Prozessdetails: Xtra-generischO2 (gasförmig)

1.1 Beschreibung

Gewinnung von gasförmigen Sauerstoff durch Luftzerlegung nach dem Lindeverfahren.
In dieser Prozeßeinheit wird die Sauerstoffherstellung durch Luftzerlegung nach dem Niederdruckverfahren (Lindeverfahren) bilanziert. Bei diesem Verfahren werden aus der atmosphärischen Luft gleichzeitig deren drei wesentlichen Komponenten gewonnen: Stickstoff (75,5 Massen-%), Sauerstoff (23,1 Massen-%) und Argon (1,3 Massen-%).
Nach der Abtrennung von Staubpartikeln wird die Luft auf ungefähr 6 bis 7 bar verdichtet und gleichzeitig abgekühlt. Dadurch werden Wasser, Kohlendioxid und hochsiedende Kohlenwasserstoffe abgetrennt. Danach wird die abgekühlte Luft in eine Doppelrektifikationssäule geführt, wo eine Zerlegung in Stickstoff und mittelreinen Sauerstoff erfolgt. In der zweiten Säule geschieht dann die Feintrennung in Stickstoff und Sauerstoff. Die Flüchtigkeit des Argons liegt etwa zwischen derjenigen von Stickstoff und Sauerstoff. Es reichert sich deshalb in der Zwischenzone an, wo es entnommen und in einer speziellen Rektifikationskolonne gereinigt wird. Der Trennung der Komponenten schließen sich Verflüssigungs- und Verdichtungsschritte an.
Derzeit werden ungefähr 90 % der gesamten Sauerstoffproduktion über das hier bilanzierte Niederdruckverfahren hergestellt (Sauerstoff 1996). Andere Verfahren wie PSA (pressure-swing adsorption) oder das Membranverfahren werden hier nicht betrachtet. Die Kennziffern in GEMIS stehen für die Produktion in Westeuropa in den 90er Jahren. In Deutschland wurden 1991 ca. 7,3 Mio. und 1992 ca. 6,7 Mio. Tonnen Sauerstoff produziert [berechnet aus den Volumenangaben in (Produktion 1992)]. Der weltweite Jahresverbrauch an Sauerstoff im Zeitraum 1990/91 belief sich auf ca. 21,2 Mio. t in Westeuropa, ca. 22,0 Mio. t in den USA und ca. 12,9 Mio. t in Japan (Sauerstoff 1996).
Allokation: Bei dem Prozeß der Luftzerlegung fallen Stickstoff und Sauerstoff als Produkte an. Für die Herstellung von einer Tonne an Produkten (765 kg Stickstoff und 235 kg Sauerstoff) wird ein Input von 1014 kg atmosphärischer Luft benötigt. Der Prozeß liefert außerdem 13 kg Argon (dieses wird wegen seines geringen Massenanteils bei GEMIS nicht als Produkt gewertet) und ungefähr 0,5 kg CO2. Die den Prozeß der Luftzerlegung beschreibenden Gesamtdaten werden entsprechend dem Massenanteil der beiden Produkte N2 und O2 zu 3,264:1 aufgeteilt.
Genese der Kennziffern
Massenbilanz: Die Massenbilanz bei der Sauerstoffherstellung wurde unter der Annahme eines Wirkungsgrades von 100 % bei der Luftzerlegung berechnet. Entsprechend der Zusammensetzung der Luft (in Massenanteilen) wird für die Herstellung von 1 t O2 eine Menge von 4322 kg Luft benötigt. Dabei fällt als weiteres Produkt 3264 kg Stickstoff (außerdem 55 kg Argon) an (#1). Als nicht verwerteter Bestandteil der atmosphärischen Luft verbleiben 2,0 kg Kohlendioxid. Für GEMIS ergibt sich nach der Allokationsregel ein Wirkungsgrad von 98,66 % (Bedarf an Luft: 1014kg/t O2). Argon und Kohlendioxid werden nicht bilanziert.
Energiebedarf: Nach #2 wird für die Luftzerlegung (Anlagenkapazität 10000 m3/h) eine Strommenge von 0,15 kWh/m3 gasförmigen N2 benötigt. Bei einer kleineren Anlagenkapazität (1500 m3/h) ergibt sich ein Wert von 0,30 kWh/m3. Für die Verflüssigung des gewonnenen Stickstoffs wird zusätzliche Energie benötigt. Es wird ein Wert von 0,5 bis 0,6 kWh/m3 N2 angegeben. Da für die Bilanzierung von Stickstoff und Sauerstoff eine Luftzerlegungsanlage betrachtet wird bei der gleichzeitig beide genannten Gase entstehen, werden die obigen Energiedaten für die Sauerstoffherstellung übernommen. Man erhält für die Luftzerlegung einen Wert von 0,4 GJ/t O2 und für die Verflüssigung 1,6 GJ/t O2 (vgl. Prozeßeinheit zur Stickstoffherstellung). Diese Werte zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Daten aus #3, 2 MJ/kg O2, und #1, 1,75 MJ/kg O2 (Werte für Luftzerlegung und Verflüssigung). Bei (DOE 1985) wird nur die Luftzerlegung ohne Verflüssigung bilanziert. Es ergibt sich ein Bedarf an 687,2 btu elektrischer Energie für die Zerlegung von 4,322 lb atmosphärischer Luft. Umgerechnet auf die Herstellung von einer Tonne Sauerstoff ergibt sich nach der Allokation (siehe oben) ein Wert von 0,37 GJ/t O2. Die Quellen #2 und #1 geben im Unterschied zu (DOE 1985) keine Energiegesamtwerte für die Zerlegung des gesamten Luftinput, sondern bereits anteilige auf Stickstoff [bzw. #1 bilanziert für 1 kg O2] bezogene Werte an. Da die Angaben aus #2 am besten nachvollziehbar sind, werden diese für GEMIS verwendet.
Prozeßbedingte Luftemissionen: Prozeßbedingte Luftemissionen bei der Luftzerlegung sind nicht bekannt. Da das beim Prozeß anfallende CO2 aus der eingesetzten Luft stammt, wird es nicht als Emission gewertet.
Wasser: Der Wasserbedarf bei der Sauerstoffherstellung beschränkt sich auf die Verwendung von Kühlwasser. Quantitative Angaben hierüber liegen nicht vor.

1.2 Referenzen

  1. DSD (Studie der Arbeitsgemeinschaft Kunststoffverwertung) 1995: Ökobilanz zur Verwertung von Kunststoffabfällen aus Verkaufsverpackungen, Fraunhofer-Institut München, TU Berlin, Universität Kaiserlautern
  2. Ullmann 1991: Ullmann`s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Fifth Completely Revised Edition, Vol. A 17, Weinheim
  3. ESU (Gruppe Energie-Stoffe-Umwelt ETH Zürich)/PSI (Paul-Scherrer-Institut)/BEW (Bundesamt für Energiewirtschaft) 1996: Ökoinventare von Energiesystemen, R. Frischknecht u.a., /PSE/BEW, Zürich (3. Auflage mit CDROM)
  4. Originaldokumentation von 'Xtra-generischO2 (gasförmig)'

1.3 ProBas-Anmerkungen

Kurzinfo: Datensatz aus GEMIS. Negative Werte durch Gutschriftenrechnung. Werte des Prozesses in Spalte ‚Prozess direkt’, Werte des Prozesses einschließlich Vorkette in Spalte ‚Prozess inkl. Vorkette’. Weiter…

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 (s.a. Bild 1):

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.

Bild 1: Beispiel zur GEMIS-Methode der Gutschriftsrechnung / Systemerweiterung

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, siehe Glossar #link#.

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 (#link auf Systemerweiterung oben) 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

Website: http://www.gemis.de

1.4 Weitere Metadaten

Quelle Öko-Institut
Projekte -
Bearbeitet durch Öko-Institut
Datensatzprüfung nein
Ortsbezug Deutschland
Zeitbezug 2000

1.5 Technische Kennwerte

Funktionelle Einheit 1 kg O2 (gasförmig)
Auslastung 5000 h/a
Brenn-/Einsatzstoff Ressourcen
gesicherte Leistung 100 %
Jahr 2000
Lebensdauer 20 a
Leistung 1000000 t/h
Nutzungsgrad 98,7 %
Produkt Grundstoffe-Chemie

Funktionelle Einheit ist »1 kg O2 (gasförmig)«.

Inputs - Aufwendungen für den Prozess

Input Aus Vorprozess Menge Einheit
Elektrizität Netz-el-DE-Verteilung-NS-2000 400*10-9 TJ

Outputs

Output Menge Einheit
O2 (gasförmig) 1 kg
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Funktionelle Einheit ist »1 kg O2 (gasförmig)«.

Ressourcen

Ressource direkt inkl. Vorkette Einheit
Atomkraft 0 371*10-9 TJ
Biomasse-Anbau 0 -218*10-12 kg
Biomasse-Reststoffe 0 5,18*10-9 TJ
Biomasse-Reststoffe 0 -28*10-12 kg
Braunkohle 0 304*10-9 TJ
Eisen-Schrott 0 64,8*10-6 kg
Erdgas 0 106*10-9 TJ
Erdgas 0 18,1*10-6 kg
Erdöl 0 19,2*10-9 TJ
Erdöl 0 900*10-9 kg
Erze 0 0,000185 kg
Geothermie 0 1,02*10-12 TJ
Luft 1 1 kg
Mineralien 0 0,00174 kg
Müll 0 22,7*10-9 TJ
NE-Schrott 0 1,5*10-6 kg
Sekundärrohstoffe 0 554*10-9 kg
Sekundärrohstoffe 0 434*10-12 TJ
Sonne 0 -1,45*10-12 TJ
Steinkohle 0 285*10-9 TJ
Wasser 0 0,383 kg
Wasserkraft 0 21,6*10-9 TJ
Wind 0 6,6*10-9 TJ

Ressourcen (Aggregierte Werte, KEA, KEV, KRA)

Ressource inkl. Vorkette Einheit
KEA-andere 23,1*10-9 TJ
KEA-erneuerbar 33,4*10-9 TJ
KEA-nichterneuerbar 1,09*10-6 TJ
KEV-andere 23,1*10-9 TJ
KEV-erneuerbar 33,4*10-9 TJ
KEV-nichterneuerbar 1,09*10-6 TJ

Luftemissionen

Luftemission inkl. Vorkette Einheit
As (Luft) 1,1*10-9 kg
Cd (Luft) 192*10-12 kg
CH4 0,000128 kg
CO 23,9*10-6 kg
CO2 0,071 kg
Cr (Luft) 776*10-12 kg
H2S 120*10-12 kg
HCl 1,78*10-6 kg
HF 134*10-9 kg
HFC-125 0 kg
HFC-134 0 kg
HFC-134a 0 kg
HFC-143 0 kg
HFC-143a 0 kg
HFC-152a 0 kg
HFC-227 0 kg
HFC-23 0 kg
HFC-236 0 kg
HFC-245 0 kg
HFC-32 0 kg
HFC-43-10mee 0 kg
Hg (Luft) 991*10-12 kg
N2O 2,43*10-6 kg
NH3 69,1*10-9 kg
Ni (Luft) 4,24*10-9 kg
NMVOC 3,57*10-6 kg
NOx 69,7*10-6 kg
PAH (Luft) 197*10-15 kg
Pb (Luft) 3,47*10-9 kg
PCDD/F (Luft) 1,67*10-15 kg
Perfluoraethan 246*10-12 kg
Perfluorbutan 0 kg
Perfluorcyclobutan 0 kg
Perfluorhexan 0 kg
Perfluormethan 1,96*10-9 kg
Perfluorpentan 0 kg
Perfluorpropan 0 kg
SF6 0 kg
SO2 45,8*10-6 kg
Staub 6,12*10-6 kg

Luftemissionen (Aggregierte Werte, TOPP-Äquivalent, SO2-Äquivalent, inkl. Vorkette)

Luftemission inkl. Vorkette Einheit
CO2-Äquivalent 0,0749 kg
SO2-Äquivalent 96,3*10-6 kg
TOPP-Äquivalent 93*10-6 kg

Gewässereinleitungen

Gewässereinleitung inkl. Vorkette Einheit
anorg. Salze 68*10-9 kg
AOX 3,92*10-12 kg
As (Abwasser) 221*10-18 kg
BSB5 129*10-9 kg
Cd (Abwasser) 540*10-18 kg
Cr (Abwasser) 534*10-18 kg
CSB 4,56*10-6 kg
Hg (Abwasser) 270*10-18 kg
Müll-atomar (hochaktiv) 136*10-9 kg
N 2,14*10-9 kg
P 36,4*10-12 kg
Pb (Abwasser) 3,52*10-15 kg

Abfälle

Abfall direkt inkl. Vorkette Einheit
Klärschlamm 0 271*10-9 kg
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