Gasbehandlung Warum die Zukunft der Gaswäsche digital ist

Von Klaus Jopp, freier Wissenschaftsjournalist in Hamburg

Von wegen in die Jahre gekommen: Zum 50-jährigen Jubiläum der industriellen Gasaufbereitungstechnologie Oase macht BASF die Technologie fit für die Gaswäsche von im Meer gewonnenem Erdgas. Und eine digitale Plattform ermöglicht es, weltweit die Waschmittelzusammensetzung der Oase-Prozesse online und nahezu in Echtzeit zu analysieren.

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Mit der digitalen Plattform Oase connect (Foto) können BASF-Kunden den Betrieb ihrer Anlagen effizienter auslegen.Torsten Katz (links) und Agnes Dittel aus dem BASF-Gaswäsche-Team haben die digitale Plattform mitentwickelt.
Mit der digitalen Plattform Oase connect (Foto) können BASF-Kunden den Betrieb ihrer Anlagen effizienter auslegen.Torsten Katz (links) und Agnes Dittel aus dem BASF-Gaswäsche-Team haben die digitale Plattform mitentwickelt.
(Bild: BASF)

Gaswäsche hat sich zum echten Allrounder entwickelt – nicht nur essenziell für die Nutzung von Erd- und Synthesegas, inzwischen geht es auch um Technologien zur Konditionierung von Raffinerieabgas, Rauchgas und Biogas. BASF ist hier seit Jahrzehnten das führende Unternehmen.

In diesem Jahr stehen gleich zwei Jubiläen zu diesem Thema auf der Agenda: Vor 50 Jahren begann mit der ersten industriellen Entfernung von Kohlendioxid aus Synthesegas zur Herstellung von Ammoniak die Erfolgsstory der Gasaufbereitung. Vor einem Jahrzehnt wurde zudem die Marke Oase eingeführt, unter der BASF heute sieben hochspezifische Lösungen zur Behandlung von unterschiedlichen Gasen anbietet.

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Das Unternehmen ist aber nicht nur im Bereich der verschiedenen notwendigen Waschmittel aktiv, sondern vergibt auch Lizenzen für die hochentwickelte Anlagentechnologie zur Gaswäsche und bietet ein breites Spektrum spezifischer Serviceleistungen an, darunter ein Verfahren zur permanenten Kontrolle des Waschvorgangs in nahezu Echtzeit.

Alles begann mit Haber-Bosch

Der beeindruckende Komplex umfasst gleich sechs Baufelder zwischen Acetylen- und Rheinstraße im größten Chemiepark der Welt, den BASF direkt am Rhein in Ludwigshafen betreibt. Ammoniakanlage III heißt die schlichte Bezeichnung für das Areal, auf dem gleichwohl mehrfach Geschichte geschrieben wurde. So leitete die erste moderne Großanlage dieser Art eine neue Epoche der Ammoniak-Erzeugung ein, die Anfang des 20. Jahrhunderts bei der BASF von den deutschen Chemikern Fritz Haber und Carl Bosch entwickelt worden war.

Fachbuch „Verfahrenstechnik“

Das Fachbuch „Verfahrenstechnik" bietet eine Einführung in die wichtigsten Grundverfahren der mechanischen, thermischen und chemischen Verfahrenstechniken sowie der Bioverfahrenstechnik. Für die Umwelttechnik wichtige Trennverfahren sind besonders herausgearbeitet. Vollständig durchgerechnete Beispiele geben Einblick in die Projektierung von Apparaten und Anlagen.

Die Anlage verarbeitet Erdgas nach dem Dampfreformierverfahren, „schluckt“ stündlich beinahe 60.000 Kubikmeter Erdgas und produziert 1.200 Tonnen Ammoniak pro Tag. Das Methan des Erdgases reagiert im Primär- und Sekundärreformer mit Wasser und Luft zu Synthesegas, einem Gemisch aus Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Stickstoff. Anschließend wird dann Kohlenmonoxid mit Wasserdampf zu Wasserstoff und Kohlendioxid umgesetzt.

Das saure CO2 wird mit einem alkalischen, wässrigen Lösungsmittel ausgewaschen. Im Reaktor wird dann bei 450 °C und rund 300 bar Druck aus Stickstoff und Wasserstoff Ammoniak erzeugt, der insbesondere für die Landwirtschaft weiterhin unverzichtbar ist. Die Ammoniakfabrik III, die noch heute in Betrieb ist, besticht durch eine Reihe von Superlativen: Der Synthesereaktor wiegt inklusive des Reaktors 500 Tonnen, der Hochdruckverdichter leistet 25.000 Watt und die Synthesegasmenge beläuft sich auf 140.000 Kubikmeter pro Stunde. Auch der Waschturm der Kohlensäurewäsche, mit dem das Kohlendioxid entfernt wird, setzt mit über 70 Metern Höhe ein Ausrufezeichen – und begründet zudem die Gaswäsche bei der BASF vor genau 50 Jahren.

Gaswäsche für den weltweiten Einsatz

Was damals als interner Prozess begann, ist heute ein globales Geschäft, das längst nicht nur die Behandlung von Synthesegas ermöglicht. „BASF gehört in diesem Sektor zu den weltweit führenden Unternehmen. Wir bieten inzwischen die Gaswäsche auch für die Nutzung von Erdgas, für Raffinerieabgas, Rauchgas und Biogas an“, erklärt Dr. Andreas Northemann, Vice President Gas Treatment Solutions der BASF. Vor diesem Hintergrund wurde vor einem Jahrzehnt die Marke Oase aus der Taufe gehoben, die mit verschiedenen Waschmitteln und Technologien die unterschiedlichen Anwendungsfelder der Gaswäsche umfassend abdeckt.

Nach einem Report des New Yorker Marktforschungsunternehmens „Reports and Data“ wies der weltweite Markt für Gasbehandlung 2018 ein Volumen von 3,77 Milliarden US-Dollar auf und wird 2025 knapp sechs Milliarden US-Dollar erreichen, was einer jährlichen Wachstumsrate von 5,7 Prozent pro Jahr entspricht. Treiber dieser Entwicklung sind die steigende Nachfrage nach Erdgas, strengere Vorschriften zur Minderung der Luftverschmutzung sowie eine weiter wachsende Erdbevölkerung. Ein wichtiger Faktor ist zudem der zunehmende Einsatz von Erdgas in der Stromerzeugung. In den USA wurden zum Beispiel 2018 bereits rund 35 Prozent der Stromproduktion durch Erdgas gedeckt.

Waschmittelzusammensetzung in Echtzeit ermitteln

Angesichts der positiven Marktaussichten setzt BASF weiter auf Forschung und Entwicklung im Bereich der Gaswäsche. Unter der Bezeichnung „OASE digilab“ hat das Startup „trinamiX“ zusammen mit dem Oase-Team in den zurückliegenden Jahren eine Methode entwickelt, um die Waschmittelzusammensetzung der Oase-Prozesse quasi online und nahezu in Echtzeit zu analysieren. Bisher war das ein aufwändiger Vorgang, weil Proben aus dem Prozess bei den jeweiligen Kunden entnommen und anschließend an zwei spezielle BASF-Labore in Ludwigshafen (Deutschland) und Wyandotte (USA) aus der ganzen Welt eingeschickt werden mussten – pro Analyse dauerte das sechs bis acht Wochen.

Das neue Verfahren ist wesentlich schneller und effektiver. Es arbeitet mit einem Detektor im Nahinfrarot (NIR), der das Lichtspektrum der Probe aufnimmt. Aufgrund der unterschiedlichen Absorption lassen sich die Bestandteile der Probe qualitativ und quantitativ bestimmen. Anwender können künftig die Proben aus ihrer Anlage direkt in das Digilab-Gerät einspritzen und erhalten innerhalb von ein paar Sekunden die Analyse der Bestandteile. „Auf diese Weise revolutioniert Oase digilab die Qualitätskontrolle der Gaswäsche und verbessert den Waschmitteleinsatz. Kunden, die diesen Service nutzen, können den Zustand ihrer Gaswäsche also permanent mit der optimalen Lösungsmittelzusammensetzung fahren“, betont Dr. Torsten Katz, Leiter Globale Technologie Gas Treatment Solutions der BASF.

Wie generell bei der Gaswäsche hat die Ammoniakanlage III in Ludwigshafen auch in der Test- und Evaluierungsphase von Oase digilab eine entscheidende Rolle gespielt. „Hier haben wir die ersten Proben gesammelt und die ersten Ergebnisse erhalten, mit denen wir die Methode auf den heutigen Stand weiterentwickeln konnten. Weitere Tests haben dann bei Kunden stattgefunden“, berichtet Katz. Inzwischen zeigen die Resultate, die mit dem Nahinfrarot-Verfahren gewonnen werden, eine hohe Übereinstimmung mit den Werten der klassischen Nasschemie, die zum Vergleich immer noch erhoben werden.

Aufgezeichnet werden dabei Messdaten für Wasser, das Basisamin Methyldiethanolamin (MDEA) und das Aktivator-System. Alle Ergebnisse werden über den Analytik-Bereich im Oase-connect-Portal gespeichert. Einerseits kann jedem Kunden Zugriff auf seine Daten angeboten werden, andererseits kann BASF die Daten über die Lösungsmittelzusammensetzung für weitere Optimierungen verarbeiten.

Die Plattform bietet zudem ein Planungs- und Simulationstool, das einerseits die Projektierungsphase von Neuanlagen deutlich verbessert, andererseits den bereits laufenden Anlagenbetrieb weiter optimiert. Erste Projekte mit Kunden wurden erfolgreich durchgeführt. Eine Besonderheit ist außerdem die Cape-​Open-Schnittstelle, die es möglich macht, eine Oase-​connect-Simulation in handelsübliche Prozess­simulatoren einzubinden.

Verfahrensanpassungen für Gaswäsche auf See

In den letzten Jahren sind rund um den Erdball zahlreiche Projekte im Bereich Floating Liquefied Natural Gas (FLNG) entwickelt worden, die bedeutende Gasfelder unter den Weltmeeren erschließen sollen. Das immer noch relativ neue Verfahren, Erdgas auf hoher See und in der Regel aus großen Tiefen zu gewinnen, erfordert deutliche Anpassungen an die bisherigen Prozesse. Deshalb hat BASF auch die Tiefsee-Gaswäsche in den zurückliegenden Jahren erforscht, insbesondere um die Wäsche auf die Meeres- bzw. Schiffsbewegungen zu optimieren.

Bereits realisiert wird ein Großvorhaben mit der italienischen ENI vor der Küste von Mosambik in etwa 2.000 Metern Tiefe. Das Coral-Feld in Area 4 des Rovuma Bassins enthält rund 450 Milliarden Kubikmeter Gas, die über sechs Unterwasserbohrungen und eine schwimmende LNG-Anlage erschlossen werden. Für dieses Ultra-Tiefwasserprojekt hat BASF die Gasreinigung übernommen. „Zur Auslegung der Gaswäsche haben wir das Simulationstool von Oase connect eingesetzt, wobei wir eine Zusatzfunktion zum Einfluss der Schiffsbewegung eingebracht haben“, sagt Oase-Experte Dr. Ralf Notz. Die Inbetriebnahme des Produktionsschiffes im Coral-Feld ist für 2022 vorgesehen.

Quatargas baut gleich vier neue LNG-Anlagen

Anfang des Jahres, im Februar 2021, hat Qatargas einen „Letter of Award“ zum Bau von vier neuen LNG-Produktionsanlagen im North Field East Project (NFE) vor der nordöstlichen Küste der Halbinsel Katar unterzeichnet. In diesem Feld werden mit Reserven von etwa 25 Billionen Kubikmetern rund zehn Prozent der weltweiten Gasreserven vermutet. Bei seiner Erschließung handelt es sich um das größte globale LNG-Vorhaben überhaupt zurzeit. Auch daran ist BASF maßgeblich beteiligt: Gemäß einer Vereinbarung vom April 2019 stellt BASF für alle vier neuen Gasverflüssigungsanlagen zwei Technologien bereit: die Hochdruck-Sauergasentfernungseinheiten (insbesondere für Kohlendioxid) und zudem die Niederdruck-Abgasbehandlungseinheiten.

Ganz gleich ob es sich um Synthesegas, um Erdgas in Form von LNG oder FLNG, um Rauch- und Raffineriegase oder um Biogas handelt – mit dem Oase-System steht für die Gaswäsche jeder Art eine maßgeschneiderte Lösung zur Verfügung. Inzwischen kann BASF auf über 500 installierte Anlagen rund um den Globus verweisen. Angesichts des erwarteten Wachstums im Geschäftsfeld der Gaswäsche generell und der eigenen Entwicklungen mit Oase connect und digilab zuletzt vor allem im digitalen Bereich, fühlt sich das Oase-Team gut für die Zukunft aufgestellt. Diese sehr guten Aussichten in aller Welt haben ihren Ausgangspunkt immer noch in der guten, alten Ammoniakanlage III in Ludwigshafen.

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