Dr.-Ing. Dominik Unruh
Fischer-Tropsch Synthese mit Synthesegasen aus Biomasse – Verbesserung der Kohlenstoffnutzung durch Anwendung eines Membranreaktors

Zur Zeit gibt es in Europa Bestrebungen den Anteil biogener Kraftstoffe zu erhöhen. Gründe hierfür sind u.a. die Verminderung des fossilen CO2-Ausstoßes und die geringere Abhängigkeit vom Rohstoff Erdöl. Dabei könnte die Fischer-Tropsch Synthese (FT-Synthese), mit Biomasse als Einsatzstoff, zur Produktion von Kohlenwasserstoffkraftstoffen aus Synthesegas in Zukunft an Bedeutung gewinnen. Heute dienen als Einsatzstoffe zur Synthesegaserzeugung Kohle und Erdgas. Es kommen jedoch sämtliche kohlenstoffhaltigen Rohstoffe als Einsatzstoffe in Frage. Die Zusammensetzung des Synthesegases unterscheidet sich dabei erheblich und erfordert mehr oder weniger großen verfahrenstechnischen Aufwand bei der Umwandlung in flüssige Kohlenwasserstoffe. Das Produkt der FT-Synthese enthält je nach Betriebsbedingungen und Katalysator (heute Eisenund Kobaltkatalysatoren) vor allem geradkettige Kohlenwasserstoffe mit C-Zahlen von 1 bis > 100 mit unterschiedlichen Anteilen von Alkenen und verzweigten Kohlenwasserstoffen sowie geringeren Anteilen von Alkoholen, Alkanalen und Säuren. An Eisenkatalysatoren läuft neben der FTReaktion auch die CO/CO2-Konvertierungsreaktion ab. Im Zusammenhang der sinkenden Reichweite von Erdöl, der Belastung der Umwelt und des Klimas sowie der politischen Abhängigkeiten aufgrund der ungleichen geographischen Verteilung von Erdöl werden alternative Rohstoffe für die Erzeugung von synthetischen Kohlenwasserstoffkraftstoffen erforscht. Erdgas mit der Hauptkomponente Methan, ist ein günstiger Einsatzstoff für die Fischer-Tropsch Synthese, da die Verfahrenstechnik des fluiden Einsatzstoffes relativ einfacher ist und das hohe H/C-Verhältnis eine hohe Kohlenstoffnutzung ermöglicht. Konkurrierend zur chemischen Verflüssigung über die Synthese ist die physikalische Verflüssigung zu „Liquified Natural Gas“ (LNG). Kohle könnte wegen der hohen Verfügbarkeit zukünftig an Einfluss gewinnen. Gerade in China scheint derzeit ein erhebliches Interesse an der Einführung von kohlestämmigem Kraftstoff zu bestehen. Ein wesentlicher Nachteil ist hier das niedrige H/C-Verhältnis (H/C << 2), was zum Ausschleusen eines erheblichen Teils von Kohlenstoff in Form von CO2 und damit zu niedrigen Kohlenwasserstoffausbeuten führt. Biomasse als nachwachsender Rohstoff ermöglicht die Erzeugung von Kraftstoffen aus einer nicht fossilen Quelle. Da die Zusammensetzung von Biomasse ungefähr der Formel C1H1,6O0,7 entspricht, muss auch hier zur Einstellung des H/C-Verhältnisses H/C ≥ 2 für die Synthese CO2 ausgeschleust werden. Die erzielbaren Kohlenwasserstoffausbeuten sind dabei etwa auf dem Niveau von Kohle (Schaub, Unruh & Rohde 2003). Vor dem Hintergrund des ansteigenden CO2-Gehalts in der Atmosphäre werden nachwachsende Rohstoffe derzeit intensiv erforscht. Unterstützt wird dies durch das von der EU in der sogenannten Bio-Direktive (EU 2003) gesetzte Ziel, den Anteil biogener Kraftstoffe bis zum Jahr 2010 auf 5,75 % zu steigern. Mögliche Wege sind hier die Vergärung von z.B. Getreide oder Rüben zu Ethanol, die Umesterung von pflanzlichen Ölen zu Fettsäuremethylester sowie Syntheseverfahren, wie die Fischer-Tropsch Synthese, zur Produktion flüssiger Kohlenwasserstoffe. Zielsetzung Ziel der vorliegenden Arbeit war es, für die Fischer-Tropsch Synthese Grundlagen für die Integration einer Membran zur selektiven Entfernung von H2O zu ermitteln. Schwerpunkt hierbei war die verbesserte Kohlenstoffnutzung bei Einsatz eines biomassestämmigen (CO2-reichen) Synthesegases. Die experimentelle Demonstration und rechnerischen Untersuchungen sollten einer Membranintegration darstellen und helfen, die Haupteinflussgrößen zu identifizieren.

Preisgeld: 2.000 € für Dr.-Ing. Dominik Unruh – Doktorarbeit