Kompressoren in der Herstellung von synthetischen Kraftstoffen

Während konventionelle Kraftstoffe durch Destillation und Rektifikation der Rohölbestandteile hergestellt werden, entstehen Synfuels durch Syntheseverfahren, die das Ausgangsmaterial chemisch verändern. Je nach Herkunft werden drei Typen von synthetischen Kraftstoffen unterschieden:

• „X-to-liquid“ bezeichnet allgemein Verfahren für flüssige Treibstoffe mit den Eigenschaften von Benzin, Diesel oder Kerosin. Die Rohstoffquellen sind Kohle, Gas oder Biomasse. Nutzbar in den vorhandenen Verbrennungsmotoren, können die hochreinen synthetischen Kraftstoffe über Tankstellen und die herkömmliche Infrastruktur vertrieben werden.
• „Gas-to-liquid“ steht für Verfahren zur Gewinnung flüssiger Kraftstoffe aus Erdgas. Der alternative Dieselkraftstoff verbrennt sauberer als der herkömmliche Kraftstoff auf Mineralölbasis. Er wird vor allem als Beimischung zu mineralischen Dieselkraftstoffen verwendet.
• „Biomass-to-liquid“ spezifiziert die Produktion von Flüssigkraftstoffen aus Biomasse. Ausgangsstoffe sind nachwachsende pflanzliche und zellusosereiche Rohstoffe, aber auch Rückstände, etwa aus Holz und Stroh. Zu flüssigen Treibstoffen verarbeitet, können sie in Otto- und Dieselmotoren verwendet werden.

Wird für den Syntheseprozess erneuerbare elektrische Energie eingesetzt, ist die Produktion klimaneutral. Kommt auch der Grundstoff, wie bei der Biomasse, aus nachwachsenden Quellen, weisen Synfuels sogar eine CO2-neutrale Gesamtbilanz auf.

Übergangstechnologie für den Transportsektor

Für alle energieintensiven Anwendungen im Transportsektor ist die Dekarbonisierung eine enorme Herausforderung, müssen doch der gesamte straßen- und schienengebundene Schwerlastverkehr, aber auch die Schifffahrt und die Luftfahrt auf alternative Energiequellen, -träger und -speicher umgestellt werden. Gelingt es, klimaneutrale Synfuels in großen Mengen zu produzieren, kann der Übergang abgefedert werden. Jeder Liter CO2-neutraler Kraftstoffe trägt direkt und unmittelbar zur Erreichung der gesetzlichen Klimaziele bei – mit den vorhandenen Tankstellennetzen und Infrastrukturen.

In der Diskussion wird die Herstellung von Synfuels daher als Übergangstechnologie bezeichnet. Durch optimierte Syntheseprozesse ist es möglich, die erforderlichen Kraftstoffe mit den gewünschten Eigenschaften maßgeschneidert zu produzieren. Das macht sich auch im Verbrennungsprozess bemerkbar. Wegen ihrer Reinheit sind Synfuels emissionsärmer als fossile Kraftstoffe, ihre Rußzahlen und die Stickoxidbildung können durch Additive sogar noch verbessert werden.

Die Herstellung von Synfuels aus Biomasse, Erdgas oder Kohle erfolgt in zwei Stufen. Zunächst wird aus dem Rohstoff ein Synthesegas erzeugt, das aus niederen Verbindungen mit Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid besteht. Darauf folgt in einem Syntheseprozess mithilfe von Katalysatoren die Umwandlung in Kraftstoffe mit höheren Kohlenwasserstoffen. Die Fischer-Tropsch-Synthese wird für die Erzeugung von Diesel- und Flugzeugtreibstoffen verwendet, die Methanol-Synthese für die Herstellung von Benzin.

Im Mittelpunkt der Synthese steht der Reaktor, in dem die chemischen Reaktionen ablaufen. Neben den Grundstoffen, dem Mischungsverhältnis, dem Druck und der Temperatur bestimmt der Katalysator, welche Art von Synfuel erzeugt wird. Im Fischer-Tropsch-Prozess werden Kobalt, Ruthenium und Eisen verwendet, bei der Methanolherstellung Kupfer, Zinkoxid und Aluminiumoxid. Für Synfuels mit Kohlenwasserstoffen aus erneuerbaren Quellen wird das Fischer-Tropsch-Verfahren verwendet. Das Synthesegas besteht hauptsächlich aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Im Reaktor werden daraus Kohlenwasserstoffe gebildet – ein Prozess, der Wärme freisetzt und für den effizienten Ablauf eine Kühlung erfordert. Werden für Kühlung und Synthese regenerative Energien eingesetzt, ist das Verfahren CO2-neutral.

Ein besonders aussichtsreicher Grundstoff für Syn­fuels ist die Biomasse. Aus Abfallholz, Bioabfällen und landwirtschaftlichen Abfällen gewonnen, wird in einer Biogasanlage aus der Masse das Rohbiogas erzeugt, eine Mischung aus Methan und Kohlenstoffdioxid. Für die anschließende Aufbereitung mit Dampfreformer oder Co-Elektrolyse kann die Energie genutzt werden, die im Fischer-Tropsch-Prozess bei der Umwandlung des Rohgases in Methanol in Form von Wärme freigesetzt wird. Das verringert die Energiezufuhr von außen und verstärkt den Dekarbonisierungseffekt zusätzlich.

Mit Drücken von 10 bis 100 bar spielt die Kompressortechnik für die Herstellung von Synfuels eine wesentliche Rolle. Um die Prozessqualität zu optimieren, müssen die flüchtigen Stoffe aus den Reformations- und Syntheseprozessen schnell eingestellt werden. Die Verdichtung von Gasen für die Treibstoffherstellung ist daher auch ein klassisches Anwendungsfeld von Kolbenkompressoren des Herstellers Neuman und Esser (NEA). Bereits in den 1920er Jahren waren „Hofer Kompressoren“ in Mühlheim a. d. Ruhr, heute ein Unternehmen der Unternehmensgruppe, an der Treibstoffherstellung aus Kohle beteiligt.

Heute ist das Unternehmen zum Lösungsanbieter einer großindustriellen Produktion von Synfuels geworden. Ob in „Coal-to-liquids“-Prozessen, in der Methanolsynthese, in der Methanisierung von Wasserstoff mit Kohlenstoffdioxid aus Biogasanlagen oder in der „Biomass-to-liquids“-Produktion, Kompressoren kommen in allen Verfahren zur Herstellung von Synfuels zum Einsatz. Auf die jeweiligen Prozesse optimiert, verdichten sie die anfallenden Gase – vom Dampf über Kohlendioxid und kohlenstoffreichen Mischgasen bis hin zum Wasserstoff. Die Auslegung der Kolbenkompressoren erfolgt nach API 618, der Norm des American Petroleum Institute. Und seit Anfang 2021 ist das deutsche Unternehmen an Infinium beteiligt, einem Synfuels-Anbieter in Kalifornien. Das amerikanische Start-up-Unternehmen entwickelte das Electrofuels-Verfahren, das Strom aus erneuerbaren Energien in grünen Wasserstoff umwandelt und diesen mit Abfall-Kohlendioxid zur Herstellung von CO2-neutralen Kraftstoffen verwendet.