Synthesegas

Synthesegas oder Syngas ist ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, das durch Überleiten von Dampf und Luft (oder Sauerstoff) über heißes Kohle-, Koks- oder Biomassematerial entsteht. Die Hauptreaktion, die sogenannte Wassergasreaktion, findet statt, wenn Dampf bei über 700°C auf Kohlenstoff trifft und CO sowie H₂ erzeugt. Eine sekundäre Shift-Reaktion passt anschließend das H₂/CO-Verhältnis je nach Verwendungszweck an. Das Ergebnis ist ein brennbares Gas, das sowohl als Brennstoff als auch als chemischer Rohstoff für Düngemittel, Methanol, Diesel und andere Produkte dient.

Die Zusammensetzung und Ausbeute hängen stark vom Rohstoff und den Prozessbedingungen ab. Kohle-Synthesegas enthält typischerweise 40 bis 50 Prozent CO, 30 bis 40 Prozent H₂, der Rest besteht aus CO₂, N₂ und Wasserdampf. Wenn Luft statt reiner Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet wird, reduziert die Stickstoffverdünnung den Energiegehalt deutlich. Biomasse-Vergasung und Erdgas-Reformierung erzeugen Synthesegas mit unterschiedlichen CO/H₂-Verhältnissen; das Fischer-Tropsch-Verfahren benötigt beispielsweise ein Verhältnis nahe 2:1, während Methanol-Synthese optimal um 2 bis 2,05 arbeitet.

Erzeugung und Ausrüstung

Industrielles Synthesegas wird in Festbett-, Wirbelschicht- oder Strom-Vergasern hergestellt. Die Kohle-Körnungen reichen je nach Reaktortyp von feinem Pulver bis zu Stücken. Temperatur, Druck, Dampf/Luft-Verhältnis und Verweilzeit beeinflussen alle die Zusammensetzung des Produktgases und den Teergehalt. Teer-Verschmutzung ist ein hartnäckiges Problem, ebenso wie Alkalimetall-Verbindungen, die nachgelagerte Katalysatoren verstopfen. Rohsyngas muss gekühlt, gewaschen und oft einer Shift-Konvertierung unterzogen werden, um die Reinheit und Zusammensetzung für chemische Synthese zu erreichen.

Der Begriff "Kohlegas" bezog sich historisch auf Synthesegas, das in Stadtgas-Anlagen hergestellt wurde und Städte vor der Elektrifizierung mit Wärme und Licht versorgte; diese Anlagen sind in Industrieländern weitgehend obsolet. Moderne Synthesegas-Produktion ist kapitalintensiv und wirtschaftlich hauptsächlich in Regionen mit billiger Kohle oder Biomasse rentabel, oder wenn die Integration in eine größere Chemiefabrik die Infrastruktur rechtfertigt. Sasol-Anlagen in Südafrika und mehrere chinesische Kohle-zu-Chemikalien-Anlagen betreiben große Vergasungsaggregate zur Synthesegas-Erzeugung für nachgelagerte Umwandlung.

Synthesegas ist gefährlich im Umgang: CO ist farblos, geruchlos und bereits bei geringen Konzentrationen tödlich, und das Gemisch ist in einem breiten Brenn/Luft-Bereich explosiv. Ein sicherer Betrieb erfordert robuste Sensorik, Inertgas-Spülung bei Abfahrten und strikte Isolationsverfahren. Die Ausrichtung auf erneuerbaren Wasserstoff und zirkuläre Kohlenstoffquellen treibt das erneuerte Interesse an Biomasse-Vergasung und an Synthesegas aus Kunststoffabfällen voran, obwohl erhebliche wirtschaftliche und technische Hürden bestehen bleiben.