Synthesegas

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Als Synthesegas bezeichnet man im weitesten Sinne ein Gasgemisch, das zu einer Synthese eingesetzt wird, so z. B. auch das Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff für die Ammoniaksynthese. Im engeren Sinn versteht man unter Synthesegas industriell hergestellte Gasgemische, die hauptsächlich Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff neben wechselnden Mengen weiterer Gase enthalten. Je nach Herstellungsverfahren oder Verwendungszweck sind auch einige andere Begriffe für Synthesegas in Gebrauch: Wird Synthesegas aus Wasser und Kohle gewonnen, so wird es Wassergas genannt, bei Methan als Quelle Spaltgas. Methanol-Synthesegas ist Synthesegas für die Methanolherstellung, Oxogas für die Hydroformylierung (oder Oxosynthese).

Herstellung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Herstellung von Synthesegas kann prinzipiell aus festen (s-solid), flüssigen (l-liquid) und gasförmigen (g-gaseous) Edukten (Ausgangsstoffen) erfolgen.

Synthesegas aus festen Edukten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei der Herstellung von Synthesegas aus festen Edukten ist vor allem die Kohlevergasung zu nennen. Kohle – C(s) wird hierbei in einer Mischung aus partieller (teilweiser/unvollständiger) Oxidation mit Luft- oder reinem Sauerstoff – O2(g) und Vergasung mit Wasserdampf – H2O(g) zu einem Gemisch aus Kohlenmonoxid – CO(g) und Wasserstoff – H2(g) umgesetzt. Durch das Boudouard-Gleichgewicht steht CO(g) noch mit C(s) und Kohlendioxid – CO2(g) im Gleichgewicht:

Weiterhin muss das Wassergas-Gleichgewicht berücksichtigt werden:

Die Umsetzung mit Sauerstoff liefert dabei durch die exotherme Reaktion die notwendige Energie zur Erzielung der hohen Reaktionstemperatur für die endotherme Vergasungsreaktion von Kohle mit Wasserdampf.

Durch geschickte Wahl der Einsatzstoffe kann die Zusammensetzung des Synthesegases gesteuert werden (je nach gewünschtem Kohlenmonoxid- und Wasserstoffgehalt).

Da in Kohle neben Kohlenstoff noch weitere Elemente enthalten sind (Schwefel, Stickstoff, Vanadium, …), muss das erhaltene Synthesegas nach dem Reaktor noch aufwendig gereinigt und aufbereitet werden. Hierbei müssen vor allem Wasser, CO2, Ruß und H2S entfernt werden.

Neben Kohle ist prinzipiell auch der Einsatz anderer Feststoffe wie z. B. Biomasse (Holz, Stroh) denkbar, jedoch ist hierbei auch eine Vorbehandlung der Einsatzstoffe und eine Nachbehandlung bzw. Reinigung des Synthesegases notwendig.

Synthesegas aus flüssigen Edukten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Als flüssige Edukte für Synthesegas können unterschiedliche Rohöldestillate eingesetzt werden, sowohl leichtsiedende als auch hochsiedende Fraktionen. Leicht siedende Destillate können nach Entfernung von Schwefel durch Umsetzung mit Wasserdampf nach dem Dampfreformierung-Verfahren umgesetzt werden. Das Steam-Reforming-Verfahren ist eine endotherme Reaktion, welche an einem heterogenen Katalysator durchgeführt wird (Reaktion am Beispiel Pentan):

Beim Einsatz von hochsiedenden Ölfraktionen (flashed visbroken residue, siehe Cracken) wird die partielle Oxidation durchgeführt, welche ohne Katalysator auskommt (Reaktion am Beispiel Pentan):

Synthesegas aus gasförmigen Edukten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das wichtigste gasförmige Edukt zur Synthesegaserzeugung ist Erdgas. Erdgas liefert im Vergleich mit den anderen Edukten den höchsten Anteil an Wasserstoff im Verhältnis zu Kohlenmonoxid.

Dampfreformierung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Erdgas wird hierbei mit Wasserdampf nach dem Dampfreformierungs-Verfahren (englisch Steam Reforming) umgesetzt:

Plasma-Konverter[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ein im Jahr 2012 entwickeltes zweistufiges Verfahren produziert Synthesegas, welches nur aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht. Im ersten Schritt wird Methan mit Hilfe von Plasma bei mehr als 1000 °C in eine Mischung aus Kohlenstoff und Wasserstoff zersetzt[1] (Reaktion: CH4 + Energie -> C + 2 H2). Im zweiten Schritt wird CO2 zu der Mischung aus Kohlenstoff und Wasserstoff gegeben. Der Kohlenstoff und das CO2  reagieren bei hoher Temperatur zu Kohlenmonoxid (Reaktion: C + CO2 -> 2 CO). Alternativ kann Wasser anstelle von CO2 verwendet werden, um eine höhere Wasserstoffkonzentration im Synthesegas zu erhalten[2]. Zusammen mit dem Wasserstoff aus dem ersten Schritt erhält man so ein hochreines Synthesegas, welches nur aus CO und H2 besteht[3].

Partielle Oxidation[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Neben dem Dampfreformierungs- bzw. Steam-Reforming-Verfahren kann man Erdgas auch durch partielle Oxidation (POX) zu Synthesegas umsetzen:

Synthesegas für die Ammoniak-Synthese stellt man auch durch partielle Oxidation her, wobei hier Luft anstelle von reinem Sauerstoff verwendet wird. Das anfallende Kohlenmonoxid wird in einer zweiten Reaktionsstufe mit Wasserdampf zu CO2 und weiterem Wasserstoff konvertiert (umgesetzt):

Nach Abtrennung von CO2 wird dann eine Mischung aus N2 und H2 erhalten, welche anschließend noch auf das gewünschte N2/H2-Molverhältnis eingestellt werden muss.

Synthesegas aus Luft und Strom[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Aus der Umgebungsluft per Direct air capture, oder konzentrierter aus Rauchgas, kann Mithilfe der Aminwäsche oxidierter Kohlenstoff (CO2) gewonnen werden, der im Sabatier-Prozess zu Methan gewandelt werden kann. Für Heizung der Katalysatoren, Betrieb Aminwäschers und Elektrolyse des Wassers zu Wasserstoffgewinnung wird Strom benötigt. Diese Herstellung von Gas erfolgt mit einem Wirkungsgrad bis 80 Prozent. Dieses Gas ist auch die Vorstufe zur Herstellung von E-Fuel (Power-to-Liquid), das nachfolgend per Fischer-Tropsch-Verfahren und Hydrocracken erzeugt wird.[4]

Synthesegasreinigung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

An die meisten der genannten Herstellungsverfahren schließen sich nach dem Reaktor mehr oder weniger aufwändige und komplexe Reinigungs- und Aufbereitungsverfahren an. Im Wesentlichen sind dies:

  • Rußabtrennung
  • Wasserentfernung und Trocknung
  • Abtrennung von Schwefelverbindungen
  • Einstellung des gewünschten CO : H2-Verhältnisses
  • CO2-Abtrennung.

Verwendung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Produkte der Synthesegaschemie

Am häufigsten werden Synthesegase verwendet:

  1. in der Methanolsynthese
  2. in der Ammoniaksynthese nach dem Haber-Bosch-Verfahren
  3. in der Oxosynthese
  4. in der Fischer-Tropsch-Synthese

Neben diesen chemisch-technischen Anwendungsbereichen kann Synthesegas auch über eine Fermentation biotechnologisch genutzt werden. Produkte dieser Option können bsp. Alkohole wie Ethanol, Butanol und 1,2-Propandiol, Aceton sowie organische Säuren sein.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. dieBrennstoffzelle.de - Kvaerner-Verfahren. Abgerufen am 21. November 2019.
  2. EP 2794467 B1 - EP Patent. In: Espacenet. European Patent Office, abgerufen am 21. November 2019.
  3. EP 2794466 B1 - EP Patent. In: Espacenet. European Patent Office, abgerufen am 21. November 2019.
  4. http://www.kit.edu/kit/pi_2019_107_kohlendioxidneutrale-kraftstoffe-aus-luft-und-strom.php