Biomassebasierte Synthesegaschemie

 

Einführung

 

Synthesegas (Syngas - ein Gemisch aus CO und H₂) kann aus Erdgas, Kohle und Erdöl gewonnen werden. Es findet Verwendung zur Herstellung wichtiger Chemikalien (Wasserstoff, Ammoniak, Methanol, Aldehyde und andere mehr) und für synthetische Kraftstoffe.

Der steigende Bedarf an diesen Basischemikalien und vor allem an Kraftstoffen macht nachwachsende Rohstoffe als potenzielle Quelle für Syngas interessant. Ein Beispiel ist der im FZK entwickelte Bioliq-Prozess, der zu Kraftstoffen der 2. Generation und damit zu einer ganzheitlichen Nutzung von Pflanzen führt.

Aktuelle F&E-Arbeiten des Arbeitskreises zielen auf die chemische Nutzung von biomassestämmigen Syngas, das aus nachwachsenden Roh- und Reststoffen erzeugt wurde. Dabei verfolgen wir unterschiedliche Wege, die in folgendem Schema aufgeführt sind. Die Ziele sind hierbei Entwicklung, Charakterisierung und Erprobung heterogener Katalysatoren zur selektiven Syngaskonversion. Weiterhin werden die angeführten Prozesse selbst in Labor- und kleintechnischen Anlagen optimiert.

 

 

 

Dimethylether-Direktsynthese

 

Dimethylether (DME) kann selbst als Kraftstoff oder als Zwischenprodukt zur Erzeugung von gesättigten und ungesättigten Kohlenwasserstoffen fungieren. Aktuelle Forschungen zielen auf die direkte Synthese von DME aus Syngas mit bifunktionellen heterogenen Katalysatoren. Die DME-Bildung kann mit oder ohne gekoppelte Wassergas-Shift-Reaktion erfolgen. Da biomassestämmiges Syngas CO-reicher ist, wird letzterer Prozess favorisiert.

 

Katalysatoren der 1. Generation enthalten ein Gemisch aus geträgertem Cu/ZnO zur MeOH-Bildung und gamma-Al₂O₃ zur Dehydratisierung.

 

 

Die DME-Synthese als kontinuierliches Verfahren wird in Festbett- und Slurry-Reaktoren untersucht.

 

DME zu Kohlenwasserstoffen

 

DME kann, wie auch Methanol, zu Kohlenwasserstoffen katalytisch dehydratisiert werden. Von Interesse sind einmal gesättigte Kohlenwasserstoffe als Benzin- oder Dieselfraktionen und zum anderen Aromaten oder kurzkettige Olefine. Auf Grund des weltweiten Mangels an Propylen ist eine selektive katalytische Umwandlung zu Propylen wünschenswert. Dazu werden ausgewählte Katalysatoren (dotierte SAPO, Zeolite) hergestellt, charakterisiert und in diesem Prozess getestet.

 

Ethanol und höhere Alkohole

 

Ethanol, höhere Alkohole und deren tert.-Butylether sind heutzutage Additive für Kraftstoffe. Deren Beimischung garantiert neben der höheren Klopffestigkeit des Benzins einen Anteil (5-12%) nachwachsender Rohstoffe in Kraftstoffen, der in immer mehr Ländern gesetzlich vorgeschrieben wird.

Leider wird Ethanol der ersten Generation bis heute nach uralten Rezepturen der Vergärung von Zuckern aus bestimmten Pflanzenteilen (Zuckerrohr, Zuckerrübe, Getreide) gewonnen. Es wäre überaus wünschenswert die gesamten Pflanzen für die Ethanolproduktion zu nutzen. Zu diesem Zweck werden Pflanzen oder auch Restpflanzen zur Synthesegaserzeugung komplett herangezogen. Bei der Erzeugung des Ethanols der 2. Generation soll nunmehr das Synthesegas direkt in Ethanol bzw. höhere Alkohole umgewandelt werden.

 

 

Wichtig ist wiederum die Entwicklung selektiver Katalysatoren bzw. Katalysatorsysteme für diesen Prozess und deren Optimierung. Ein großer Vorteil des Prozesses ist ebenfalls die Nutzung CO-reichen Syngases wie es bei der Gaserzeugung aus nachwachsenden Rohstoffen (Bioliq-Prozess) anfällt.

 

Versuchsanlagen für Synthesen mit Syngas

 

Laboranlagen mit Kapazitäten bis zu 0.5 kg h^-1 Produkt

 

 

Mobile Anlage (PDU) mit Kapazität bis zu 5 kg h^-1 DME, bzw. Methanol.