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2026-01-25T12:22:39Z

Synthesegas aus Luft und Strom: KIT-Name korrigiert.

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Als '''Synthesegas''' bezeichnet man im weitesten Sinne ein [[Gasgemisch]], das zu einer [[Synthese (Chemie)|Synthese]] eingesetzt wird, so z. B. auch das Gemisch aus [[Stickstoff]] und [[Wasserstoff]] für die [[Haber-Bosch-Verfahren|Ammoniaksynthese]]. Im engeren Sinn versteht man unter Synthesegas industriell hergestellte Gasgemische, die hauptsächlich [[Kohlenstoffmonoxid]] und Wasserstoff neben wechselnden Mengen weiterer Gase enthalten.

Je nach Herstellungsverfahren oder Verwendungszweck sind auch einige andere Begriffe für Synthesegas in Gebrauch, einige Beispiele dafür:
* ''Wassergas'' ist ein Synthesegas, das aus Wasser und Kohle gewonnen wird und z. B. [[Stadtgas]] beigemischt wurde, um dessen Brennwert zu erhöhen,
* bei ''Spaltgas'' dient [[Methan]] als Quelle,
* ''Methanol-Synthesegas'' ist ein Synthesegas für die [[Methanolherstellung]],
* und ''Oxogas'' findet in der [[Hydroformylierung]] bzw. Oxosynthese Verwendung, die unter anderem zur Herstellung von Lösungsmitteln sowie Zwischenprodukten für die Herstellung von Wasch- und Reinigungsmitteln, Schmiermitteln oder auch Weichmachern für Kunststoffe dient.

== Herstellung ==

Die Herstellung von Synthesegas kann prinzipiell aus festen (s – solid), flüssigen (l – liquid) und gasförmigen (g – gaseous) [[Edukt]]en (Ausgangsstoffen) erfolgen.

=== Synthesegas aus festen Edukten ===

Bei der Herstellung von Synthesegas aus festen Edukten ist vor allem die [[Kohlevergasung]] zu nennen. [[Kohle]] – C(s) wird hierbei in einer Mischung aus [[partielle Oxidation|partieller (teilweiser/unvollständiger) Oxidation]] mit Luft- oder reinem Sauerstoff – O2(g) und Vergasung mit Wasserdampf – H2O(g) zu einem Gemisch aus Kohlenmonoxid – CO(g) und Wasserstoff – H2(g) umgesetzt. Durch das [[Boudouard-Gleichgewicht]] steht CO(g) noch mit C(s) und [[Kohlenstoffdioxid|Kohlendioxid]] – CO2(g) im [[chemisches Gleichgewicht|Gleichgewicht]]:

:<math>\begin{alignat}{2}
\mathrm{2 \; C + O_2} & \longrightarrow \mathrm{2 \; CO}, &\quad& \mathrm{\Delta}H = -221 \; \mathrm{kJ/mol}\\
\mathrm{C + H_2O} & \longrightarrow \mathrm{CO + H_2} , && \mathrm{\Delta}H = +131{,}3 \; \mathrm{kJ/mol}\\
\mathrm{C + CO_2} & \rightleftharpoons \mathrm{2 \; CO} , && \mathrm{\Delta}H = +172{,}4 \; \mathrm{kJ/mol}.
\end{alignat}</math>

Weiterhin muss das [[Wassergas-Shift-Reaktion|Wassergas-Gleichgewicht]] berücksichtigt werden:

:<math>\mathrm{CO + H_2O \rightleftharpoons CO_2 + H_2 }, \quad \mathrm{\Delta}H = -41{,}2 \; \mathrm{kJ/mol}.</math>

Die Umsetzung mit Sauerstoff liefert dabei durch die [[exotherm]]e Reaktion die notwendige Energie zur Erzielung der hohen Reaktionstemperatur für die [[endotherme Reaktion|endotherme]] Vergasungsreaktion von Kohle mit Wasserdampf.

Durch geschickte Wahl der Einsatzstoffe kann die Zusammensetzung des Synthesegases gesteuert werden (je nach gewünschtem Kohlenmonoxid- und Wasserstoffgehalt).

Da in [[Kohle]] neben Kohlenstoff noch weitere Elemente enthalten sind ([[Schwefel]], [[Stickstoff]], [[Vanadium]], …), muss das erhaltene Synthesegas nach dem Reaktor noch aufwendig gereinigt und aufbereitet werden. Hierbei müssen vor allem Wasser, CO2, Ruß und [[Schwefelwasserstoff|H2S]] entfernt werden.

Neben Kohle ist prinzipiell auch der Einsatz anderer Feststoffe wie z. B. [[BtL-Kraftstoff|Biomasse]] (Holz, Stroh) denkbar, jedoch ist hierbei auch eine Vorbehandlung der Einsatzstoffe und eine Nachbehandlung bzw. Reinigung des Synthesegases notwendig.

=== Synthesegas aus flüssigen Edukten ===

Als flüssige Edukte für Synthesegas können unterschiedliche Rohöldestillate eingesetzt werden, sowohl leichtsiedende als auch hochsiedende Fraktionen.
Leicht siedende Destillate können nach Entfernung von [[Schwefel]] durch Umsetzung mit Wasserdampf nach dem [[Dampfreformierung]]-Verfahren umgesetzt werden. Das [[Steam-Reforming]]-Verfahren ist eine endotherme Reaktion, welche an einem heterogenen Katalysator durchgeführt wird (Reaktion am Beispiel Pentan):

:<math>\mathrm{C_5H_{12} + 5 \; H_2O \longrightarrow 5 \; CO + 11 \; H_2 }, \quad \mathrm{\Delta}H = +802{,}9 \; \mathrm{kJ/mol}.</math>

Beim Einsatz von hochsiedenden Ölfraktionen (''flashed visbroken residue'', siehe [[Cracken]]) wird die partielle Oxidation durchgeführt, welche ohne [[Katalysator]] auskommt (Reaktion am Beispiel Pentan):

:<math>\mathrm{2 \; C_5H_{12} + 5 \; O_2 \longrightarrow 10 \; CO + 12 \; H_2 }, \quad \mathrm{\Delta}H = -406{,}3 \; \mathrm{kJ/mol}.</math>

=== Synthesegas aus gasförmigen Edukten ===

Das wichtigste gasförmige Edukt zur Synthesegaserzeugung ist [[Erdgas]]. Erdgas liefert im Vergleich mit den anderen Edukten den höchsten Anteil an Wasserstoff im Verhältnis zu Kohlenmonoxid.

==== Dampfreformierung ====
Das Erdgas wird hierbei mit Wasserdampf nach dem [[Dampfreformierung]]s-Verfahren (englisch Steam Reforming) umgesetzt:

:<math>\mathrm{CH_4 + H_2O \longrightarrow CO + 3 \; H_2 } , \quad \mathrm{\Delta}H = +206{,}2 \; \mathrm{kJ/mol}.</math>
[[Linde plc|Linde]] ist mit 4.000 gebauten Anlagen einer der größten Hersteller und bezeichnet diese als HyCO-plant, wie auch SynGas als HyCO ([[Wasserstoff|Hydrogen]]-[[Kohlenstoffmonoxid|CO]]).<ref>{{Internetquelle |url=https://register.dpma.de/DPMAregister/marke/register/3020100586729/DE |titel=HYCO Registernummer 896361 |hrsg=DPMA |abruf=2022-10-28}}</ref>

==== Plasma-Konverter ====
Ein im Jahr 2012 entwickeltes zweistufiges Verfahren produziert Synthesegas, welches nur aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht. Im ersten Schritt wird Methan mit Hilfe von Plasma bei mehr als 1000 °C in eine Mischung aus Kohlenstoff und Wasserstoff zersetzt<ref>{{Internetquelle |url=http://www.diebrennstoffzelle.de/wasserstoff/herstellung/kvaerner.shtml |titel=dieBrennstoffzelle.de – Kvaerner-Verfahren |abruf=2019-11-21}}</ref> (Reaktion: CH4 + Energie → C + 2 H2). Im zweiten Schritt wird CO2 zu der Mischung aus Kohlenstoff und Wasserstoff gegeben. Der Kohlenstoff und das CO2 reagieren bei hoher Temperatur zu Kohlenmonoxid (Reaktion: C + CO2 → 2 CO). Alternativ kann Wasser anstelle von CO2 verwendet werden, um eine höhere Wasserstoffkonzentration im Synthesegas zu erhalten.<ref>{{Patent| Land=EP| V-Nr=2794467| Code=B1| Titel=Verfahren und Anlage zur Erzeugung von Synthesegas| A-Datum=2012-12-20| V-Datum=2016-11-23| Anmelder=CCP Technology GmbH| Erfinder=Olaf Kühl}}</ref> In diesem Fall ist die zweite Reaktion: C + H2O → CO + H2. Zusammen mit dem Wasserstoff aus dem ersten Schritt erhält man in beiden Alternativen ein hochreines Synthesegas, welches nur aus CO und H2 besteht.<ref>{{Patent| Land=EP| V-Nr=2794466| Code=B1| Titel=Verfahren und Anlage zur Umwandlung von Kohlendioxid in Kohlenmonoxid| A-Datum=2012-12-20| V-Datum=2015-08-26| Anmelder=CCP Technology GmbH| Erfinder=Olaf Kühl}}</ref>

Das Verhältnis von CO zu H2 kann jeweils variiert werden. Wenn das Synthesegas an einen nachfolgenden Syntheseprozess (z. B. Fischer-Tropsch-, DME-, Benzin- und Alkohol-Synthese) angepasst ist, ergibt sich ein PGtL-Verfahren (PGtL – Power-and-Gas-to-Liquid).<ref>{{Patent| Land=EP| V-Nr=3160899| Code=B1| Titel=Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von H2-reichem Synthesegas| A-Datum=2015-05-13| V-Datum=2018-12-12| Anmelder=CCP Technology GmbH| Erfinder=Olaf Kühl}}</ref>

==== Partielle Oxidation ====
Neben dem Dampfreformierungs- bzw. Steam-Reforming-Verfahren kann man Erdgas auch durch [[partielle Oxidation]] (POX) zu Synthesegas umsetzen:

:<math>\mathrm{2 \; CH_4 + O_2 \longrightarrow 2 \; CO + 4 \; H_2} , \quad \mathrm{\Delta}H = -35{,}7 \; \mathrm{kJ/mol}.</math>

Synthesegas für die [[Ammoniak]]-Synthese stellt man auch durch partielle Oxidation her, wobei hier Luft anstelle von reinem Sauerstoff verwendet wird. Das anfallende Kohlenmonoxid wird in einer zweiten Reaktionsstufe mit Wasserdampf zu CO2 und weiterem Wasserstoff konvertiert (umgesetzt):

:<math>\begin{align}
\mathrm{2 \; CH_4 + O_2 \; (+ \; 4 \; N_2)} & \longrightarrow \mathrm{2 \; CO + 4 \; H_2 \; (+ \; 4 \; N_2)}\\
\mathrm{CO + H_2O} & \longrightarrow \mathrm{CO_2 + H_2}\\
\hline
\mathrm{2 \; CH_4 + O_2 \; (+ \; 4 \; N_2) + 2 \; H_2O} & \longrightarrow \mathrm{2 \; CO_2 + 6 \; H_2 \; (+ \; 4 \; N_2)}.
\end{align}</math>

Nach Abtrennung von CO2 wird dann eine Mischung aus N2 und H2 erhalten, welche anschließend noch auf das gewünschte N2/H2-Molverhältnis eingestellt werden muss.

=== Synthesegas aus Luft und Strom ===

{{Hauptartikel|Power-to-Gas}}

Aus der Umgebungsluft per [[Direct air capture]], oder konzentrierter aus [[Rauchgas]], kann Mithilfe der [[Aminwäsche]] Kohlenstoffdioxid (CO2) gewonnen werden, der im [[Sabatier-Prozess]] zu Methan gewandelt werden kann. Für das Heizen der Katalysatoren, den Betrieb des Aminwäschers und der [[Elektrolyse]] des Wassers bei der [[Wasserstoff]]gewinnung wird Strom benötigt. Bei diesem Prozess erfolgt der Energieumsatz mit einem Wirkungsgrad bis 80 Prozent. Das entstehende Gas ist auch die Vorstufe zur Herstellung von [[E-Fuel]] ([[Power-to-Liquid]]), welcher nachfolgend per [[Fischer-Tropsch-Verfahren]] und [[Hydrocracken]] erzeugt werden kann.<ref>{{Internetquelle |autor= |url=https://www.kit.edu/kit/pi_2019_107_kohlendioxidneutrale-kraftstoffe-aus-luft-und-strom.php |titel=Presseinformation: Kohlendioxidneutrale Kraftstoffe aus Luft und Strom |hrsg=Karlsruher Institut für Technologie (KIT) |datum=2019-08-19 |sprache=de-de |abruf=2022-10-28}} </ref>

=== Synthesegasreinigung ===

An die meisten der genannten Herstellungsverfahren schließen sich nach dem Reaktor mehr oder weniger aufwändige und komplexe Reinigungs- und Aufbereitungsverfahren an. Im Wesentlichen sind dies:
* Rußabtrennung
* Wasserentfernung und Trocknung
* Abtrennung von Schwefelverbindungen
* Einstellung des gewünschten CO : H2-Verhältnisses
* CO2-Abtrennung.

== Verwendung ==

[[Datei:Syngas Products.svg|mini|400px|Produkte der Synthesegaschemie]]
Am häufigsten werden Synthesegase verwendet:

# in der [[Methanolherstellung|Methanolsynthese]]
#* <math>\mathrm{CO + 2 \ H_2 \longrightarrow CH_3OH},</math>
# in der [[Ammoniak]]synthese nach dem [[Haber-Bosch-Verfahren]]
#* <math>\mathrm{N_2 + 3 \ H_2 \longrightarrow 2 \ NH_3},</math>
# in der [[Oxosynthese]]
#* <math>\mathrm{R{-}CH{=}CH_2 + CO + H_2 \longrightarrow R{-}CH_2CH_2CH{=}O}, </math> sowie
# in der [[Fischer-Tropsch-Synthese]]
#* <math>n \; \mathrm{CO} + (2n+1) \; \mathrm{H}_2 \longrightarrow \mathrm{C}_n\mathrm{H}_{2n+2} + n \; \mathrm{H}_2\mathrm{O}.</math>

Neben diesen chemisch-technischen Anwendungsbereichen kann Synthesegas auch über eine [[Synthesegas-Fermentation|Fermentation]] biotechnologisch genutzt werden. Produkte dieser Option können bsp. Alkohole wie [[Ethanol]], [[Butanol]] und [[1,2-Propandiol]], [[Aceton]] sowie organische Säuren sein.

== Siehe auch ==
* [[Stadtgas]]

== Literatur ==
* {{Literatur | Autor=[[Klaus Weissermel]], [[Hans-Jürgen Arpe]] | Titel=Industrielle Organische Chemie | Auflage=6. | Verlag=Wiley-VCH | Ort=Weinheim | Datum=2007 | ISBN=978-3-5273-1540-6 | Seiten=15–30}}
* {{Literatur | Autor=Karl Heinz Büchel, Hans-Heinrich Moretto, Dietmar Werner | Titel=Industrial Inorganic Chemistry | Auflage=2. | Verlag=Wiley-VCH | Ort=Weinheim | Datum=2000 | ISBN=978-3-527-29849-5 | Seiten=32–38}}
* {{Polytechnisches Journal|Dokumentencode=ar314016 |Autor=Anonymus |Titel=Dellwik-Fleischer’s Wassergasverfahren und seine Anwendungen |Jahr=1899 |Seiten=65–69}}

== Weblinks ==
* {{DNB-Portal|4058782-4}}

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4058782-4|LCCN=sh85131653}}

[[Kategorie:Biogastechnik]]
[[Kategorie:Stoffgemisch]]
[[Kategorie:Gas]]

Synthesegas - Versionsgeschichte

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