Synthesegas ist ein bedeutsames Gasgemisch, das hauptsächlich aus Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H₂) besteht und, wie der Name sagt, für Synthesen genutzt wird. Es wird klassisch durch verschiedene Verfahren hergestellt, bei denen kohlenstoffhaltige Ausgangsstoffe wie fossile Brennstoffe, Biomasse oder Abfallstoffe in ein Gasgemisch umgewandelt werden. Im Zusammenhang mit Power-to-Liquid bzw. zur Herstellung von E-Fuels wird Synthesegas aus H₂ und CO₂ erzeugt. Synthesegas eines der bedeutendsten gasförmigen Zwischenprodukte. Es hat ein breites Anwendungsspektrum, das von der chemischen Synthese bis zur Energieerzeugung reicht.

Zusammensetzung und Eigenschaften von Synthesegas

Die Zusammensetzung von Synthesegas kann je nach Ausgangsstoff und spezifischem Produktionsverfahren variieren, besteht aber im Allgemeinen aus den folgenden Hauptbestandteilen:

Kohlenmonoxid (CO): Ein farb- und geruchloses Gas, das ein Kohlenstoffatom und ein Sauerstoffatom enthält. CO ist ein wichtiger Baustein für viele chemische Prozesse.

Wasserstoff (H₂): Ein farbloses, geruchloses Gas, das aus zwei Wasserstoffatomen besteht. Wasserstoff ist ein sauberer Energieträger und wird in verschiedenen industriellen Anwendungen eingesetzt.

Kohlendioxid (CO₂): Ein Gas, das aus einem Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatomen besteht. CO₂ ist ein Treibhausgas und kann sowohl ein nützlicher Bestandteil als auch eine unerwünschte Verunreinigung in Synthesegas sein.

Methan (CH₄): Ein Kohlenwasserstoffgas, das aus einem Kohlenstoffatom und vier Wasserstoffatomen besteht. Methan kann in Synthesegas enthalten sein, wenn Ausgangsstoffe wie Erdgas verwendet werden.

Stickstoff (N₂): Ein inertes Gas, das aufgrund seines hohen Vorkommens in der Atmosphäre häufig in Synthesegas enthalten ist.

Spurenverunreinigungen: Je nach Ausgangsstoff und Produktionsverfahren können auch Spurenverunreinigungen wie Schwefelverbindungen und Partikel im Synthesegas enthalten sein.

Herstellung von Synthesegas

Bei der Herstellung von Synthesegas kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz, die jeweils auf das verwendete Rohmaterial zugeschnitten sind:

Dampfreformierung: Bei diesem Verfahren reagieren Kohlenwasserstoffe wie Propan, Butan, Ethan oder Methan (Bestandteile von Erdgas) bei hohen Temperaturen in Gegenwart eines Katalysators mit Wasserdampf (H₂O) und erzeugen Synthesegas. Bei der Reaktion werden Wasserstoff und Kohlenmonoxid freigesetzt, wobei CO₂ als Nebenprodukt entsteht. Nachteilig ist der hohe Wärmebedarf bei hoher Temperatur, die durch Verbrennung eines Teilstroms der Einsatzstoffe oder anderer Brennstoffe aufgebracht werden muss.

Partielle Oxidation: Bei der partiellen Oxidation wird ein Kohlenwasserstoff-Einsatzmaterial mit einer begrenzten (unterstöchiometrischen) Menge Sauerstoff oder Luft zur Reaktion gebracht. Bei der Reaktion entsteht ein Gemisch aus CO und H₂ sowie CO₂ und Wasserdampf. Diese Reaktion ist im Gegensatz zur Dampfreformierung exotherm, es wird also Wärmeenergie freigesetzt und ist daher energetisch nicht optimal.

Autothermes Reformieren: Die autotherme Reformierung ist eine Kombination aus Dampfreformierung und partieller Oxidation und läuft wärmetechnisch annähernd neutral ab. Die Reaktionen können im selben Reaktionsraum oder auch in getrennten aber thermisch miteinander verbundenen Reaktionsräumen kombiniert werden.

Biomasse-Vergasung: Biomasse wie Holz, landwirtschaftliche Rückstände und organische Abfälle können durch Vergasung in Synthesegas umgewandelt werden. Bei diesem Verfahren wird die Biomasse in einer kontrollierten Umgebung mit begrenztem Sauerstoffgehalt und/oder Dampf erhitzt, was zur Erzeugung von Synthesegas und festen Rückständen (Schlacke) führt.

Kohlevergasung: Ähnlich wie bei der Biomassevergasung kann auch Kohle durch Vergasung in Synthesegas umgewandelt werden. Die Kohlevergasung wird häufig für industrielle Anwendungen genutzt. 

reverse Wassergaskonvertierung (reverse water gas shift, kurz: rWGS): für Power-to-Liquid Verfahren bzw. E-Fuels kann Synthesegas über den rWGS-Schritt aus Wasserstoff und Kohlendioxid hergestellt werden. Es entsteht das wichtige Molekül Kohlenmonoxid und als Nebenprodukt Wasserdampf. Wird ein Überangebot and Wasserstoff zugegeben, sind alle wichtigen Komponenten für ein Synthesegas enthalten. Die rWGS-Reaktion bedarf einer Energiequelle, denn die Reaktion ist endotherm. Die Wärme kann elektrisch zugeführt werden, z.B. in einem chemischen Reaktor oder, partiell elektrochemisch, in einer Festoxid-Elektrolysezelle (Co-Elektrolyse).

Anwendungen von Synthesegas

Synthesegas ist ein vielseitiges Zwischenprodukt mit einer breiten Palette von Anwendungen:

Chemische Synthese: Synthesegas dient als Baustein für die Herstellung verschiedener Chemikalien, darunter Ammoniak, Methanol, synthetische Kraftstoffe, Kunststoffe und mehr. Es liefert die notwendigen Kohlenstoff- und Wasserstoffatome für die Herstellung komplexer Moleküle.

Kraftstoffherstellung: Synthesegas kann durch Verfahren wie die Fischer-Tropsch-Synthese in synthetische Kraftstoffe wie synthetisches Benzin, Diesel und Flugzeugtreibstoffe umgewandelt werden.

Stromerzeugung: Synthesegas kann in Gasturbinen und Verbrennungsmotoren verbrannt oder in Kombikraftwerken zur Stromerzeugung verwendet werden.

Wasserstofferzeugung: Synthesegas ist ein Vorprodukt für die Wasserstofferzeugung. Der Wasserstoffgehalt kann durch Verfahren wie die Wasser-Gas-Shift-Reaktion erhöht werden (Verbrauch von CO mit Wasserdampf zugunsten Wasserstoff) oder durch Membrantrennung oder Druckwechseladsorption von den restlichen Bestandteilen im Synthesegas abgetrennt werden.

Umweltanwendungen: Synthesegas kann zur Sanierung von Abfallstoffen oder kontaminierten Böden durch Verfahren wie thermische Desorption oder chemische Reduktion in situ eingesetzt werden.

Synthesegas spielt eine entscheidende Rolle beim Übergang zu einem nachhaltigeren und kohlenstoffarmen Energiesystem. Es dient als Brücke zwischen herkömmlichen fossilen Brennstoffen und erneuerbaren Energiequellen und ermöglicht die Produktion von sauberen Kraftstoffen, Chemikalien und Wasserstoff. Außerdem können auf Synthesegas basierende Prozesse die Integration erneuerbarer Energien erleichtern, indem sie überschüssige Energie in eine speicherbare Form umwandeln.

Synthesegas ist ein bedeutsames Gasgemisch, das hauptsächlich aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht. Es wird in verschiedenen Verfahren hergestellt und dient als wichtiges Zwischenprodukt bei der chemischen Synthese, der Kraftstoffherstellung, der Stromerzeugung und bei Umweltanwendungen.