Synthesegase sind alle wasserstoffhaltigen Gasgemische, die in einer Synthesereaktion zum Einsatz kommen sollen.

Herstellung

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Die Herstellung von Synthesegas kann prinzipiell aus festen, flüssigen und gasförmigen Edukten (Ausgangsstoffen) erfolgen.

Synthesegas aus festen Edukten

Bei der Herstellung von Synthesegas aus festen Edukten ist vor allem die Kohlevergasung zu nennen. Kohle wird hierbei in einer Mischung aus partieller (teilweiser) Oxidation und Vergasung mit Wasserdampf zu einem Gemisch aus CO und Wasserstoff umgesetzt. Durch das Boudouard-Gleichgewicht steht CO noch mit C und CO₂ im Gleichgewicht:

$\backslash mathrm\{C\; +\; 0,5\backslash \; O\_2\; \backslash rightarrow\; CO\}$ : ΔH = -110,5 kJ/mol

$\backslash mathrm\{C\; +\; H\_2O\; \backslash rightarrow\; CO\; +\; H\_2\}$ : ΔH = +131,3 kJ/mol

$\backslash mathrm\{CO\_2\; +\; C\; \backslash ;\backslash overrightarrow\{\backslash leftarrow\}\backslash ;\; 2\backslash ,CO\}$ : ΔH = +172,4 kJ/mol
Die Umsetzung mit Sauerstoff liefert dabei durch die exotherme Reaktion die notwendige Energie zur Erzielung der hohen Reaktionstemperatur und die 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, beispielsweise Schwefelverbindungen, muss das erhaltene Synthesegas nach dem Reaktor noch aufwändig gereinigt und aufbereitet werden. Hierbei müssen vor allem Wasser, CO₂, Ruß und Schwefelverbindungen entfernt werden.

Neben Kohle ist prinzipiell auch der Einsatz anderer Feststoffe wie z.B. 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. Leichtsiedende Destillate können nach Entschwefelung durch Umsetzung mit Wasserdampf nach dem Steam-Reforming-Verfahren umgesetzt werden. Das Steam-Reforming-Verfahren ist eine endotherme Reaktion, welche an einem heterogenen Katalysator durchgeführt wird (Reaktion am Beispiel Pentan):

$\backslash mathrm\{C\_5H\_\{12\}\; +\; 5\backslash \; H\_2O\; \backslash rightarrow\; 5\backslash \; CO\; +\; 11\backslash \; H\_2\}$ : ΔH = +802,9 kJ/mol

Beim Einsatz von hochsiedenden Ölfraktionen wird die partielle Oxidation durchgeführt, welche ohne Katalysator auskommt (Reaktion am Beispiel Pentan):

$\backslash mathrm\{C\_5H\_\{12\}\; +\; 3/2\backslash \; O\_2\; \backslash rightarrow\; 5\backslash \; CO\; +\; 6\backslash \; H\_2\}$ : ΔH = -406,3 kJ/mol

Synthesegas aus gasförmigen Edukten

Das wichtigste gasförmige Edukt zur Synthesegaserzeugung ist Erdgas. Das Erdgas wird hierbei mit Wasserdampf nach dem Steam-Reforming-Verfahren umgesetzt:

$\backslash mathrm\{CH\_4\; +\; H\_2O\; \backslash rightarrow\; CO\; +\; 3\backslash \; H\_2\}$ : ΔH = + 206,2 kJ/mol

Erdgas liefert im Vergleich mit den anderen Edukten den höchsten Anteil an Wasserstoff im Verhältnis zu Kohlenmonoxid.

Neben dem Steam-Reforming-Verfahren kann man Erdgas auch durch partielle Oxidation zu Synthesegas umsetzen:

$\backslash mathrm\{CH\_4\; +\; 0,5\backslash \; O\_2\; \backslash rightarrow\; CO\; +\; 2\backslash \; H\_2\}$ : ΔH = -35,7 kJ/mol

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):

$\backslash mathrm\{CH\_4\; +\; 0,5\backslash \; O\_2\; (+\; 2\backslash \; N\_2)\; \backslash rightarrow\; CO\; +\; 2\backslash \; H\_2\; (+\; 2\backslash \; N\_2)\}$

$\backslash mathrm\{CO\; +\; H\_2O\; \backslash rightarrow\; CO\_2\; +\; H\_2\; \}$

Summe: $\backslash mathrm\{CH\_4\; +\; 0,5\backslash \; O\_2\; (+\; 2\backslash \; N\_2)\; +\; H\_2O\; \backslash rightarrow\; CO\_2\; +\; 3\backslash \; H\_2\; (+\; 2\backslash \; N\_2)\}$

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.

Synthesegasreinigung

An alle 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
• CO₂-Abtrennung
• Abtrennung von Schwefelverbindungen
• Einstellung des gewünschten CO : H₂ Verhältnisses

Verwendung

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Am häufigsten finden Synthesegase Verwendungen:

1. in der Methanolsynthese
   • $\backslash mathrm\{CO\; +\; 2H\_2\; \backslash rightarrow\; CH\_3OH\}$
2. in der Ammoniaksynthese nach dem Haber-Bosch-Verfahren
   • $\backslash mathrm\{N\_2\; +\; 3H\_2\; \backslash rightarrow\; 2NH\_3\}$
3. in der Oxosynthese
   • $\backslash mathrm\{R-CH=CH\_2\; +\; CO\; +\; H\_2\; \backslash rightarrow\; R-CH\_2CH\_2CH=O\}$
4. in der Fischer-Tropsch-Synthese
   • $\backslash mathrm\{nCO\; +\; (2n+1)H\_2\; \backslash rightarrow\; C\_nH\_\{2n+2\}\; +\; nH\_2O\}$

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