Kluthe Magazin
« Wir erklären das Gas-to-Liquids-Verfahren »
Die Buchstaben GTL sind die Abkürzung für die englische Wortgruppe „gas to liquids“. Dahinter verbergen sich chemische Verfahren, bei denen Reaktionen in Gasgemischen zur Bildung von Flüssigkeiten führen. GTL-Öle und Synfuel sind Kraft- oder Kühlschmierstoffe, die auf diesem Weg aus Erdgas gewonnen werden. Lesen Sie, wie das Gas-to-Liquids-Verfahren abläuft, warum es zunehmend an Bedeutung gewinnt und wie sich diese Produkte von Öl und Kraftstoff aus Erdöl unterscheiden.
Das Gas-to-Liquids-Verfahren
Erdgas besteht zum überwiegenden Teil aus Methan (CH4). Die Hauptbestandteile von Kraftstoffen und Schmierstoffen sind aus den gleichen chemischen Elementen zusammengesetzt. Im Gas-to-Liquids-Prozess werden Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H) mit dem Ziel, Öle und Kraftstoffe zu gewinnen, neu miteinander kombiniert. Der Prozess besteht aus den Teilschritten
- Erdgasreinigung
- Herstellung von Synthesegas
- Umwandlung des Synthesegases in Kohlenwasserstoffe
- Weiterverarbeitung der Kohlenwasserstoffe zu Ölen und Kraftstoffen
Erdgasreinigung
Erdgas enthält je nach Vorkommen unterschiedlich viele Beimengungen wie zum Beispiel Wasserdampf (H2O), organischen Verbindungen (CnH2n+2), Schwefeldioxid (SO2), Kohlendioxid (CO2), Stickstoff (N2), und Helium (He). Diese Stoffe werden mit speziellen Verfahren schrittweise vom Methan (CH4) getrennt.
Herstellung von Synthesegas
Synthesegas ist eine Mischung aus Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO). Erste Verfahren zur Herstellung von Synthesegas wurden in den 1920er-Jahren des vorigen Jahrhunderts entwickelt, um Wasserstoff für die Ammoniaksynthese aus Kohle und Wasserdampf zu gewinnen. Bei der Verarbeitung von Methan zu Synthesegas kommen zwei Methoden zur Anwendung: die partielle Oxidation und die Dampfreformierung.
Bei der partiellen Oxidation wird das Methan teilweise verbrannt. Das erfolgt bei Temperaturen von über 1200 °C mit reinem Sauerstoff. Wird die Reaktion durch einen Katalysator unterstützt, läuft sie bei 800 °C bis 900 °C ab. Katalysatoren sind chemische Stoffe, die eine Reaktion beeinflussen, selbst aber nicht verbraucht werden. Sie ermöglichen chemische Reaktionen, die sonst nur sehr langsam oder gar nicht ablaufen würden.
Die Dampfreformierung erfolgt mit heißem Wasserdampf, der dem Methan zugemischt wird. Unter ständiger Wärmzufuhr und unter Anwesenheit eines Katalysators wird das Methan bei Temperaturen von über 900 °C zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff umgesetzt. Werden dem Methan gleichzeitig Heißdampf und Sauerstoff zugemischt, laufen Dampfreformierung und partielle Oxidation nebeneinander ab. Dann kann die bei der Verbrennung freigesetzte Wärme direkt für die Reaktion des Wasserdampfes genutzt werden.
Umwandlung des Synthesegases in Kohlenwasserstoffe
Welche neuen chemischen Verbindungen die Bestandteile des Synthesegases eingehen, hängt von der Temperatur, dem Druck und den Katalysatoren bei der Weiterverarbeitung ab. Um dem Ziel „Gas-to-Liquids“ näherzukommen, wird das Fischer-Tropsch-Verfahren angewendet. Es ist nach Franz Fischer und Hans Tropsch benannt, die es 1921 entwickelt haben. Ziel war die Gewinnung von Treibstoffen aus Kohle. Die entscheidende Leistung lag dabei in der Entwicklung geeigneter Katalysatoren. Als Katalysatoren werden unter anderem Kobalt, Eisen, Nickel und Ruthenium eingesetzt. Die Metalle werden an poröse Trägersubstanzen (z.B. Silizium-, Aluminium, Titanoxide) angelagert, die eine große spezifische Oberfläche haben. Dadurch wird eine optimale Kontaktfläche zwischen Synthesegas und Katalysator geschaffen.
Bei normalem atmosphärischem Druck und Temperaturen zwischen 160 °C und 200 °C wandelt sich das Synthesegas mit Hilfe eines Katalysators in langkettige Kohlenwasserstoffe um. Dabei entstehen Paraffine, Olefine und ähnliche Stoffe, die auch in Erdöl enthalten sind. Bei den Reaktionen werden große Mengen an Wärme frei, die aufwändig abgeführt werden muss.
Weiterverarbeitung der Kohlenwasserstoffe zu Öl und Kraftstoff
Die langkettigen Kohlenwasserstoffe werden in kürzere Moleküle aufgespalten. Das geschieht mit den gleichen Prozessen, die bei der Erdölverarbeitung angewendet werden und als Cracken bezeichnet werden. Bei Temperaturen bis 900 °C und Drücken bis 200 bar brechen die langen Ketten auseinander. Es entstehen Reaktionsprodukte mit unterschiedlichen Siedetemperaturen. Durch fraktionierte Destillation werden sie voneinander getrennt.
Als Endprodukte entstehen beim Gas-to-Liquids-Prozess GTL-Öl, Synfuel-Kraftstoff, GTL-Diesel und verschiedene Rohstoffe für die chemische Industrie.
In der Bergakademie Freiberg und im Chemieanlagenbau Chemnitz wurden Alternativen gesucht und das STF Verfahren zur Herstellung von Benzin aus Synthesegas entwickelt, bei dem Methanol gewonnen und zu Benzin weiterverarbeitet wird. STF leitet sich von „syngas to fuel“ ab.
Eigenschaften von Gas-to-Liquids-Öl, -Diesel und Synfuel
Der entscheidende Vorteil von GTL-Öl und -Kraftstoff liegt darin, dass diese Stoffe frei von Schwefel, Stickstoffverbindungen und aromatischen Kohlenwasserstoffen sind. Bei der Verbrennung entstehen deshalb kaum Ruß, Schwefel- und Stickoxide. Ruß ist freier Kohlenstoff, der Brenner und Ventile verschmutzt und als Feinstaub in die Atmosphäre gelangt. Aromatische Kohlenwasserstoffe sind ringförmige organische Verbindungen mit Doppelbindungen. Basis für diese Stoffe ist Benzol (C6H6). Daran können unterschiedliche Atomgruppen angelagert sein. Sind diese Verbindungen im Öl nicht enthalten, verringert sich sein Dampfdruck. Es entstehen weniger Verluste durch Ölnebel und Öldämpfe. Dadurch bleibt die Umgebungsluft sauberer. Außerdem steigt der Flammpunkt und die Brandgefahr nimmt ab.
GTL-Öl, das in der Industrie als Schmierstoff oder Kühlschmierstoff verwendet wird, ist im Gegensatz zu Mineralölen aus Erdöl hautfreundlich. Das erweist sich bei nichtwassermischbaren Kühlschmierstoffen, mit denen Arbeitskräfte häufig in Berührung kommen, als vorteilhaft. Mit dem Gas-to-Liquids-Verfahren hergestellter Dieselkraftstoff zeichnet sich durch eine hohe Cetanzahl aus. Dieser Wert ist ein Maß für die Zündwilligkeit. Die störungsfreie Funktion des Dieselmotors erfordert, dass sich in den Zylinder eingespritzter Diesel zum richtigen Zeitpunkt entzündet. Eine Verzögerung hat eine explosionsartige Umsetzung zur Folge, die als Nageln bezeichnet wird. Um gleichwertigen Diesel-Kraftstoff aus Erdöl zu gewinnen, sind Zusätze erforderlich, die zum Teil giftig sind. Der Nachteil von Ölen und Treibstoffen aus Erdgas ist der höhere Preis, der durch verringerte Instandhaltungskosten und niedrigere Verluste nicht ausgeglichen wird.
Aussichten für die Gas-to-Liquids Technologie
Die Verarbeitung von Erdgas zu Treib- und Schmierstoffen und zu Heizöl ist aufwändiger, als die Herstellung auf der Basis von Erdöl. Bis zur Ölpreiskrise in den 1970ger Jahren bestand kein wirtschaftliches Interesse an der Erzeugung und Nutzung von Synthesegas. Danach nahm man die Idee wieder auf und beschäftigte sich mit diesem Thema. Die begrenzten Reserven an Erdöl sind ein Grund, sparsamer damit umzugehen.
Die Erdöllagerstätten enthalten große Erdgasmengen, die bei der Förderung einfach in Fackeln verbrannt werden, weil der Transport zu teuer ist. Für die Speicherung von Gas sind Druckbehälter erforderlich. Die Leitung durch Pipelines erfolgt über zahlreiche Verdichterstationen. Wenn dieses Gas vor Ort zu Ölen und Kraftstoffen verarbeitet würde, wäre eine wirtschaftliche Nutzung möglich. Der Betrieb von Pumpenanlagen ist deutlich günstiger als der von Verdichterstationen.
Wachsende Bemühungen für den Umwelt- und Klimaschutz und immer schärfere gesetzliche Auflagen wirken sich langfristig dahingehend aus, dass die Nachfrage nach GTL-Öl und synthetischem Kraftstoff steigen wird.
