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
[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 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:
Weiterhin muss dasWassergas-Gleichgewichtberücksichtigt werden:
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
[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 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):
Beim Einsatz von hochsiedenden Ölfraktionen (flashed visbroken residue,sieheCracken) wird die partielle Oxidation durchgeführt, welche ohneKatalysatorauskommt (Reaktion am Beispiel Pentan):
Synthesegas aus gasförmigen Edukten
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]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
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Das Erdgas wird hierbei mit Wasserdampf nach demDampfreformierungs-Verfahren (englisch Steam Reforming) umgesetzt:
Lindeist mit 4.000 gebauten Anlagen einer der größten Hersteller und bezeichnet diese als HyCO-plant, wie auch SynGas als HyCO (Hydrogen-CO).[1]
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[2](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.[3]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.[4]
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).[5]
Partielle Oxidation
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Neben dem Dampfreformierungs- bzw. Steam-Reforming-Verfahren kann man Erdgas auch durchpartielle Oxidation(POX) zu Synthesegas umsetzen:
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):
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
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]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.[6]
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]![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/5a/Syngas_Products.svg/400px-Syngas_Products.svg.png)
Am häufigsten werden Synthesegase verwendet:
- in derMethanolsynthese
- in derAmmoniaksynthesenach demHaber-Bosch-Verfahren
- in derOxosynthese
- sowie
- in derFischer-Tropsch-Synthese
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
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]- 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
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Einzelnachweise
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]- ↑HYCO Registernummer 896361.DPMA,abgerufen am 28. Oktober 2022.
- ↑dieBrennstoffzelle.de – Kvaerner-Verfahren.Abgerufen am 21. November 2019.
- ↑PatentEP2794467B1:Verfahren und Anlage zur Erzeugung von Synthesegas.Angemeldet am20. Dezember 2012,veröffentlicht am23. November 2016,Anmelder: CCP Technology GmbH, Erfinder: Olaf Kühl.
- ↑PatentEP2794466B1:Verfahren und Anlage zur Umwandlung von Kohlendioxid in Kohlenmonoxid.Angemeldet am20. Dezember 2012,veröffentlicht am26. August 2015,Anmelder: CCP Technology GmbH, Erfinder: Olaf Kühl.
- ↑PatentEP3160899B1:Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von H2-reichem Synthesegas.Angemeldet am13. Mai 2015,veröffentlicht am12. Dezember 2018,Anmelder: CCP Technology GmbH, Erfinder: Olaf Kühl.
- ↑Presseinformation: Kohlendioxidneutrale Kraftstoffe aus Luft und Strom.Karlsruhe Institut für Technologie, 19. August 2019,abgerufen am 28. Oktober 2022(deutsch).