Eine kurze Geschichte des Synthesegases: vom Stadtgas zum Fischer-Tropsch-Verfahren

Synthesegas (kurz: Syngas, Abkürzung für „synthesis gas" oder „synthetic gas") hat eine Geschichte, die der Ölzeitalter um Jahrzehnte vorausgeht. In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts wurden europäische und nordamerikanische Städte mit „Stadtgas" beleuchtet und beheizt, das durch Verkohlung von Kohle gewonnen wurde. Diese Mischung aus H₂, CO und CH₄ wurde durch Eisenrohrnetze verteilt und versorgte Straßenlaternen, Haushaltsöfen und die ersten Gasmotoren. Berlin, Paris, London, Mailand: Alle hatten ihre Gaswerke mit zylindrischen Gasbehältern mit beweglichem Kuppeldach, die die Industriepanoramen der damaligen Zeit prägten.

Im 20. Jahrhundert führte das in Deutschland in den 1920er Jahren entwickelte Fischer-Tropsch-Verfahren die Synthesegassynthese (aus der Vergasung von Kohle) auf ein außerordentliches industrielles Niveau: synthetische Kraftstoffe für Flugzeuge und Militärfahrzeuge im Zweiten Weltkrieg. Heute wird dieselbe chemische Reaktion intensiv als Vektoren für die Herstellung erneuerbarer synthetischer Kraftstoffe (E-Fuels) aus grünem Wasserstoff und abgeschiedenem CO₂ erforscht.

Im BioGS-1.0 ist Synthesegas der intermediäre Energieträger, der feste Biomasse in elektrische Energie und Wärme umwandelt. Es wird nicht für die Kraftstoffherstellung synthetisiert, sondern direkt als Brennstoff für den externen Brenner des Stirlingmotors verwendet.

Synthesegas vs. Biogas: zwei Gase, zwei Prozesse, zwei Nutzungen

Die Begriffe „Synthesegas" und „Biogas" werden häufig verwechselt, beschreiben aber grundlegend verschiedene Produkte und Prozesse:

  • Biogas: Wird durch anaerobe Vergärung organischer Biomassen (Tierfäkalien, Bioabfall, Klärschlamm) erzeugt. Es ist eine Mischung aus CH₄ (50-70 %) und CO₂ (30-50 %), mit Spuren von H₂S. Der Prozess ist biologisch, bei niedriger Temperatur (35-55 °C) und dauert Wochen. Biogas enthält wenig Energie pro Nm³ im Vergleich zu Erdgas.
  • Synthesegas: Wird durch thermochemische Vergasung trockener Biomasse erzeugt. Es ist eine Mischung aus CO, H₂, CH₄ und N₂ mit einem unteren Heizwert von 4-6 MJ/Nm³. Der Prozess ist thermochemisch, bei hoher Temperatur (700-900 °C) und dauert nur Sekunden. Es enthält keine bedeutenden Mengen an CO₂ (diese werden in der Reduktionszone in CO umgewandelt).

Synthesegas brennt mit einer heißen und stabilen Flamme, die geeignet ist, Industriebrenner und Gasmotoren zu betreiben. Biogas erfordert aufgrund seiner verdünnteren Zusammensetzung in der Regel ein Upgrading (CO₂-Entfernung), um die Qualität von Biomethan für die Einspeisung ins Netz zu erreichen.

Zusammensetzung des vom BioGS-1.0 erzeugten Synthesegases

Die Zusammensetzung des Synthesegases am Ausgang des BioGS-1.0-Vergasers, gemessen mit kontinuierlicher Infrarotspektroskopie, schwankt in einem typischen Bereich (trocken, nach Filtration):

  • CO (Kohlenmonoxid): 15-19 Vol.-% - Hauptenergieträger, erzeugt in den Reduktionsreaktionen
  • H₂ (Wasserstoff): 13-16 Vol.-% - hoher Heizwert (285 kJ/mol), erzeugt durch die Water-Gas-Reaktion und die Zersetzung der Hemicellulose
  • CH₄ (Methan): 4-6 Vol.-% - auch nach der Reduktionszone vorhanden, trägt zum gesamten Heizwert bei
  • CO₂ (Kohlendioxid): 14-17 Vol.-% - Produkt der Teiloxidationsreaktionen, verdünnt das Synthesegas ohne zum Heizwert beizutragen
  • N₂ (Stickstoff): Bilanz - aus der Prozessluft; ist der Hauptverdünner des Synthesegases aus Luftvergasung (im Gegensatz zur Vergasung mit reinem Sauerstoff, die Synthesegas mit höherem Heizwert erzeugt, aber wesentlich teurere Anlagen erfordert)

Der untere Heizwert (LHV) des erzeugten Trockensynthesegases beträgt typischerweise 4,5-5,5 MJ/Nm³, gegenüber 36 MJ/Nm³ bei Erdgas.

Das Teerproblem und die Downdraft-Lösung

Das Haupttechnologieproblem bei der Biomassevergasung für Mikro-KWK-Anwendungen ist nicht die Synthesegaszusammensetzung in Bezug auf CO, H₂ und CH₄, das eigentliche Problem ist der Teer: eine komplexe Mischung kondensierbarer polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (Naphthalin, Anthracen, Benzol, Phenanthren und Dutzende anderer Verbindungen), die während der Biomassepyrolyse entstehen und das Synthesegas als Hochtemperaturdämpfe begleiten.

Teer ist nicht einfach ein „Gasverunreiniger": Er ist ein Energieträger, der, wenn er nicht richtig gehandhabt wird, auf den kalten Oberflächen des Systems kondensiert und teerartige Ablagerungen bildet, die Rohrleitungen verstopfen, Metalloberflächen verschmutzen und bewegliche Teile blockieren. Das Teerproblem ist historisch gesehen die Hauptursache für das Versagen von Kleinstgassystemen, die zwar im Labor funktionieren, aber den Betriebsbedingungen einer Anlage in realer Umgebung nicht standhalten.

Die im BioGS-1.0 angewandte Lösung ist mehrschichtig:

  • Downdraft-Geometrie: Das Synthesegas durchquert die Oxidationszone (700-1000 °C), wo der Teer thermisch gecrackt wird. Die Effizienz des thermischen Teer-Crackings bei Downdraft-Geometrie reduziert die Teerkonzentration erheblich, von 50-150 g/Nm³ (Updraft) auf 0,5-5 g/Nm³.
  • Hohe Verweilzeit des Gases im Reaktor: Das Synthesegas verbleibt für einen längeren Zeitraum (mehrere Sekunden) unter Hochtemperaturbedingungen (700-1000 °C). Dies ermöglicht eine größere Wirksamkeit des thermischen Teer-Crackings sowie die vollständige Ablaufverfolgung der Reduktionsreaktionen (Boudouard: C + CO₂ → 2CO und Water-Gas: C + H₂O → CO + H₂).
  • Außenverbrennung: Auch bei gutem Cracken können kleine Teer- und Staubmengen im Synthesegas verbleiben. Durch den Einsatz des Stirlingmotors erfolgt die Verbrennung des Synthesegases kontinuierlich und außerhalb des Motors selbst, wodurch eine technologische Einschränkung in einen nützlichen Energiebeitrag umgewandelt wird. Der Brenner kann so optimiert werden, um Gase mit niedrigem Heizwert (LHV) zu handhaben, eine optimale Luft-Brennstoff-Mischung zu gewährleisten und eine stabile, kontinuierliche und gut verankerte Flamme aufrechtzuerhalten.

Synthesegas als Energieträger der Zukunft

Im breiteren Kontext der Energiewende nimmt Synthesegas aus Biomasse eine strategisch einzigartige Position ein: Es ist der einzige erneuerbare gasförmige Energieträger, der lokal produziert werden kann, ohne Wasserstoffspeicherinfrastruktur und ohne Abhängigkeit von Verteilungsnetzen. Es kann aus landwirtschaftlichen und forstwirtschaftlichen Reststoffen produziert werden, die andernfalls verrotten oder unkontrolliert verbrannt würden.

Die aktuelle Forschung in größeren Leistungsmaßstäben (1-10 MWe) untersucht die Verwendung von Synthesegas aus Biomasse für die Synthese von Methanol, Ammoniak und synthetischen Kraftstoffen (Power-to-X) über das Fischer-Tropsch-Verfahren. In diesen Maßstäben wird Synthesegas zu einem Schlüsselelement der erneuerbaren chemischen Industrie.

Das BioGS-1.0 fügt sich in dieses Szenario als das Mikro-, dezentralisierte, lokale, infrastrukturfreie Glied ein, das die Verwertung von Restbiomassen ermöglicht, die über das Territorium verteilt sind.