Description: Natronlaugeherstellung (Diaphragmaverfahren). Natronlauge wird heute elektrochemisch dargestellt. In dieser Prozeßeinheit wird die Herstellung der Natronlauge durch Elektrolyse von Natriumchlorid (Chlor/Alkali-Elektrolyse) nach dem Diaphragmaverfahren bilanziert. Der Prozeß liefert neben Natronlauge stets Chlor und Wasserstoff. Ausgangsstoff ist Steinsalz (NaCl) oder direkt die Sole aus dem Bergbau. Verunreinigungen des Rohstoffs werden durch Fällung mit Natronlauge oder Soda entfernt. Bei diesem Verfahren trennt ein Diaphragma (Asbest) Anoden- und Kathodenraum. Der Elektrolyt (NaCl in Wasser) wird beim Diaphragmaverfahren im direkten Durchlauf geführt. Die Kochsalzlösung wird zuerst in den Anodenraum gepumpt. Hier entwickelt sich an der Anode (Titan) Chlor, das gekühlt, mit Schwefelsäure getrocknet und komprimiert wird. Der Elektrolyt fließt nun durch das Diaphragma zur Kathode (Stahl). An der Kathode scheidet sich Wasserstoff ab, und es bildet sich Natronlauge. Die resultierende Natronlauge ist jedoch mit NaCl verunreinigt und muß von 12 auf 50 % eingeengt werden, was den Gesamtenergieverbrauch stark erhöht. Während des Eindampfens und Abkühlens der Lösung fällt Natriumchlorid aus, das in den Prozeß zurückgeführt wird. Heute wird Natronlauge industriell ausschließlich über die Chlor/Alkali-Elektrolyse hergestellt. Es stehen drei verschiedene Elektrolyseverfahren für NaCl zur Verfügung: das Amalgamverfahren, das Diaphragmaverfahren und das Membranverfahren. Die Verteilung der Produktionskapazitäten auf die verschiedenen Verfahren können für das Jahr 1990 der Tabelle 1 entnommen werden (#3). 1985 entfielen in der BRD ca. 63 % der gesamten Chlorproduktion auf das Amalgamverfahren, ca. 31 % auf das Diaphragmaverfahren und ca. 6 % auf sonstige Verfahren (HCl, Schmelzfluß) (#1). Das Membranverfahren stellt das derzeit modernste Verfahren dar. In der Bundesrepublik sind jedoch nur Versuchsanlagen bei der Hoechst AG und der Bayer AG in Betrieb (UBA 1991). Die Produktion an NaOH betrug 1990 in Europa ca. 8,67 Mio. Tonnen. Die Weltproduktion belief sich 1990 auf 38,43 Mio. Tonnen pro Jahr (#3). Die Kennziffern dieser Prozeßeinheit beziehen sich auf die Natronlaugeherstellung in Deutschland Ende der 80er Jahre. Tabelle 1 Produktionskapazitäten 1990 in Prozent (nach #3). Prozeß USA Kanada Westeuropa Japan Amalgam 18 15 65 0 Diaphragma 76 81 29 20 Membran 6 4 6 80 Allokation: Bei der Elektrolyse entstehen Cl und NaOH im molaren Verhältnis von 1 zu 1. Entsprechend diesem Verhältnis werden die Gesamtwerte der Elektrolyse (Massenbilanz, Energiebedarf, Emissionen, Wasser) zwischen Chlor und Natriumhydroxid zu gleichen Anteilen aufgeteilt. Rechnet man das molare Verhältnis auf Massen um, so enstehen pro Tonne NaOH (100 %ig) 0,887 Tonnen Cl2. Die Kennziffern werden für 100 %iges Natriumhydroxid berechnet. Das verkaufsfertige Produkt des Prozesses stellt 50 %ige Natronlauge (wässrige Lösung) dar. Um diesem Unterschied zwischen der Bilanzierung und dem tatsächlichen Produkt Rechnung zu tragen, wird der hier bilanzierten Prozeßeinheit der Natronlaugeherstellung eine fiktive Verdünnung der 100 %igen NaOH zu wässriger 50 %iger Natronlauge nachgeschaltet (Prozeßeinheit: Chem-Anorg\NaOH 50 %). Bei der Elektrolyse entstehen weiterhin 24,8 kg Wasserstoff (H2)/t NaOH. Es wird angenommen, daß der Wasserstoff energetisch verwertet wird (Verbrennung). Entsprechend wird für H2 eine Energiegutschrift berechnet (siehe „H2-Kessel-D“), die zu jeweils 50 % der Chlor- und der Natronlaugeherstellung gutgeschrieben wird. Genese der Kennziffern Massenbilanz: Zur Herstellung einer Tonne NaOH (und gleichzeitig 0,887 t Cl2) werden als Rohstoff 1516 kg Natriumchlorid benötigt. Um Verunreinigungen aus dem Elektrolyten vor der Elektrolyse zu entfernen werden 39 kg Fällungsmittel (NaOH, Na2CO3) eingesetzt. Die Verunreinigungen fallen als Abfall (134 kg, feucht) an. Bei der Reaktion enstehen als Nebenprodukt 24,8 kg Wasserstoff (Energiegutschrift bei GEMIS). [Aus #1 , umgerechnet auf 1 t NaOH]. Zur Genese der Kennziffern bei GEMIS werden nach der obigen Allokationsregel der Natronlauge 50 % der aufgeführten Mengen zugeteilt. Die restlichen 50 % entfallen auf die Herstellung von Chlor. Energiebedarf: Der Energiebedarf für den Gesamtprozeß der Herstellung einer Tonne Natriumhydroxid und 0,887 Tonnen Chlor für die verschiedenen Verfahren kann nach #3 der Tabelle 2 entnommen werden. Als Kennziffer für die hier betrachtete Prozeßeinheit (Diaphragmaverfahren) wurde gemäß der Allokationsregel 50 % des Mittelwerts der Werte aus Tabelle 2 - 1275 + 400 kWh/t NaOH - eingesetzt. Tabelle 2 Energiebedarf in kWh für die Herstellung von 1t NaOH und 0,887 t Cl2 Energie [kWh] Amalgam Diaphragma Membran elektr. Energie 2800-3200 2500-2600 2300-2500 Dampf(äquivalent) 0 700-900 90-180 Summe 2800-3200 3200-3500 2390-2680 Im Vergleich dazu wird der Gesamtenergiebedarf in #1 mit 2704 kWh/t NaOH + 0,887 t Cl2 elektrischer Energie - nach Allokation: 1352 kWh/t NaOH - angegeben (Werte wurden von der Chlorherstellung auf die Herstellung von NaOH umgerechnet). Da die Werte aus #3 besser nachvollziehbar sind, werden diese für GEMIS verwendet. Prozeßbedingte Emissionen: Die Chlorgesamtemissionen in die Luft werden in #2 für die Natronlaugeherstellung nach dem Diaphragmaverfahren mit 0,001 g (für 1 kg NaOH 100 % + 0,887 kg Cl2) beziffert. Für die Bildung der Kennziffern bei GEMIS werden nach der Allokationsregel die Gesamtemissionen je zur Hälfte der Chlor- und der Natronlaugenherstellung zugeordnet. Wasser: Das für die Chlor- und Natronlaugenherstellung benötigte Wasser setzt sich aus dem chemisch verbrauchten Wasser (450 kg, z.B. für die Bildung von Wasserstoff), dem Lösungswasser (24 kg, Lösung von NaCl und Bildung der wässrigen NaOH), dem Niederdruckdampf (2482 kg), dem Prozeßwasser (3812 kg) und dem Kühlwasser (257092 kg) zusammen [aus #1, umgerechnet auf eine Tonne NaOH]. Die Gesamtabwasserfrachten werden in #2 für das Diaphragmaverfahren mit 0,002 g BSB5, 0,005 g CSB und 0,006 g Blei (für 1 kg NaOH 100 % + 0,887 kg Cl2) angegeben. Die oben aufgeführten Gesamtwassermengen und Abwasserwerte wurden für GEMIS anteilig zu je 50 % unter den beiden Prozeßeinheiten der Chlor- und Natronlaugeherstellung aufgeteilt. Auslastung: 5000h/a Brenn-/Einsatzstoff: Rohstoffe gesicherte Leistung: 100% Jahr: 2020 Lebensdauer: 20a Leistung: 1t/h Nutzungsgrad: 132% Produkt: Grundstoffe-Chemie Verwendete Allokation: Allokation durch Gutschriften
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Comment: Kurzinfo: Datensatz aus GEMIS. Negative Werte durch Gutschriftenrechnung. GEMIS steht für “Globales Emissions-Modell Integrierter Systeme“; es ist ein Softwaretool des Öko-Instituts. GEMIS wurde 1987 erstmals angewendet und wird seitdem weiterentwickelt. Die GEMIS-Datensätze beruhen - je nach Anwendung - auf unterschiedlichen Methoden; auch der zeitliche und der örtliche Bezug der Datensätze sind verschieden. Methode bei Prozessen mit mehreren Outputs: Zur Modellierung der Datensätze zu Multi-Output Prozessen wird in GEMIS die Methode der Systemerweiterung verwendet. Hierbei werden Datensätze, in denen jeweils alle Inputs, alle Outputs und alle Umweltaspekte eines Multi-Output Prozesses ausgewiesen sind, als “Brutto“ bezeichnet. Durch Subtraktion von ‚Bonus’-Prozessen, die jeweils einen der Outputs auf herkömmliche Weise bereitstellen, entsteht ein Nettoprozess, in denen das substituierte Nebenprodukt als Gutschrift erscheint. Die Gutschrift ist dabei kein realer Output des Prozesses, sondern ein rechnerischer ‚Merker’. Beispiel: Multi-Output Prozess Biogas-BZ-MC-HKW-D-2020/brutto: Output ist 1 TJ Elektrizität und 0,6 TJ Wärme, der “Netto“-Datensatz soll sich aber nur auf die Elektrizität beziehen. Durch Subtraktion des Bonusprozesses Wärme-Bonus-Gas-Hzg-D-2020 mit dem Output Wärme(0,6 TJ) entsteht der “Netto“-Datensatz Biogas-BZ-MC-HKW-D-2020/Gas, für den als Output 1 TJ Elektrizität und 0,6 TJ ‚Gutschrift Wärme-Bonus-für-KWK (Bio)-2020 bei Wärme-Bonus-Gas-Hzg-D-2020’ angegeben werden; die Gutschrift stellt keinen Stoff- oder Energiefluss des Prozesses dar, sie ist allein rechnerisch begründet. Transport: Angaben zu den angesetzten Transportdistanzen werden nicht gegeben. Abschneidekriterien: Wasser wird in der Regel nur auf der Inputseite angegeben (etwa als Kühlwasser), auch wenn es den Prozess wieder verlässt als Abwasser. Weitere Angaben zu angewendeten Abschneidekriterien werden nicht gegeben. Besondere Nomenklatur: Zahlreiche Abkürzungen für Brennstoffe aus Biomasse und entsprechende Technologien. Besonderheiten auf Datensatzebene: Die Datensätze sind mit Vorketten-Datensätzen verknüpft, in denen die jeweils benötigten Vorprodukte, Energien und Transportleistungen erzeugt werden. Die Daten zu den Umweltaspekten werden erstens “direkt“ (d.h., nur aus dem jeweiligen Prozess, falls dieser direkt zu Umweltaspekten beiträgt) als auch “mit Vorkette“ (d.h., einschließlich aller vorausgehenden Prozesse) ausgewiesen. Negative Werte für Stoffflüsse kommen in GEMIS regelmäßig vor; sie entstehen durch die Anwendung von Systemerweiterung um Multi-Output Prozesse in Single Output Prozesse umzurechnen. Teilweise werden Aufwendungen für Produktionsmittel (Anlagen, Fahrzeuge etc.) aufgeführt (als Stoffflüsse im Input); diese sind jedoch nicht auf die funktionelle Einheit bezogen, sondern werden als absolute Werte angegeben; sie werden nur als Input und nicht als Output (Entsorgung der Betriebsmittel) angegeben. Die durch die Herstellung dieser Produktionsmittel verursachten Umweltaspekte sind dagegen über Leistung, jährliche Auslastung und Lebensdauer auf die funktionelle Einheit bezogen Weiterführende Hinweise und Literatur: #1: Fritsche, U.R., Schmidt, K.: Globales Emissions-Modell Integrierter Systeme (GEMIS), Version 4.2, Handbuch, Darmstadt, August 2004. #2: Fritsche, U.R., Schmidt, K.: Globales Emissions-Modell Integrierter Systeme (GEMIS), Version 4.1, Handbuch, Darmstadt, Darmstadt, Januar 2003. #3: Fritsche, U., et al.: Stoffstromanalyse zur nachhaltigen energetischen Nutzung von Biomasse, Verbundprojekt gefördert vom BMU im Rahmen des ZIP, Projektträger: FZ Jülich, Mai 2004, Anhangband zum Endbericht. #4: Fritsche, U., et al.: Umweltanalyse von Energie-, Transport- und Stoffsystemen: Gesamt-Emissions-Modell integrierter Systeme (GEMIS) Version 2.1 - erweiterter und aktualisierter Endbericht, U. Fritsche u.a., i.A. des Hessischen Ministeriums für Umwelt, Energie und Bundesangelegenheiten (HMUEB), veröffentlicht durch HMUEB, Wiesbaden 1995
Origin: /Bund/UBA/ProBas
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