Ethylen aus Erdgas

Wir leben in einer Kunststoffwelt. Buntes Plastik begleitet uns auf Schritt und Tritt: in Schuhsohlen, Computern, Einkaufstüten oder Zahnbürsten. In knapp hundert Jahren legten die künstlichen Polymere eine steile Karriere hin – zum meistgenutzten Werkstoff unserer Zeit. Ein Multitalent ist Polyethylen, kurz PE. Die Anwendungen reichen von flexiblen Folien und Lebensmittelverpackungen über Innen- und Außenkomponenten für Autos, Kinderspielzeug bis hin zu Rohren und Kabeln. Polyethylen setzt sich aus unzähligen, miteinander verknüpften Ethylenmolekülen zusammen. Die Verbindung aus zwei Kohlenstoff- und vier Wasserstoffatomen zählt zu den wichtigsten chemischen Bausteinen: Der jährliche Ethylen-Verbrauch liegt bei etwa 180 Millionen Tonnen – und die Nachfrage wächst mit drei bis vier Prozent pro Jahr stetig weiter.

Höchste Wertschöpfung: oxidative Kopplung von Methan (OCM); Pilotanlage in La Porte, USA

Für die nachgelagerte petrochemische Industrie ist Ethylen einer der wichtigsten Bausteine. Sein Bedarf wächst jährlich um drei bis vier Prozent. So werden beispielsweise Kunststoffe wie Polyethylen durch Polymerisation von Ethylen hergestellt. Die vorwiegende Verfahrensroute für die Ethylenproduktion ist das Steamcracken von Kohlenwasserstoffen (C₂+). Methan (C₁) als billiger, alternativer Rohstoff, der reichlich durch konventionelle oder unkonventionelle Gasressourcen zur Verfügung steht, kann jedoch nicht durch Steamcracken umgewandelt werden.

Um Ethylen aus Methan herzustellen, ist ein integrierter, mehrstufiger Prozess notwendig – bestehend aus Synthesegaserzeugung, Methanolproduktion und MTO (= Methanol-To-Olefine, d.h. Ethylen und Propylen). Dieser Weg wurde aufgrund des hohen Investitionsbedarfs und der damit verbundenen schlechten Projektökonomie bisher nicht erfolgt. Das US-amerikanische Startup-Unternehmen Siluria
Technologies fand einen geeigneten Katalysator und entwickelte gemeinsam mit Linde Engineering einen wirtschaftlichen Prozess, der sich "Gemini" nennt und auch großtechnisch umsetzen lässt. Der Gemini Prozess basiert auf der Oxidativen Kopplung von Methan (OCM), einer katalysatorvermittelten Reaktion, die Methan in der Gegenwart von Sauerstoff zu Ethylen umwandelt.

In einem ersten Reaktionsschritt müssen dazu Methan und Sauerstoff gleichmäßig zum OCM-Katalysator geleitet werden. Dort bilden sich neben dem gewünschten Ethylen auch geringe Mengen Ethan. Letzteres lässt sich in einem zweiten Reaktionsabschnitt ebenfalls in Ethylen umwandeln. Aber auch „frisches“ Ethan und Propan können zusätzlich eingebracht und zu Ethylen umgesetzt werden. Die dafür notwendige Energie stammt aus der freigewordenen Hitze des ersten Reaktionsschritts. Gerade für Regionen, die Zugang zu günstigem Erdgas oder Erdgaskondensaten wie Ethan und/oder Propan haben, bietet die OCM-Technologie eine attraktive Option

Mit seiner langjährigen Erfahrung im Bereich der Ethylengewinnung hat Linde Engineering gemeinsam mit Siluria Technologies den neuen Prozess nun für kommerzielle, großtechnische Anwendungen etabliert. Die beiden Unternehmen haben sich mit ihrem Know-how optimal ergänzt: Während das Startup-Unternehmen den neuartigen OCM-Katalysator und den zugehörigen Reaktionsteil entwickelte, kümmerte sich Linde um die Integration dieser Reaktionseinheit in ein wirtschaftlich realisierbares Anlagenkonzept inklusive der notwendigen Produktzerlegung und -aufbereitung. „Die erforderliche Mischung der Kohlenwasserstoffe mit Sauerstoff sowie die Reaktionstemperatur von bis zu 900 Grad Celsius sind sowohl für den OCM-Katalysator als auch für die Reaktoreinheit eine große Herausforderung“, erklärt Florian Penner, Head of Product Management bei Linde. „Aber Silurias Demonstrationsanlage in La Porte, Texas, die seit der Inbetriebnahme im Jahr 2014 jährlich etwa 400 Tonnen Ethen produzierte, hat gezeigt: Der Prozess funktioniert hervorragend und stabil.“ Die kommerzielle Reife erreichte die neue Technologie bereits zum Jahresende 2016. Jetzt wollen die Experten von Linde Engineering die Projektmöglichkeiten mit Zielkunden ausbauen.

Das Ergebnis des gemeinsamen Entwicklungsprojekts von Linde und Siluria ist eine neuartige Prozessanwendung, die die effiziente Ethylen-Produktion aus Erdgas für die Polymerisierung zu PE ermöglicht. Das Anlagendesign lässt sich zudem flexibel gestalten und bietet ein Kapazitätsspektrum von 30 bis 1.000 Kilotonnen Ethylen pro Jahr. Der gesamte OCM-Prozess ist so ausgelegt, dass für den Kunden die höchstmögliche Wertschöpfung erreicht wird.

Linde hat die OCM-Reaktion bereits erfolgreich in großtechnische Anwendungen integriert – beispielsweise zur Auftrennung und Reinigung von Produkten. Die neue Technologie bildet damit den Startpunkt für die petrochemische Prozesskette und erstreckt sich von der Nutzung kleinerer Erdgasmengen in der erdgasverarbeitenden Industrie bis hin zur Ethylenerzeugung in großem Maßstab für die Polymerindustrie. „Zudem benötigt der Prozess nennenswerte Mengen Sauerstoff. Und bietet für die Linde-Produktlinie, die sich um Luftzerleger kümmert, oder die Kollegen von Linde Gas interessante Anknüpfungsmöglichkeiten“, erläutert Ernst Haidegger, Head of Technology & Operations von Linde Petrochemical Plants die Optionen für zukünftige Projekte.