CO₂-Abscheidung, je nach Anwendungsfall und technischen Anforderungen.
Kann Methan in der Schweiz gelagert werden?
Nein
Was sind PtX Anlagen?
Eine Power-to-X-Anlage ist wie eine magische Maschine, die Strom in verschiedene nützliche Dinge verwandeln kann. Stell dir vor, du hast viel Strom aus Windrädern oder Solaranlagen und weißt nicht, was du damit machen sollst. Diese Maschine hilft dabei, den Strom in etwas anderes zu verwandeln, das wir später nutzen können.
Hier sind ein paar Beispiele:
Power-to-Gas: Die Maschine verwandelt Strom in Gas, das wie ein unsichtbarer Ballon ist. Dieses Gas können wir speichern und später benutzen, um unsere Häuser zu heizen oder Autos anzutreiben.
Power-to-Liquid: Die Maschine verwandelt Strom in Flüssigkeit, die wie Benzin ist. Diese Flüssigkeit können wir in Autos, Flugzeugen oder Fabriken benutzen.
Power-to-Heat: Die Maschine verwandelt Strom in Wärme. Das ist wie ein Heizkörper, der warm wird, wenn du ihn einschaltest, und damit können wir unsere Häuser warm halten.
Power-to-Chemicals: Die Maschine verwandelt Strom in Chemikalien, die in vielen Dingen benutzt werden, wie zum Beispiel in Düngemitteln, die den Pflanzen beim Wachsen helfen.
Warum ist das wichtig?
Diese magische Maschine hilft uns, den Strom aus Wind und Sonne zu speichern und ihn zu benutzen, wann immer wir ihn brauchen. Das ist gut für die Umwelt, weil wir weniger schmutzige Brennstoffe wie Kohle oder Öl verwenden müssen.
Warum braucht nachhaltige Energiegewinnung viel Oxygen?
- Sauerstoff ist eine Schlüsselreagenz. Braucht es für Verbrennung um Energie in Form von Verbrennung frei zu geben
- Für vollständige Verbrennung. Damit Brennstoffe in Co2 und H2O umgewandelt werden können
Was ist NED
Non Energy Demand
Energiestiffe die die für nicht energie Zwecke verwendet werden.
Cremes
Pharma
Asphalt
Ammoniak (düngemittel)
Optionen für die gewinnung der 7 hauptchemikalien?
Mit Biomasse
- thermochemical gadification für ammoniak, methanol und naphta
- Fermentation für ethanol und ethylene
- Anerobische digestion für methan
Was sind die rewnewable carbon initiatives?
Co2 (verbrennung)
Biomasse
Plastik (recycling und schreddern)
Wie ist die 40% von nachhaltiger Energie erzeugt?
78% biomasse
Der rest solar etc
Wie viel Prozent des Gesamtenergiebedarfs für Mobilität wird derzeit durch fossile Energieträger gedeckt (gemäß den Angaben im Vortrag)?
94%
Sortieren Sie die verschiedenen Fahrzeugtypen in absteigender Reihenfolge nach ihrem Anteil am Energieverbrauch für die Mobilität.
- Truck
- Passenger car
- Delivery van
- Commercial aircraft (international aviation with departure from Switzerland)
- Train
- Passenger car
- Commercial aircraft (international aviation with departure from Switzerland)
- Truck
- Delivery van
- Train
Die Schweiz ist ein "SBB-Land", und der Stromverbrauch der Bahn hat einen hohen Anteil am Gesamtenergiebedarf der Mobilität.
Aus Biomasse lassen sich keine synthetischen Kraftstoffe herstellen.
Im Falle von PtL- und PtG-Brennstoffen wird der Strom hauptsächlich benötigt, um die erforderliche Reaktionstemperatur zu erreichen.
Beim Sun to X-Verfahren (noch im Entwicklungsstadium) soll Wasser H2O mit Hilfe von konzentrierter Sonnenenergie in H2 und O2 gespalten werden.
CO2 kann als Kohlenstoffquelle für die Herstellung von CH4 und flüssigen synthetischen Kraftstoffen verwendet werden.
Ein Elektroauto, dessen Motor einen Wirkungsgrad von 90 % hat, verbraucht 16,7 kWh Strom für 100 km. Wie viele kWh an "Antriebsenergie" (Energie, die am Rad ankommt) benötigt dieses Auto, um 100 km zurückzulegen?
1) Antriebsenergie = 16,7 kWh * 90%/100% = 16,7 kWh * 0,9 = 15 kWh
Wie hoch ist der Kraftstoffverbrauch (in kWh pro 100 km) eines ansonsten identischen Autos mit einem Verbrennungsmotor, der einen Wirkungsgrad von 15% hat?
Verbrauch pro 100 km = 15 kWh/ 0,15 = 100 kWh
Ein Liter Diesel hat einen Heizwert von etwa 10 kWh/L. Wie viele Liter Diesel verbraucht das Auto mit Verbrennungsmotor auf 100 km?
Diesel consumption = 100 kWh/10 kWh/L = 10 L
Wie viele Kilometer würde das oben genannte Elektroauto mit der Strommenge fahren, die dieser Menge Diesel entspricht?
100 kWh/16.7 kWh = 5.988; The electric car travels 5,988 times as far, i.e. 598.8 km.
A fuel cell vehicle is powered by a...
electric engine
As fuels, H2, CH4 and XY are used
NH3 (ammonia)
The fuel is converted in a fuel cell to?
power
Compared to a battery-operated vehicle, the range of a vehicle with a fuel cell is higher/smaller , refuelling is faster/slower and the efficiency of electricity to drive energy is smaller/higher/approximately equal.
1. higher
2. faster
3. smaller
The electrolysis of water for the production of H2 is a necessary step in all PtX processes.?
The electrolysis of water for the production of H2 is an endothermic process for which energy must be expended.?
The electrolysis of water for the production of H2 is an exothermic process in which energy is released.?
The electrolysis of water for the production of H2 has an efficiency of almost 100%.?
The electrolysis of water for the production of H2 leads to an energy loss of around 30%.?
-
- 1 / 116
-
Cartes-fiches
Advantages and Disadvantages of Fuel Cell Drives
- Vorteile:
- Größere Energiespeicherkapazität (erweiterte Reichweite)
- Schnellere Betankung (3-5 Minuten für komprimierten Wasserstoff vs. 30 Minuten für eine 70 kWh Batterie)
- Nachteile:
- Effizienzverlust: 2,6 Mal weniger effizient als direkte Nutzung von Elektrizität
Nur in Fällen anwendbar, in denen Batterien keine Option sind
Production and Storage of Hydrogen (H2) Basics
- Produktion:
- Elektrolyse: Umwandlung von Wasser (H2O) in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) durch elektrische Energie, Effizienz ~70%.
- Speicherung:
- Flüssiggas: Gekühlt bei -235°C in Kryotanks, benötigt etwa 1/3 der gespeicherten Energie für Kühlung.
- Komprimiertes Gas: Unter hohem Druck (700 bar) in Drucktanks, benötigt etwa 10% der gespeicherten Energie für die Kompression.
- Adsorptive Speicherung: Zeolithe, metallorganische Gerüste, Kohlenstoffnanoröhren oder Aktivkohle.
Name and Compare Renewable Fuels
- Wasserstoff (H2):
- Hohe gravimetrische Energiedichte
- Niedrige volumetrische Energiedichte
- Methan (CH4):
- Erzeugung durch Sabatier-Prozess
- Komprimiertes Erdgas (CNG) oder Flüssigerdgas (LNG)
- Methanol (MeOH):
- Katalytische CO2-Hydrierung
- Ammoniak (NH3):
- Haber-Bosch-Verfahren
Describe the Production of eCH4 and Liquid Synthetic Fuels
- eCH4 (elektrisches Methan):
- Ausgangsstoffe: H2 und CO2
- Syntheseweg: Sabatier-Prozess, Reaktion bei 400°C und 300 bar mit Metallkatalysatoren wie Ni, Ru und Rh.
- Flüssige synthetische Kraftstoffe:
- Ausgangsstoffe: H2 und CO2
- Syntheseweg: Fischer-Tropsch-Synthese, Umkehrreaktion von Wassergas, Metallkatalysatoren (Co, Fe) bei 150-300°C und 25 bar.
- Produkte: Synthetische Brennstoffe wie Kerosin, Diesel, Benzin, synthetisches Motoröl.
Biomass Potential Switzerland (Already Used, Additionally Usable)
- Verfügbares Biomassepotenzial in der Schweiz: 100 PJ/a
- Holzbasiert: 49 PJ
- Güllebasiert: 30 PJ
- Bereits genutzt: ~50% des Potenzials
- Zusätzlich nutzbar:
- Gülle: 27 PJ
- Holz: 12 PJ
Classification of Biomass into Dry+Clean and Wet+Dirty
- Wet and Dirty:
- Eigenschaften: Trockensubstanzgehalt < 20% w/w, hoher anorganischer Gehalt, Mischungen verschiedener Substanzen, hohe mikrobiologische Belastung
- Beispiele: Gülle, organischer Anteil von kommunalen Abfällen, Klärschlamm
- Dry and Clean:
- Eigenschaften: Höherer Trockensubstanzgehalt, niedriger Aschegehalt, nur eine Biomassefraktion oder weniger Komponenten
- Beispiele: Stärke, Lipide, Holz, Stroh
Definitions of Biochemical, Thermochemical and Catalytic Conversions with Examples
- Biochemische Umwandlung: Verwendung von Enzymen oder Mikroorganismen zum Abbau von Biomasse bei niedrigen Temperaturen und Druck in Wasserbasis.
- Beispiele: Biogasproduktion (Methan), Ethanol
- Thermochemische Umwandlung: Verwendung von Wärme für die Biomasseumwandlung bei hohen Temperaturen (>100°C).
- Beispiele: Pyrolyse, Vergasung, direkte Verbrennung von Biomasse
- Katalytische Umwandlung: Nutzung von Katalysatoren zur chemischen Umwandlung von Biomasse.
- Beispiele: Synthesegas (SNG), synthetische flüssige Brennstoffe
Composition and Production of Biogas, 4 Steps of Anaerobic Digestion Without Details, Temperature Levels
- Zusammensetzung von Biogas: Mischung aus CH4 und CO2 (50-70% Methan)
- Produktion: Abbau organischer Substrate in Abwesenheit von Sauerstoff durch mikrobiellen Konsortium
- Vier Schritte der anaeroben Vergärung:
- Hydrolyse
- Acidogenese
- Acetogenese
- Methanogenese
- Temperaturniveaus:
- Mesophile Anlagen: 25-35°C
- Thermophile Anlagen: >45°C
Biogas from Liquid Manure: Approximate Methane Yield, Methane Yield, Potential for Switzerland, Co-substrate
- Methanausbeute aus Gülle: 150 bis 250 NLCH4/kg oDM
- Potenzial in der Schweiz:
- Chemische Energie (CH4) aus Biogas: ~10 PJ/a
- Chemische Energie (CH4) aus Synthesegas (HTG): ~20 PJ/a
- Co-Substrate:
- Beispiele: Lebensmittelabfälle, Gartenabfälle, Rückstände aus der Mühle
- Import: Aktuell etwa 30.000 t/a Co-Substrate (z.B. Glycerin, Seifenrückstände, Fette)
Processing of Biogas to Methane: Gas Permeation, Absorption
- Gaspermeation:
- Technologie existiert auch für kleinere Anlagen (20-100 Nm³ CH4/h)
- Absorption:
- Optionen: Druckwasserwäsche, Aminwäsche
- Industrielle Gasreinigung: 300-3.000 Nm³ CH4/h
Overview of Hydrothermal Gasification
- Definition: Vergasung von holziger Biomasse in nah- und überkritischem Wasser
- Vorteile: Keine Bildung von Teer und Koks, Produktion eines methanreichen Gases
- Eigenschaften von überkritischem Wasser:
- Dichte wie Flüssigkeit
- Viskosität wie Wasserdampf
- Salze werden unlöslich
- Geringe Verdampfungsenthalpie
- Prozess: Biomasseschlämme wird erhitzt, dann katalytisch in einem Reaktor umgesetzt, um Methan und andere Gase zu produzieren.
Ethanol Production: Differences in the Processes and Advantages/Disadvantages of Sugar, Starch (1. Gen.) and Lignocellulose (2. Gen.) as Substrates
1. Generation (Zucker und Stärke)
- Prozesse: Fermentation von Mono- oder Disacchariden (z.B. Glukose, Fruktose, Saccharose) und Polysacchariden (Stärke)
- Vorteile:
- Substrate sind Massenwaren
- Keine oder sehr schnelle Hydrolyse erforderlich
- Hohe Zucker- und Produktkonzentrationen erreichbar
- Nachteile:
- Rohstoffe sind Nahrungs- oder Futtermittel
2. Generation (Lignocellulose)
- Prozesse: Umwandlung von Zellulose, Hemizellulose und Lignin in Ethanol
- Vorteile:
- Am häufigsten vorkommendes organisches Material (180 Milliarden Tonnen/Jahr)
- Keine Konkurrenz zu Nahrungsmitteln
- Nachteile:
- Unhandliche klumpige Güter
- Recalcitrante Biomasse
- Mehr als eine Zuckerart
- Niedrige Zuckerkonzentrationen
- Heterogene Katalyse
- Lignin als Ballast
Defining Hydrolysis and Knowing 2 Hydrolysis Processes (Biological, Acid)
- Definition Hydrolyse: Aufspaltung von Polysacchariden in Monosaccharide durch Zugabe von Wasser.
- Biologische Hydrolyse: Einsatz von Enzymen wie Amylasen (α-Amylase und Glucoamylase), die Polysaccharide in Glukose zerlegen.
- Säure-Hydrolyse: Einsatz von starken Säuren wie Salzsäure oder Schwefelsäure, um Polysaccharide in Monosaccharide zu spalten.
Composition and Pretreatment of Lignocellulose
- Zusammensetzung:
- Zellulose: 40-50%
- Hemizellulose: 25-30%
- Lignin: 15-20%
- Vorbehandlung:
- Ziel: Erhöhte Verdaulichkeit der Biomasse, Aufbrechen der Zellwandstruktur, Verbesserung des Zugangs von hydrolytischen Enzymen zu Polysacchariden.
- Getestete Technologien: Dampfexplosion/Heißwasser, verdünnte Schwefelsäure/SO₂, Ammoniak, Kalk.
Purification of Ethanol Briefly
- Reinigung von Ethanol: Die Trennung von Feststoffen aus dem Ethanol/Wassergemisch und anschließende Destillation zur Erhöhung der Ethanolkonzentration.
- Destillation: Mehrstufige Destillation zur Trennung von Ethanol und Wasser, anschließend Dehydration durch molekulare Siebe, um reines Ethanol zu erhalten.
Lipids and Farnesene as Alternative Fermentation Products from Sugar
- Lipide:
- Aerobe Fermentation von Zuckern mit oleaginösen Hefen oder heterotrophen Mikroalgen, die Lipide in ihren Zellen anreichern.
- Lipidakkumulation kann bis zu 60% des Trockengewichts der Zelle betragen.
- Farnesen:
- Aerobe Fermentation von Glukose mit gentechnisch veränderten Hefen, die C15-Alkene (Farnesen) produzieren.
- Hydrobehandlung des langen Kohlenwasserstoffs zu Farnesan, das direkt als Düsentreibstoff verwendet werden kann.
Principle and Intermediates
- Prinzip: Biomasse wird vergast, um Synthesegas (CO und H₂) zu erzeugen, das dann katalytisch zu synthetischen Kraftstoffen (z.B. Fischer-Tropsch-Diesel, Methanol) umgewandelt wird.
- Zwischenprodukte: Synthesegas (eine Mischung aus CO und H₂), das durch Vergasung von Biomasse entsteht.
Gasification Agent
- Vergasungsmittel: Luft, Sauerstoff, Dampf/Sauerstoff-Mischungen oder CO₂.
- Autotherm: Gesamtprozess ist unabhängig von externer Wärmezufuhr.
- Allotherm: Konversionsprozesse benötigen eine externe Wärmezufuhr (endotherme Reaktion).
Rationale for Important Purification of the Synthesis Gas
Grund: Synthesegas muss vor der weiteren Verarbeitung gereinigt werden, da Verunreinigungen (z.B. Teere, Partikel, Alkali-, Schwefel-, Halogen- und Stickstoffverbindungen) Erosion, Korrosion und/oder Sedimentation verursachen und die Aktivität von Katalysatoren reduzieren oder inaktivieren können.
Fischer-Tropsch Synthesis (Basic Principle)
- Prinzip: Katalytische Umwandlung von Synthesegas (CO und H₂) in längerkettige Kohlenwasserstoffe (z.B. synthetische Kraftstoffe wie Kerosin, Diesel, Benzin, synthetisches Motoröl, Paraffin, Wachse).
- Katalysatoren: Co, Fe bei Temperaturen von 150-300°C und einem Druck von 25 bar.
- Produkte: Synthetische Kraftstoffe und Nebenprodukte wie Ethanol, Aceton, Ethylen, Propylen und Wasser.
Methanol Synthesis (Basic Principle), Without Reaction Equations
- Prinzip: Katalytische Umwandlung von CO und H₂ in Methanol.
- Katalysatoren: Cu, Zn, Al₂O₃.
- Prozess: Synthesegas (CO und H₂) wird unter Druck und bei moderaten Temperaturen über die genannten Katalysatoren geführt, um Methanol zu produzieren.
Sources of Triglycerides (Oilseeds, Sugar Fermentation, Microalgae for the Production of Oils)
- Ölsaaten: Palmöl, Sojabohnen, Raps, Sonnenblumenkerne, etc.
- Zuckerfermentation: Hefen und Algen, die Zucker fermentieren, um Triglyceride (TAGs) zu produzieren.
- Mikroalgen: Können phototroph (durch Photosynthese) oder heterotroph (durch Zuckeraufnahme) wachsen und unter Stressbedingungen TAGs anreichern (z.B. bei Stickstoffmangel).
Basic Processes for Extracting Oils from Oilseeds
- Pressen/Mechanische Extraktion: Zerkleinern der Samen und Auspressen des Öls.
- Lösungsmittel-Extraktion: Trennung der Öle von den Samen mit Hilfe von Lösungsmitteln (z.B. n-Hexan).
- Kombinierte Pressung mit Lösungsmittel-Extraktion: Kombination beider Methoden zur Maximierung der Ölausbeute.
FAME (Biodiesel) and HEFA: Raw Materials, Use as Fuel, Technological Maturity of Production
FAME (Fatty Acid Methyl Esters - Biodiesel)
- Rohstoffe: Triglyceride aus Pflanzenölen und tierischen Fetten, Altöl.
- Verwendung als Kraftstoff: Kann in Dieselmotoren verwendet werden, wird häufig mit fossilem Diesel gemischt (bis zu 7% FAME ohne Kennzeichnungspflicht).
- Technologische Reife:
- Prozess: Transesterifikation, bei der Glycerin durch Methanol ersetzt wird, katalytischer Prozess bei 60°C unter Verwendung von KOH als Katalysator.
- Nebenprodukt: Glycerin.
- Reifegrad: Weit verbreitet und technologisch ausgereift.
HEFA (Hydroprocessed Esters and Fatty Acids)
- Rohstoffe: Triglyceride aus Pflanzenölen, tierischen Fetten, gebrauchtem Speiseöl, Palmfettsäuredestillat.
- Verwendung als Kraftstoff: Wird in Flugzeugturbinen als Jet-A1-Kraftstoff verwendet.
- Technologische Reife:
- Prozess:
- Hydrodeoxygenierung: Sättigung von Estern und Doppelbindungen mit Wasserstoff zu n-Alkanen unter Verwendung von Metallkatalysatoren (NiMo, Al₂O₃) bei 280-340°C und 50-100 bar.
- Isomerisierung: Bildung verzweigter Alkane zur Senkung des Gefrierpunkts unter Verwendung von Katalysatoren (Zeolithe, ZSM, Al₂O₃, Pt) bei 280-400°C und einem Druck von 30-100 bar.
- Hersteller: Unternehmen wie Neste produzieren HEFA in großem Maßstab (~2,6 Mio. t/a).
- Prozess:
Three Currently Most Important Electricity Production Processes
- Wasserkraftwerke
- Kernkraftwerke
- Photovoltaik (PV)
Electricity Consumption and Type of Generation Over the Year
- Stromproduktion in der Schweiz (2021): 64,2 Milliarden kWh
- Nettogenerierung (nach Abzug des Pumpverbrauchs): 60,1 Milliarden kWh
- Stromverbrauch (2021): 62,5 Milliarden kWh
- Nettostromverbrauch (nach Abzug von Übertragungs- und Verteilungsverlusten): 58,1 Milliarden kWh
- Jahreszeitliche Schwankungen:
- Sommerhalbjahr: Hauptsächlich Stromproduktion durch Wasserkraftwerke.
- Winterhalbjahr: Erhöhte Stromproduktion durch Kernkraftwerke.
Options for Renewable Electricity Production with Associated Primary Energy Source
- Wasserkraft: Fließendes Wasser (potentielle Energie)
- Photovoltaik (PV): Sonnenstrahlung (Strahlungsenergie)
- Windkraft: Wind (kinetische Energie)
Basic Principle of the Function of Run-of-River Power Plants, Storage Hydropower Plants, and Pumped Storage Power Plants
- Run-of-River Power Plants:
- Prinzip: Nutzung der kinetischen Energie von fließendem Wasser aus Flüssen.
- Energieumwandlung: Kinetische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt.
- Storage Hydropower Plants:
- Prinzip: Nutzung der potenziellen Energie von gespeichertem Wasser in Reservoiren.
- Energieumwandlung: Potenzielle Energie wird in elektrische Energie umgewandelt.
- Pumped Storage Power Plants:
- Prinzip: Wasser wird in Zeiten niedriger Nachfrage in ein höher gelegenes Reservoir gepumpt und bei hohem Bedarf wieder abgelassen, um elektrische Energie zu erzeugen.
- Energieumwandlung: Potenzielle Energie wird in elektrische Energie umgewandelt.
Importance of PV in the Energy Strategy and Potential in Switzerland
- Bedeutung: PV ist zentral für die Energieversorgung und die Reduktion von Treibhausgasemissionen in der Schweiz.
- Potenzial: PV kann auf Dächern und Fassaden installiert werden, mit einem geschätzten Potenzial von 50 TWh auf Dächern und 17 TWh auf Fassaden.
Functional Principle of PV and Components of a PV System, Type of Energy Conversion
- Prinzip: Umwandlung von Sonnenstrahlung in elektrische Energie durch den photoelektrischen Effekt.
- Komponenten:
- Solarzellen: Erzeugen Gleichstrom aus Sonnenlicht.
- Solarmodul: Verbindung mehrerer Solarzellen.
- Wechselrichter: Wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um.
- Anschlussbox: Verbindung zum lokalen Stromnetz.
- Stromzähler: Misst den erzeugten Strom.
- Energieumwandlung: Strahlungsenergie wird in elektrische Energie umgewandelt.
Nominal Power of PV Modules, Seasonal Fluctuation of PV Electricity Production
- Nennleistung (Wp): Maximale elektrische Leistung unter optimalen Bedingungen (1.000 W/m², 25°C).
- Saisonale Schwankungen: Höhere Stromproduktion im Sommerhalbjahr, geringere im Winterhalbjahr.
EROI for PV
- EROI (Energy Return on Investment): Verhältnis der im Laufe der Lebensdauer einer PV-Anlage erzeugten Energie zur Energie, die für ihre Herstellung benötigt wurde.
- Wert: Etwa 4,5, was bedeutet, dass eine PV-Anlage im Laufe ihrer Lebensdauer 4,5-mal mehr Energie liefert, als zu ihrer Herstellung benötigt wurde.
Operating Principle of a Wind Turbine, Type of Energy Conversion
- Prinzip: Umwandlung der kinetischen Energie des Windes in elektrische Energie.
- Energieumwandlung: Kinetische Energie wird in elektrische Energie umgewandelt.
Importance of Wind Power in the Energy Strategy and Potential in Switzerland
- Bedeutung: Windenergie ist ein wichtiger Bestandteil der Energiezukunft der Schweiz.
- Potenzial: Bis 2040 ist ein Ausbau von etwa 1.000 MW vorgesehen.
Seasonal Fluctuation of Wind Power
- Saisonale Schwankungen: Windenergie wird hauptsächlich im Winterhalbjahr erzeugt.
EROI for Wind Power
- EROI (Energy Return on Investment): Verhältnis der im Laufe der Lebensdauer einer Windkraftanlage erzeugten Energie zur Energie, die für ihre Herstellung benötigt wurde.
- Wert: Bis zu 18, was bedeutet, dass eine Windkraftanlage im Laufe ihrer Lebensdauer 18-mal mehr Energie liefert, als zu ihrer Herstellung benötigt wurde.
Thermal Power Plants: Types and Renewable Fuels
Thermal Power Plants: Types and Renewable Fuels
- Typen:
- Biomassekraftwerke: Verbrennung von Holzresten, Sägemehl, Holzschnitzeln, Stroh und Abfallholz.
- Geothermiekraftwerke: Nutzung der Erdwärme zur Stromerzeugung.
- Kernkraftwerke: Nutzung der Wärme aus Kernreaktoren zur Stromerzeugung.
- Gaskraftwerke: Verbrennung von Erdgas oder Biogas.
- Müllverbrennungsanlagen (MWIP): Verbrennung von kommunalen Abfällen.
- Abwasserreinigungsanlagen (WWTP): Nutzung von Klärschlamm zur Energiegewinnung.
- Erneuerbare Brennstoffe:
- Biomasse: Holz, Stroh, Abfallholz, biogene Abfälle.
- Biogas: Erzeugt aus organischen Abfällen und Gülle.
Importierter Wasserstoff: Zukünftige Möglichkeit, fossile Brennstoffe zu ersetzen.
Principle of a Thermal Engine, Type of Energy Conversion, Influence of Temperature on Efficiency (Carnot Efficiency)
- Prinzip: Eine Wärmekraftmaschine wandelt Wärmeenergie in mechanische Arbeit um, die dann in elektrische Energie umgewandelt wird.
- Energieumwandlung: Wärmeenergie -> Mechanische Energie -> Elektrische Energie.
- Einfluss der Temperatur auf die Effizienz:
- Carnot-Effizienz: Die maximale theoretische Effizienz einer Wärmekraftmaschine wird durch den Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle (T_H) und der Wärmesenke (T_C) bestimmt.
- Formel: ηCarnot=1−TCTHηCarnot=1−THTC
- Höhere Temperaturen der Wärmequelle führen zu höherer Effizienz.
Principle of the Rankine and Joule Cycle
Rankine Cycle (Dampfkraftprozess)
- Prinzip:
- Kompression: Das Arbeitsmedium (Wasser) wird in eine Hochdruckpumpe gepumpt (3-4).
- Heizung und Verdampfung: Das Wasser wird in einem Kessel erhitzt und zu Hochdruckdampf verdampft (4-1).
- Expansion: Der Dampf dehnt sich in einer Turbine aus und verrichtet Arbeit (1-2).
- Kondensation: Der Dampf kondensiert in einem Kondensator zurück zu Wasser (2-3).
- Energieumwandlung: Wärmeenergie -> Mechanische Energie -> Elektrische Energie.
Joule Cycle (Gas-Turbinen-Prozess)
- Prinzip:
- Kompression: Das Arbeitsmedium (Gas) wird komprimiert (1-2).
- Heizung: Das Gas wird durch Verbrennung eines Brennstoffs erhitzt, was sein Volumen erhöht (2-3).
- Expansion: Das Gas dehnt sich in einer Turbine aus und verrichtet Arbeit (3-4).
- Energieumwandlung: Chemische Energie (Brennstoff) -> Wärmeenergie -> Mechanische Energie -> Elektrische Energie.
Development of Electricity Consumption up to 2050, "New" Electricity Consumption Due to What
- Entwicklung des Stromverbrauchs bis 2050:
- Der nationale jährliche Stromverbrauch wird bis 2050 steigen.
- Neuer Stromverbrauch:
- Elektromobilität: Erhöhte Nutzung von Elektrofahrzeugen (2 Millionen E-Autos und 200.000 E-LNFs bis 2040).
- Wärmepumpen: Vermehrter Einsatz von Wärmepumpen in Industrie und Dienstleistungssektoren sowie für Fernwärme.
- Power-to-X (PtX): Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff, der in anderen Sektoren genutzt werden kann.
- Carbon Capture and Storage (CCS): Abscheidung von CO₂ aus industriellen Abgasen zur Speicherung.
