Themenbereich: Compressor Technology 

Synfuels und Synthetic Materials

Im Zuge der Energiewende zur Klimaneutralität dreht sich die Diskussion meist um die folgenden Gase: Erdgas (CH4 Methan), Kohlendioxid (CO2) und Wasserstoff (H2).  

Methan ist der einfachste Kohlenwasserstoff und kommt in großen Mengen als Hauptbestandteil des Erdgases vor. CO2 ist das gasförmige Hauptprodukt eines jeden Verbrennungsprozesses. Wasserstoff als Energieträger in der reinsten Form wurde bereits in vorhergehenden Blogs vorgestellt.  

In den Diskussionen zur praktischen Umsetzung der Energiewende über alternative Energiequellen, -träger und -speicher wird deutlich, dass mindestens für eine Übergangsphase von etwa 20 Jahren flüssige Treibstoffe benötigt werden. Mit ihrer hohen volumetrischen Energiedichte werden sie insbesondere für energieintensive Anwendungen im Mobilitätssektor benötigt. Hierzu zählen Schwerlastverkehr (LKW), Schifffahrt und, auch wegen der Zulassungs- und Zertifizierungsproblematik, der Luftverkehr. 

»Die NEA GROUP hat zahlreiche Kompressoren für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe, von Methanol und Coal-to-Liquids, über die Methanisierung von H2 mit aus Biogas abgetrenntem CO2 bis hin zur Biomass-to-Liquids-Produktion geliefert.«

Jens Wulff, Geschäftsführer Operations NEUMAN & ESSER GROUP

Das Thema dieses Beitrags sind die Möglichkeiten aus den drei genannten Gasen synthetische Kraftstoffe und Materialien herzustellen, die normalerweise fossil aus Erdöl und der Petrochemie gewonnen werden. Ein späterer Blog wird sich mit dem Thema der erneuerbaren Herstellung von Ammoniak als Energieträger und Dünger beschäftigen.  Abhänging von den Ausgangsstoffen und Produkten werden diese Prozesse üblicherweise Power-to-Liquids, Power-to-Plastics, Gas-to-Liquids or Power-to-Gas genannt. 

Im Kern dieser Syntheseprozesse befindet sich ein Reaktor. Die zur Verfügung stehenden Grundstoffe und die gewünschten Produkte bestimmen das Mischungsverhältnis, den Druck, die Temperatur und, als wichtigstes Element, den passenden Katalysator.  Katalysatoren sind Materialien, welche die nötige Aktivierungsenergie zum Ablauf von chemischen Reaktionen herabsetzen und oftmals überhaupt erst ermöglichen. Feststoffkatalysatoren werden bevorzugt, da sie das Produkt weniger verschmutzen und haltbarer sind. Sie kommen oftmals aus der Gruppe der Metalle, z.B. Kupfer-Zionkoxid-Aluminiumoxid für die Metanolherstellung oder Kobalt, Ruthenium und Eisen für den Fischer-Tropsch Prozess.  

Letzterer erreichte seine industrielle Reife in den 1920er Jahren, wobei Mülheim im steinkohlereichen Ruhrgebiet und der Gründer der heute zur NEA GROUP gehörenden “Andreas Hofer Hochdrucktechnik” eine wichtige Rolle spielten. Die ursprüngliche Hauptmotivation hinter der Entwicklung dieses Syntheseprozesses war die Erzielung der Unabhängigkeit von Ölimporten für Länder mit großen Kohlevorkommen. Jetzt bietet der Prozess eine hervorragende Basis für die Herstellung von lang- und kurzkettigen Kohlenwasserstoffen aus erneuerbaren, also nicht-fossilen, Quellen. Das Reaktionsedukt, das sogenannte Syngas / Synthesegas, besteht vornehmlich aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid mit einem Mischverhältnis von etwa 2:1. Die mehrstufigen Reaktionsabläufe hin zur Bildung von Kohlenwasserstoffen sind exotherm. Wegen der Temperaturempfindlichkeit des Prozesses spielt Kühlung somit eine wichtige Rolle zur effizienten Erzielung der gewünschten Produktausbeute. Typische Produkte können hochreine Kraftstoffe wie Benzin, Kerosin, Diesel und feste Wachse und Paraffine sein. Dies ermöglicht die Herstellung von maßgeschneiderten Kraftstoffen, welche wegen ihrer Reinheit emissionsarm sind und durch Additive noch weiter im Verbrennungsverhalten optimiert werden können. So lassen sich hierdurch beispielsweise Rußzahlen und Stickoxidbildung stark reduzieren. Zur Herstellung von Kunststoffen können die gewonnen Kohlenhydrate polymerisiert oder mit anderen Elementen kombiniert werden. 

Um CO2-Neutralität oder sogar eine negative CO2 Gesamtbilanz durch CO2 Speicherung zu erzielen, ist es wichtig, dass die Grundstoffe und die eingesetzte Energie aus erneuerbaren Quellen kommen. Grüner Wasserstoff kann mit z.B. aus Abgas abgeschiedenem CO2 kombiniert werden. Biomasse stellt eine besonders attraktive Basis dar.  In einer Biogas- oder Biomethananlage wird im Fermenter zunächst das Rohbiogas, eine Mischung aus hauptsächlich CH4 und CO2 idealerweise aus Abfallstoffen erzeugt.  Neben der ursprünglichen Nutzung des Gases zur Stom- und Wärmeproduktion in Blockheizkraftwerken (BHKW) oder, nach einer Gaswäsche mit CO2 Abscheidung, Einspeisung in das Erdgasnetz als Biomethan kann das Biogas auch zur Syngasherstellung mittels Dampfreformer (CH4 + H2O (Dampf) => 3H2 + CO) oder in der  CO-Electrolyse (CO2 + H2O mit Festoxidelektrolyse zur Bildung von CO+H2) genutzt werden. Beide Aufbereitungsschritte benötigen Energie, welche aus der abgeführten Wärme aus dem Fischer -Tropsch Reaktor oder dem BHKW (Strom und Wärme) genommen werden kann. Dieser Kreislaufansatz erhöht die Effizienz des Prozesses und verstärkt die Entkarbonisierungseffekt dieser Anwendung. 

Alle oben genannten Reformierungs- und Reaktorprozesse erfordern Druck, meist im Bereich von 10 bis 100 bar. Da die Ströme sehr volatil sein können und für eine optimierte Prozessqualität schnell eingestellt werden müssen, sind Kolbenkompressoren für diese Anwendungen ideal geeignet.

Die NEA GROUP hat zahlreiche Kompressoren für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe, von Methanol und Coal-to-Liquids, über die Methanisierung von H2 mit aus Biogas abgetrenntem CO2 bis hin zur Biomass-to-Liquids-Produktion geliefert. Alle Gase in diesem Prozess, seien es CO-reiche Mischgase, CO2, Dampf oder natürlich H2, können mit dem Kompressorportfolio der NEA GROUP zuverlässig verdichtet werden.

Sehen Sie sich auch den nächsten Blogbeitrag am 23. Oktober an.
Dann werden Sie mehr zur Compressor Technology erfahren.