Synthesegas

AlsSynthesegasbezeichnet man im weitesten Sinne einGasgemisch,das zu einerSyntheseeingesetzt wird, so z. B. auch das Gemisch ausStickstoffundWasserstofffür dieAmmoniaksynthese.Im engeren Sinn versteht man unter Synthesegas industriell hergestellte Gasgemische, die hauptsächlichKohlenstoffmonoxidund Wasserstoff neben wechselnden Mengen weiterer Gase enthalten.

Je nach Herstellungsverfahren oder Verwendungszweck sind auch einige andere Begriffe für Synthesegas in Gebrauch, einige Beispiele dafür:

• Wassergasist ein Synthesegas, das aus Wasser und Kohle gewonnen wird und z. B.Stadtgasbeigemischt wurde, um dessen Brennwert zu erhöhen,
• beiSpaltgasdientMethanals Quelle,
• Methanol-Synthesegasist ein Synthesegas für dieMethanolherstellung,
• undOxogasfindet in derHydroformylierungbzw. Oxosynthese Verwendung, die unter anderem zur Herstellung von Lösungsmitteln sowie Zwischenprodukten für die Herstellung von Wasch- und Reinigungsmitteln, Schmiermitteln oder auch Weichmachern für Kunststoffe dient.

Herstellung

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

Synthesegas aus festen Edukten

Bei der Herstellung von Synthesegas aus festen Edukten ist vor allem dieKohlevergasungzu nennen.Kohle– C(s) wird hierbei in einer Mischung auspartieller (teilweiser/unvollständiger) Oxidationmit 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 dasBoudouard-Gleichgewichtsteht CO(g) noch mit C(s) und Kohlendioxid – CO₂(g) imGleichgewicht:

${\begin{alignedat}{2}\mathrm {2\;C+O_{2}} &\longrightarrow \mathrm {2\;CO},&\quad &\mathrm {\Delta } H=-221\;\mathrm {kJ/mol} \\\mathrm {C+H_{2}O} &\longrightarrow \mathrm {CO+H_{2}},&&\mathrm {\Delta } H=+131{,}3\;\mathrm {kJ/mol} \\\mathrm {C+CO_{2}} &\rightleftharpoons \mathrm {2\;CO},&&\mathrm {\Delta } H=+172{,}4\;\mathrm {kJ/mol}.\end{alignedat}}$

Weiterhin muss dasWassergas-Gleichgewichtberücksichtigt werden:

$\mathrm {CO+H_{2}O\rightleftharpoons CO_{2}+H_{2}},\quad \mathrm {\Delta } H=-41{,}2\;\mathrm {kJ/mol}.$

Die Umsetzung mit Sauerstoff liefert dabei durch dieexothermeReaktion die notwendige Energie zur Erzielung der hohen Reaktionstemperatur für dieendothermeVergasungsreaktion von Kohle mit Wasserdampf.

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

Da inKohleneben 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 undH₂Sentfernt 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

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

$\mathrm {C_{5}H_{12}+5\;H_{2}O\longrightarrow 5\;CO+11\;H_{2}},\quad \mathrm {\Delta } H=+802{,}9\;\mathrm {kJ/mol}.$

Beim Einsatz von hochsiedenden Ölfraktionen (flashed visbroken residue,sieheCracken) wird die partielle Oxidation durchgeführt, welche ohneKatalysatorauskommt (Reaktion am Beispiel Pentan):

$\mathrm {2\;C_{5}H_{12}+5\;O_{2}\longrightarrow 10\;CO+12\;H_{2}},\quad \mathrm {\Delta } H=-406{,}3\;\mathrm {kJ/mol}.$

Synthesegas aus gasförmigen Edukten

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

Dampfreformierung

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

$\mathrm {CH_{4}+H_{2}O\longrightarrow CO+3\;H_{2}},\quad \mathrm {\Delta } H=+206{,}2\;\mathrm {kJ/mol}.$

Lindeist mit 4.000 gebauten Anlagen einer der größten Hersteller und bezeichnet diese als HyCO-plant, wie auch SynGas als HyCO (Hydrogen-CO).

Plasma-Konverter

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(Reaktion: CH₄+ Energie → C + 2 H₂). Im zweiten Schritt wird CO₂zu der Mischung aus Kohlenstoff und Wasserstoff gegeben. Der Kohlenstoff und das CO₂reagieren bei hoher Temperatur zu Kohlenmonoxid (Reaktion: C + CO₂→ 2 CO). Alternativ kann Wasser anstelle von CO₂verwendet werden, um eine höhere Wasserstoffkonzentration im Synthesegas zu erhalten.In diesem Fall ist die zweite Reaktion: C + H₂O → CO + H₂.Zusammen mit dem Wasserstoff aus dem ersten Schritt erhält man in beiden Alternativen ein hochreines Synthesegas, welches nur aus CO und H₂besteht.

Das Verhältnis von CO zu H₂kann jeweils variiert werden. Wenn das Synthesegas an einen nachfolgenden Syntheseprozess (z. B. Fischer-Tropsch-, DME-, Benzin- und Alkohol-Synthese) angepasst ist, ergibt sich ein PGtL-Verfahren (PGtL – Power-and-Gas-to-Liquid).

Partielle Oxidation

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

$\mathrm {2\;CH_{4}+O_{2}\longrightarrow 2\;CO+4\;H_{2}},\quad \mathrm {\Delta } H=-35{,}7\;\mathrm {kJ/mol}.$

Synthesegas für dieAmmoniak-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 CO₂und weiterem Wasserstoff konvertiert (umgesetzt):

${\begin{aligned}\mathrm {2\;CH_{4}+O_{2}\;(+\;4\;N_{2})} &\longrightarrow \mathrm {2\;CO+4\;H_{2}\;(+\;4\;N_{2})} \\\mathrm {CO+H_{2}O} &\longrightarrow \mathrm {CO_{2}+H_{2}} \\\hline \mathrm {2\;CH_{4}+O_{2}\;(+\;4\;N_{2})+2\;H_{2}O} &\longrightarrow \mathrm {2\;CO_{2}+6\;H_{2}\;(+\;4\;N_{2})}.\end{aligned}}$

Nach Abtrennung von CO₂wird dann eine Mischung aus N₂und H₂erhalten, welche anschließend noch auf das gewünschte N₂/H₂-Molverhältnis eingestellt werden muss.

Synthesegas aus Luft und Strom

→Hauptartikel:Power-to-Gas

Aus der Umgebungsluft perDirect air capture,oder konzentrierter ausRauchgas,kann Mithilfe derAminwäscheKohlenstoffdioxid (CO₂) gewonnen werden, der imSabatier-Prozesszu Methan gewandelt werden kann. Für das Heizen der Katalysatoren, den Betrieb des Aminwäschers und derElektrolysedes Wassers bei derWasserstoffgewinnungwird Strom benötigt. Bei diesem Prozess erfolgt der Energieumsatz mit einem Wirkungsgrad bis 80 Prozent. Das entstehende Gas ist auch die Vorstufe zur Herstellung vonE-Fuel(Power-to-Liquid), welcher nachfolgend perFischer-Tropsch-VerfahrenundHydrocrackenerzeugt werden kann.

Synthesegasreinigung

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

Produkte der Synthesegaschemie

Am häufigsten werden Synthesegase verwendet:

1. in derMethanolsynthese
   • $\mathrm {CO+2\ H_{2}\longrightarrow CH_{3}OH},$
2. in derAmmoniaksynthesenach demHaber-Bosch-Verfahren
   • $\mathrm {N_{2}+3\ H_{2}\longrightarrow 2\ NH_{3}},$
3. in derOxosynthese
   • $\mathrm {R{-}CH{=}CH_{2}+CO+H_{2}\longrightarrow R{-}CH_{2}CH_{2}CH{=}O},$sowie
4. in derFischer-Tropsch-Synthese
   • $n\;\mathrm {CO} +(2n+1)\;\mathrm {H} _{2}\longrightarrow \mathrm {C} _{n}\mathrm {H} _{2n+2}+n\;\mathrm {H} _{2}\mathrm {O}.$

Neben diesen chemisch-technischen Anwendungsbereichen kann Synthesegas auch über eineFermentationbiotechnologisch genutzt werden. Produkte dieser Option können bsp. Alkohole wieEthanol,Butanolund1,2-Propandiol,Acetonsowie organische Säuren sein.

Literatur

• Klaus Weissermel,Hans-Jürgen Arpe:Industrielle Organische Chemie.6. Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2007,ISBN 978-3-527-31540-6,S.15–30.
• Karl Heinz Büchel, Hans-Heinrich Moretto, Dietmar Werner:Industrial Inorganic Chemistry.2. Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2000,ISBN 978-3-527-29849-5,S.32–38.
• Anonymus:Dellwik-Fleischer’s Wassergasverfahren und seine Anwendungen.In:Polytechnisches Journal.314, 1899, S. 65–69.

Siehe auch

• Stadtgas