Die Fischer-Tropsch-Synthese ist ein chemisches Verfahren, bei dem ein Gemisch aus Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H₂), das gemeinhin als Synthesegas bezeichnet wird, in verschiedene Kohlenwasserstoffverbindungen wie flüssige Kraftstoffe und Wachse umgewandelt wird. Dieses Verfahren wurde Anfang des 20. Jahrhunderts von Franz Fischer und Hans Tropsch entwickelt und ist von großer Bedeutung für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe, insbesondere im Hinblick auf die Umwandlung erneuerbarer Energie in chemische Moleküle und die Verringerung der Treibhausgasemissionen.

Erzeugung von Synthesegas (Syngas)

Die Fischer-Tropsch-Synthese beginnt mit der Erzeugung von Synthesegas, einem Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Syngas kann durch verschiedene Methoden erzeugt werden, darunter:

Dampfreformierung: Dampf reagiert mit Erdgas oder Methan (CH₄), um Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu erzeugen. Dies ist eine gängige Methode zur Erzeugung von Synthesegas aus fossilen Brennstoffen.

Vergasung: Biomasse, Kohle oder andere kohlenstoffhaltige Materialien werden in einer kontrollierten Umgebung mit wenig Sauerstoff erhitzt, wobei ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff entsteht.

Partielle Oxidation: Durch eine kontrollierte partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen, wie Methan oder Kohle, wird Synthesegas erzeugt.

Reverse Wassergaskonvertierung (engl.: reverse water gas shift): Die Umwandlung von Kohlendioxid in Kohlenmonoxid unter zu Hilfenahme eines Überschusses an elektrochemisch erzeugtem Wasserstoff (Wasserelektrolyse).

Elektrochemische Reduktion: Elektrochemische Umwandlung von CO₂ in CO unter Abspaltung von Sauerstoff in einer der Wasserelektrolyse ähnlichem Verfahren und elektrochemisch erzeugtem Wasserstoff (Wasserelektrolyse).

Fischer-Tropsch-Synthese-Reaktion

Die Fischer-Tropsch-Reaktion wird durch Metallkatalysatoren, wie Eisen (Fe) oder Kobalt (Co), unter erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen katalysiert. Die Reaktion umfasst die folgenden Schritte:

Adsorption: Kohlenmonoxid- und Wasserstoffmoleküle werden an der Katalysatoroberfläche adsorbiert.

Oberflächenreaktionen: Die Kohlenmonoxidmoleküle werden durch Wasserstoff hydriert und bilden Kohlenwasserstoffketten (Verbindungen zwischen Kohlenstoffatomen) unter Abspaltung von Sauerstoff in Form von Wasser. Diese Kohlenwasserstoffe können von linearen und verzweigten Alkanen (vollständig mit Wasserstoff gesättigte Kohlenwasserstoffe) bis zu Verbindungen mit Doppelbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen oder auch sauerstoffhaltigen Verbindungen reichen (Alkohole und Carbonsäuren).

Die Bildung von Verbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen bezeichnet man als Kettenwachstum. Jede Verbindung zwischen Kohlenstoffen entspricht einer Polymerisation. Verzweigen die Verbindungen zwischen Kohlenstoffatomen in zwei Richtungen nennt man diesen Vorgang Isomerisierung.

Desorption: Die an der Oberfläche gebildeten Produkte Wasser und Kohlenwasserstoffketten sind zunächst noch an der Katalysatoroberfläche gebunden und werden mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit von der Oberfläche desorbiert, die von Druck und Temperatur abhängt. Diese Freisetzung der Kohlenwasserstoffe von der Oberfläche entspricht einem so genannten Kettenabbruch. Dieser Kettenabbruch wird meist durch die vollständige Dehydrierung des endständigen Kohlenstoffatoms, durch nicht vollstände Hydrierung zweier benachbarter Kohlenstoffatome unter Bildung einer Doppelbindung oder in seltenen Fällen durch Einbau eines oder von zwei Sauerstoffatomen unter Bildung eines Alkohols oder einer Carbonsäure hervorgerufen.

Das Produktspektrum: Die entstehenden Kohlenwasserstoffe können bei Raumtemperatur in Form von Gasen, Flüssigkeiten und festen Wachsen vorliegen, je nach Katalysator und Reaktionsbedingungen.

Produktanwendungen

Die aus der Fischer-Tropsch-Synthese gewonnenen Produkte haben verschiedene Verwendungsmöglichkeiten, darunter:

Flüssige Brennstoffe: Mit dem Verfahren können synthetische Flüssigkraftstoffe hergestellt werden, die als Alternative zu herkömmlichen Kraftstoffen auf Erdölbasis verwendet werden können. Zu diesen Kraftstoffen gehören synthetischer Diesel, Turbinentreibstoff (Kerosin) und Benzin.

Wachse und Schmiermittel: Mit dem Verfahren können auch Wachse gewonnen werden, die in Kerzen, Beschichtungen und Schmiermitteln Verwendung finden.

Chemische Ausgangsstoffe: Einige der Kohlenwasserstoffprodukte können als Ausgangsmaterial für die chemische Industrie dienen und die Herstellung verschiedener Chemikalien und Polymere ermöglichen.

Die Fischer-Tropsch-Synthese ist eine vielversprechende Technologie zur Herstellung synthetischer Kraftstoffe mit geringeren bis keinen Kohlendioxidemissionen. Dies hängt stark vom eingesetzten Weg zur Herstellung des Synthesegases ab. Werden CO₂ aus Biomasse oder aus der Luft entnommen und ist die geschieht die Herstellung von Wasserstoff mittels erneuerbarer Energie, ist der CO₂-Kreislauf geschlossen und es entsteht kein zusätzliches Treibhausgas durch die Verbrennung der Produkte. Wirtschaftliche und Effizienz-Erwägungen beeinträchtigen nach wie vor ihre breite Anwendung durch die Konkurrenz mit günstigen fossilen Kraftstoffen.