Biogene Rest- und Rohstoffe als Schlüssel zu nachhaltiger Gasproduktion

Zur Herstellung von Synthesegasen werden in der Regel fossile Brennstoffe wie Kohle und Öl vergast – also unter geringer Sauerstoffzufuhr hohen Temperaturen ausgesetzt. Die so erzeugten Gase sind dann Eingangsstoffe für die Synthese chemischer Grundstoffe wie zum Beispiel Methanol. „Als Ausgangsmaterial können dafür auch biogene Rest- und Rohstoffe wie Ernterückstände dienen. Allerdings sind diese in ihrer Zusammensetzung deutlich heterogener als Regelbrennstoffe wie etwa Öl. Das stellt große Herausforderungen an den Prozess, um ein gleichbleibend hochwertiges Gas zu erzeugen“, sagt Prof. Dr. Christian Malek vom :metabolon Institut der TH Köln.

Schematische Darstellung der beiden Prozesse, die im Projekt in ein integriertes Gesamtsystem überführt werden sollen. (Bild: TH Köln)

Kopplung von Vergasung und Elektrolyse bringt Synergien

Bei der herkömmlichen Vergasung wird während des Verfahrens normale Umgebungsluft zugeführt. Da der darin enthaltene Stickstoff sich auch im produzierten Gas wiederfindet, muss dieses zunächst aufwendig gereinigt werden. „Wir setzen daher auf Synergien mit der Elektrolyse. Dabei wird Wasser in Wasserstoff und reinen Sauerstoff aufgespalten. Den Sauerstoff, der bei den meisten Anwendungen als Abfallprodukt in die Atmosphäre entlassen wird, nutzen wir als idealen Eingangsstoff für die Vergasung und stellen so reinere Gase her“, erläutert Prof. Dr. Peter Stenzel vom Cologne Institute for Renewable Energy der TH Köln. Durch die Beimischung von Elektrolyse-Wasserstoff kann zudem das Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoffdioxid im Synthesegas flexibel eingestellt werden, sodass dieses zur Herstellung einer großen Bandbreite chemischer Grundstoffe und Energieträger geeignet ist.

Neben der Kopplung von Elektrolyse und Vergasung stehen der Umgang mit den biogenen Rest- und Rohstoffen und die experimentelle Erforschung der nachhaltigen Gasproduktion im Mittelpunkt des Vorhabens. „Wenn wir mit Ernterückständen oder Bambus als Ausgangsmaterial arbeiten, stellt dies völlig andere Anforderungen an das Verfahren als bei den erprobten fossilen Brennstoffen. Uns stehen sehr viele Stellschrauben und Spezifikationen in der eigentlichen Produktion und den nachgeschalteten Prozessen zur Verfügung, um ein ideales Verhältnis der Gaskomponenten zu erreichen“, so Malek.

Während der Vergasung können beispielsweise Temperatur, Verweilzeit oder Sauerstoffkonzentration als relevante Faktoren verändert werden. Nach einer mehrstufigen Gasreinigung wird das Gas durch einen im Projekt zu entwickelnden Wassergas-Shift-Reaktor geleitet, in dem zusätzlicher Wasserdampf über eine chemische Reaktion die Wasserstoffkonzentration im Synthesegas erhöht. Schließlich kann auch der in der Elektrolyse erzeugte Wasserstoff selbst zugeführt werden, was eine weitere Synergie der beiden Teilprozesse darstellt.

Konzept für ein integriertes Gesamtsystem

Am Ende des Vorhabens soll der Nachweis stehen, dass mit diesem Verfahren qualitativ hochwertiges, grünes Synthesegas hergestellt werden kann. Zudem wird Prof. Dr. Christina Werner vom Institute for Business Administration and Leadership der TH Köln eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung vornehmen. Eine umfassende Nachhaltigkeitsbewertung ist ebenfalls Bestandteil der geplanten Arbeiten. Alle Komponenten werden zunächst im Labormaßstab aufgebaut und anschließend auf einen halbtechnischen Industriestandard skaliert und erprobt. „Unser Ziel ist das Konzept für ein integriertes Gesamtsystem, das interessierte Unternehmen später von unseren Industriepartnern von der Stange kaufen können. Denkbar ist etwa, dass Unternehmen damit grüne Kraftstoffe für ihren Fuhrpark herstellen“, sagt Stenzel.

Über das Projekt

Das Forschungsprojekt SYNELGAS wird von drei Instituten der TH Köln sowie den Partnern WEW GmbH, Bioenergy Concept GmbH, Brockhaus Lennetal GmbH, A.H.T. Syngas und dem Bergischen Abfallwirtschaftsverband durchgeführt. Über die Projektlaufzeit von viereinhalb Jahren fördern das Bundesministerium für Bildung und Forschung und das Land Nordrhein-Westfalen das Vorhaben im Rahmen des Programms Forschung an HAW (FH-Kooperativ) mit rund 1,4 Millionen Euro (FKZ: 13FH594KX2).