Synthesegas

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

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 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:

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

Weiterhin muss das Wassergas-Gleichgewicht berücksichtigt 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 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

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):

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

Beim Einsatz von hochsiedenden Ölfraktionen (flashed visbroken residue, siehe Cracken) wird die partielle Oxidation durchgeführt, welche ohne Katalysator auskommt (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 ist Erdgas. 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 dem Dampfreformierungs-Verfahren (englisch Steam Reforming) umgesetzt:

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

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 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. 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 H₂ besteht.

Das Verhältnis von CO zu H₂ kann 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 durch partielle 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 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):

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

Nach Abtrennung von 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

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 das Heizen der Katalysatoren, den Betrieb des Aminwäschers und der Elektrolyse des Wassers bei der Wasserstoffgewinnung wird Strom benötigt. Bei diesem Prozess erfolgt der Energieumsatz mit einem Wirkungsgrad bis 80 Prozent. Das entstehende Gas ist auch die Vorstufe zur Herstellung von E-Fuel (Power-to-Liquid), welcher nachfolgend per Fischer-Tropsch-Verfahren und Hydrocracken erzeugt 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:

in der Methanolsynthese
- $\mathrm {CO+2\ H_{2}\longrightarrow CH_{3}OH} ,$
in der Ammoniaksynthese nach dem Haber-Bosch-Verfahren
- $\mathrm {N_{2}+3\ H_{2}\longrightarrow 2\ NH_{3}} ,$
in der Oxosynthese
- $\mathrm {R{-}CH{=}CH_{2}+CO+H_{2}\longrightarrow R{-}CH_{2}CH_{2}CH{=}O} ,$ sowie
in der Fischer-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 eine Fermentation biotechnologisch genutzt werden. Produkte dieser Option können bsp. Alkohole wie Ethanol, Butanol und 1,2-Propandiol, Aceton sowie organische Säuren sein.

Literatur

Klaus Weissermel, Hans-Jürgen Arpe: Industrielle Organische Chemie. 6. Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2007, ISBN 978-3-527-31540-6.

Basierend auf einem Artikel in:

Wikipedia.de