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CO2-neutrale Produktion Wie Forscher die Methanolsynthese neu erfinden

| Autor/ Redakteur: Klaus Jopp / Anke Geipel-Kern

Ohne Methanol geht in der Chemie fast nichts und BASF ist Erfinderin des Hochdruckverfahrens mit dem heute das Gros des Alkohols hergestellt wird. Jetzt machen die Forscher in Ludwigshafen erneut einen Quantensprung: Methanolsynthese CO2-neutral und mit hundertprozentiger Kohlenstoffausbeute.

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Die derzeit in Ludwigshafen noch immer genutzte Methanolanlage wurde 1988 in Betrieb genommen.
Die derzeit in Ludwigshafen noch immer genutzte Methanolanlage wurde 1988 in Betrieb genommen.
(Bild: BASF)

BASF hat den Klimaschutz in der neuen Unternehmensstrategie fest verankert. Ein zentrales Ziel dabei ist, bis 2030 Kohlendioxid-neutral (CO2-neutral) zu wachsen. Hierfür optimiert das Unternehmen kontinuierlich bestehende Prozesse, ersetzt fossile Energiequellen schrittweise durch erneuerbare Alternativen und entwickelt grundlegend neue emissionsarme Produktionsverfahren. All diese Arbeiten sind in dem ehrgeizigen Programm „Carbon Management“ gebündelt.

Emissionen zu vermeiden ist das Ziel

„Um die Klimaschutzziele zu erreichen, müssen CO2-Emissionen im großen Stil vermieden werden. CO2 als Rohstoff zu nutzen, ist nur in Einzelfällen sinnvoll und kann daher den Klimawandel nicht entscheidend bremsen“, betont Dr. Martin Brudermüller, Vorstandsvorsitzender und Chief Technology Officer der BASF.

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Seit 1990 hat das größte Chemieunternehmen der Welt bereits seine Emissionen von 40 Millionen Tonnen auf 22 Millionen Tonnen nahezu halbiert, obwohl in derselben Zeitspanne die Produktionsmenge verdoppelt wurde.

Bezogen auf eine Tonne Produkt hat sich der Wert von 2.2 auf 0.6 Tonnen CO2 verringert.

„Den CO2-Ausstoß weiter deutlich zu senken, erfordert ganz neue Technologien. Deshalb haben wir ein ambitioniertes Forschungsprogramm auf den Weg gebracht“, so Brudermüller.

Neue Technologien gesucht

Gesucht sind Technologien und Prozesse, die zu einer erheblichen Reduktion von CO2-Emissionen führen und im industriellen Maßstab umsetzbar sind. Der Fokus liegt vor allem auf den Basischemikalien, die für rund 70 % der Treibhausemissionen der Chemiebranche verantwortlich sind.

Einen großen Erfolg konnte jetzt ein Forschungs- und Entwicklungsteam unter Leitung von Dr. Maximilian Vicari, Director Global Technology Operating Division Intermediates der BASF, verbuchen: Innerhalb des Carbon Managements Programms wurde das Vorhaben „Emissionsfreies Methanol“ so weit vorangetrieben, dass das entsprechende Verfahren zum Patent angemeldet werden konnte.

„Ziel unseres Projektes ist es, den Ausstoß von CO2 nicht nur zu senken, sondern über den gesamten Herstellungsprozess vom Erdgas bis zum reinen Methanol kein CO2 zu emittieren. Damit wollen wir eine einhundertprozentige Kohlenstoffausbeute von der Synthesegaserzeugung bis zum Endprodukt Methanol erreichen“, berichtet Vicari.

Schlüsselsubstanz Methanol

Bei der Emissionsbilanz gehört Methanol zu den Schlüsselsubstanzen, weil es einer der bedeutendsten Synthese-Rohstoffe weltweit ist. Der Alkohol wird neben seinem Einsatz als Lösungsmittel unter anderem für Synthesen von Formaldehyd, Essigsäure, Methyl-tert-butylether (MTBE), Dimethylterephthalat, Methylmethacrylat und Methylaminen in großen Mengen benötigt.

Synthesegas durch partielle Oxidation von Erdgas

Industriell wird Methanol üblicherweise im so genannten Niederdruckverfahren aus Synthesegas hergestellt, das durch kombinierte Dampf- und Autothermreformierung aus Erdgas gewonnen wird. Die Umsetzung von Synthesegas zu Methanol erfolgt in einem Druckbereich von 50 bis 90 bar (absolut) und Temperaturen von 190 °C und 270 °C an Kupfer und Zink enthaltenen Synthesekatalysatoren. Dabei wird sowohl Kohlenmonoxid als auch Kohlendioxid mit Wasserstoff zu Methanol umgesetzt. Dieses Rohmethanol wird durch Destillation aufgereinigt und weiterverarbeitet.

Der erste Schritt des neuen Verfahrens ist die kohlendioxidemissionsfreie Herstellung des Synthesegases durch partielle Oxidation von Erdgas. Die Verfahrensschritte Methanolsynthese und Destillation können nahezu unverändert übernommen werden. Das partielle Oxidationsverfahren wurde in einer gemeinsamen Studie mit Linde Engineering geprüft und hat sich als vorteilhaft erwiesen.

Verfahren ohne technische Risiken

„Es ist der einzige Prozess, der uns derzeit bekannt ist, der ein Synthesegas ohne CO2-Emissionen liefert und dabei keine schwerwiegenden technischen Probleme aufweist. Die Studie, die wir mit Linde erstellt haben, hat eindeutig bestätigt, dass dieses Verfahren die geringsten technischen Risiken zeigt“, erklärt Vicari.

Aus dem Kreislauf der Methanolsynthese wird ein Abgasstrom ausgeschleust, um eine Anreicherung der nicht zu Methanol umsetzbaren Komponenten wie z.B. Methan oder Stickstoff zu verhindern. Aus diesem Abgasstrom wird Wasserstoff über eine Druckwechselabsorption zurückgewonnen. Außerdem fällt als flüssiger Strom das Produkt Roh-Methanol an. Dieses wird auf einen Druck von 6 bar (abs) entspannt, dabei fällt im so genannten Niederdruck-Entspannungsgas z.B. ein Teil CO2 und Methan an.

Aus dem Roh-Methanolstrom erfolgt dann in einer Destillationskolonne die Abtrennung der niedrig siedenden Komponenten wie CO2 und Dimethylether. Im Sumpf verbleiben dann Methanol, Wasser und einige höher siedende Substanzen. Anschließend erfolgt dann die Rein-Methanol Destillation.

Bei der Methanolsynthese und -destillation fallen also drei Abgasströme an, die sich auch bei optimaler Prozessführung nicht vermeiden lassen. Die Destillationsabgase, das Abgas aus der Druckwechselabsorption und das Niederdruck-Entspannungsgas werden gesammelt, und anschließend in einem Oxyfuel-Verfahren mit reinem Sauerstoff verbrannt. „Dabei entsteht eine minimale Menge an Rauchgas mit einem maximalen Gehalt an CO2 was sich sehr günstig auf die nächste Stufe, der Oase-Gaswäsche auswirkt“, so Vicari.

Gaswäsche nach dem Oase-Verfahren

Dieses Rauchgas durchläuft anschließend eine Gaswäsche nach dem bewährten BASF-Oase-Verfahren, mit dem das CO2 vollständig ausgewaschen wird. Oase blue ist eine optimierte Post-Combustion-Capture-Technologie (PCC) zum Einsatz nach der Verbrennung. Mit geringem Energieverbrauch, geringen Lösungsmittelverlusten und einem außergewöhnlich flexiblen Betriebsbereich ist das Verfahren die wichtigste Technologie für den Einsatz bei der Kohlendioxidabscheidung aus sauerstoffhaltigen Verbrennungsabgasen, zum Beispiel in Kraftwerken für fossile Brennstoffe oder Verbrennungsturbinen.

Die Technologie beruht auf der Abscheidung des Kohlendioxids durch wässrige Lösungen von Aminen. Aufgrund ihrer im Vergleich zu anderen Abtrennverfahren einfache Nachrüstbarkeit und Anpassbarkeit an die zu behandelnden Gasströme nimmt Oase blue eine besondere Rolle ein.

Erst 2017 wurde ein zehnjähriges Entwicklungsprogramm von BASF, Linde und RWE Power zur Anwendung von erfolgreich abgeschlossen. Die entsprechende CO2-Wäsche zeichnet sich durch niedrigen Energiebedarf, geringen Waschmittelverbrauch, geringe Emissionen, niedrige Investitions- und Wartungskosten sowie eine hohe Anlagenverfügbarkeit aus.

Die Gaswäsche mit der Oase-Technologie ist ein wichtiger Bestandteil des Verfahrens, da diese eine nahezu vollständige Rückführung des Kohlendioxids mit hoher Reinheit gewährleistet. Durch die Rückgewinnung des CO2 geht der darin enthaltene Kohlenstoff nicht verloren, sondern steht erneut für die Methanolsynthese zur Verfügung und wird vor ihr wieder in das Synthesegas oder vor die Synthesegaserzeugung eingespeist. Zusätzlich wird hinter der Gaswäsche Wasserstoff aus regenerativen Quellen zugeführt, um der Stöchiometrie der Methanolsynthese zu genügen.

Geringe Mengen an restlichen Sauerstoff aus der Oxyfuel-Verbrennung könne dann katalytisch hydriert werden. Als geeignete Katalysatoren kommen Kupfer- und Edelmetall-haltige Festbettkatalysatoren in Frage. Dadurch ist es möglich, den Sauerstoffgehalt auf Werte von unter ein Volumen-ppm zu reduzieren. Im Prozess enthaltene Inertgase wie Stickstoff und Argon werden hinter der Gaswäsche ausgetragen, damit es nicht zu einer ungewollten Aufpegelung dieser Bestandteile kommt.

Methanol in hoher Ausbeute und Reinheit

Das neue Verfahren der Basf ermöglicht die Herstellung von Methanol aus Synthesegas in hoher Ausbeute und erforderlicher Reinheit. Da in der eigentlichen Methanol-Synthese und Destillation keine größeren verfahrenstechnischen Änderungen notwendig sind, ermöglicht das Konzept auch die Nachrüstung bestehender Anlagen. Der entscheidende Punkt ist die nahezu vollständige stoffliche Nutzung der kohlenstoffhaltigen Komponenten zur Methanolsynthese und die Vermeidung jeglicher CO2-Emissionen. Die klimaschädliche Verbindung wird nicht nur rückgeführt, sondern erhöht noch zusätzlich die Methanolausbeute. „Wir sind optimistisch, dass die Methanolsynthese mit unserem klimafreundlichen Ansatz gut zu den Anforderungen des 21. Jahrhunderts passt“, sagt Vicari. „Nachdem die großtechnische Herstellung dieser wichtigen Basischemikalie vor fast 100 Jahren erstmals mit dem Hochdruckverfahren der BASF gelungen ist, schreiben wir auch am neuesten Kapitel der Geschichte des Methanols federführend mit.“ Für eine industrielle Umsetzung des neuen Verfahrens in einer ersten Anlage rechnet der Experte mit einem Zeitraum von höchstens zehn Jahren.

Interview mit Dr. Andreas Bode, Leiter des R&D-Programms Carbon Management bei BASF

Herr Bode, warum hat BASF das Carbon Management Programm initiiert? Und welche Ziele verfolgt das Unternehmen damit?

Andreas Bode: Der Klimaschutz ist fest in der neuen Unternehmensstrategie von BASF verankert. Ein zentrales Ziel dabei lautet, zunächst bis zum Jahr 2030 CO2-neutral zu wachsen. Hierfür optimiert das Unternehmen kontinuierlich bestehende Prozesse und ersetzt fossile Energiequellen schrittweise durch erneuerbare. Darüber hinaus will BASF grundlegend neue emissionsarme Produktionsverfahren entwickeln, mit denen sich Treibhausgas-Emissionen in großem Stil senken lassen. Alle diese Arbeiten bündelt das Unternehmen in einem ehrgeizigen Programm zum Carbon Management mit dem erklärten Ziel, Klimaschutz und Produktionswachstum in Einklang zu bringen.

Ist das Programm vor dem Hintergrund der Bedeutung des Klimawandels ehrgeizig genug?

Bode: Bereits in den vergangenen Jahrzehnten hat BASF eine erhebliche Vermeidung von CO2-Emissionen erreicht, indem Produktionsprozesse optimiert und die Effizienz gesteigert wurden. So konnte das Unternehmen seit 1990 die Emissionen halbieren und zugleich die Produktionsmenge verdoppeln. Die CO2-Emissionen jetzt erneut deutlich zu senken, erfordert ganz neue Technologien, weshalb BASF ein ambitioniertes Forschungs- und Entwicklungsprogramm angestoßen hat.

Das F&E Programm hat den Schwerpunkt bei der Vermeidung des Entstehens von Treibhausgasen. Das Problem wird also an der Wurzel gepackt, soweit es technologisch möglich ist. Die Emissionssenkungspotentiale sind erheblich, wenn uns Strom für die neuen Technologien aus erneuerbaren Quellen ausreichend und zu wettbewerbsfähigen Konditionen zur Verfügung steht.

Weitere fallweise relevante Maßnahmen sind der Einsatz von Biomasse und Abfällen sowie die Nutzung von CO2 als Rohstoff. Durch die Kombination von diesen Maßnahmen ergibt sich ein sehr ehrgeiziges Programm.

Manche Konkurrenten haben schon deutlich länger ein Programm zur Kohlendioxidreduktion, warum ist BASF vergleichsweise spät auf den Klimazug aufgesprungen?

Bode: Klimaschutz ist für BASF schon sehr lange ein wesentliches Thema. Das zeigen die erheblichen Emissionssenkungen seit 1990. Auch in der Verfahrensentwicklung der BASF sind die Reduktion von Kohlendioxidemissionen oder auch die Möglichkeiten zur rohstofflichen Verwendung von CO2 schon seit langem ein Thema. Beispielsweise wurden die Projekte zur Methanpyrolyse, zum trockenen Reformieren (Dry-Ref), die anschließende DME-Synthese und die CO2-Nutzung für Natriumacrylat schon vor vielen Jahren gestartet. Die BASF hat dabei schon viel Geld in die Hand genommen und ist mit hohem Risiko in Entwicklungen eingestiegen. Dies war nur möglich, weil auch öffentliche Förderung durch das Bundesforschungsministerium in die Projekte mit weiteren Partnern geflossen ist.

Ein besonderes Gewicht bekommt der Klimaschutz nun mit der Aufnahme des CO2-neutralen Wachstums als strategisches Unternehmensziel und mit der Zusammenführung der wichtigsten Projekte in ein eigenes Forschungs- und Entwicklungsprogramm.

Wie ist der aktuelle Entwicklungsstand des Forschungsprogramms? Welche nächsten Meilensteine peilt die BASF an?

Bode: Das F&E-Programm zum Carbon Management umfasst beispielsweise eine neue Prozesstechnologie zur Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas, die Methanpyrolyse, oder neue leistungsfähige Katalysatorsysteme zur Herstellung von Synthesegas und Dimethylether als Vorstufen zu Olefinen oder ein innovatives elektrisches Beheizungskonzept für Steamcracker. Auch die emissionsfreie Herstellung von Methanol gehört zu dem Programm.

Angesichts der bereits erzielten Fortschritte sind wir optimistisch, in den nächsten Jahren erste Pilotanlagen realisieren zu können. Unser übergeordnetes Ziel dabei ist, dass die grundlegend neuen Technologien ab 2030 einsatzbereit sind. Denn ab diesem Zeitpunkt wollen wir nach der Kompensation des Wachstums auch absolute Emissions-Reduktionen erreichen.

Was geschieht mit dem Carbon Management Programm angesichts des angekündigten Sparwillens von Herrn Brudermüller?

Bode: Unsere Aktivitäten setzen an den entscheidenden großen Emissionsquellen der chemischen Wertschöpfung an. Wir setzen unsere Mittel also sehr zielgerichtet ein. Gleichwohl sind die Risiken sehr hoch, und wir verfolgen Optionen der Kooperation und beantragen auch öffentliche Förderung, um die hohen Risiken der Entwicklung unter den zeitlichen Zielen tragen zu können.

Als langfristiges Projekt ist das Programm ein Teil der Unternehmensstrategie. Die Ziele für 2030 sind gesetzt, und alle Beteiligten sind entschlossen, diese zu erreichen. Unser Carbon Management Programm ist eine Investition in die Zukunft der Chemieproduktion und wird die Wettbewerbsfähigkeit von BASF weiter stärken.

* Der Autor ist freier Journalist in Hamburg

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