Technologies that do more with less

Technologien, die aus weniger mehr machen

Kostengünstiger wirtschaften, Energie sparen und gleichzeitig Kohlendioxid recyceln. Ein schwieriger Spagat, den Linde in Zusammenarbeit mit der BASF jetzt für die Dampfreformierung gemeistert hat.

• Um die Dampfreformierung (Steam Reforming) energieeffizienter und wirtschaftlicher zu machen, hat Linde in Zusammenarbeit mit BASF die DRYREF™-Technologie entwickelt.
• Die DRYREF-Technologie nutzt den neu entwickelten BASF-Katalysator SYNSPIRE™ G1-110, mit dem im Prozess weniger Wasserdampf benötigt wird.
• Gleichzeitig lässt sich mit der neuen Technologie Kohlendioxid verwerten und so die Kohlenstoffbilanz einer Anlage verbessern.

 Ein innovativer Katalysator kombiniert mit einer ausgeklügelten Verfahrenstechnik revolutionieren die industriell so wichtige Synthesegasherstellung: Mit der Marktreife von DRYREF™, ein optimierter Prozess für Synthesegasanlagen, sparen Anlagenkunden aber nicht nur Wasserdampf.

Für die Chemieindustrie ist Synthesegas ein essenzieller Rohstoff. Mit den darin enthaltenen Gasen Wasserstoff (H2) und Kohlenstoffmonoxid (CO) lassen sich wichtige Grundchemikalien wie Methanol, Essigsäure oder Ethylenglykol (MEG) sowie Diesel, Benzin und andere Treibstoffe synthetisch herstellen. Synthesegas wird vor allem über die sogenannte Dampfreformierung produziert – auch Steam Reforming genannt. Der konventionelle Prozess benötigt allerdings große Mengen Wasserdampf. „Dieser wird zwar teilweise gemeinsam mit dem eingesetzten Erdgas und mithilfe eines Katalysators in H2 und CO umgewandelt, jedoch schlägt sich der überschüssige Wasserdampf in der Energiebilanz einer Steam Reforming-Anlage deutlich nieder“, erklärt Thomas Bartesch, Prozessingenieur für Wasserstoff und Synthesegas-Anlagen bei Linde Engineering. „Deswegen haben wir nach Ansatzpunkten gesucht, um das Verhältnis von Wasserdampf zu Kohlenstoff verringern zu können. Wir wollten erreichen, dass weniger Dampf notwendig ist, um ein CO-haltiges Synthesegas zu gewinnen.“ Denn für die Produktion von zum Beispiel Essigsäure ist ein höherer CO-Anteil nötig.

Neuer Katalysator verbessert Dampfreformierung

Den Wasserdampf zu reduzieren, war allerdings kein einfaches Unterfangen. Der Grund: Die bislang eingesetzten Katalysatoren vertragen diese Anpassung nicht. Auf ihren Oberflächen bilden sich Kohlenstoffablagerungen, die schließlich die Schlüsselreaktion blockieren, sprich die Umsetzung von Erdgas und Wasserdampf zu Synthesegas. Um dieses Problem zu lösen und die Dampfreformierung auch insgesamt zu verbessern und effizienter zu machen, schlossen sich die Anlagenbau-Spezialisten von Linde Engineering mit den Katalysator-Experten des Chemiekonzerns BASF zusammen. Ebenfalls beteiligten sich renommierte akademische Partner wie das Karlsruher Institut für Technologie, die Technische Universität München, die Universität Leipzig und das DECHEMA Forschungsinstitut.

„Basierend auf BASFs starker Expertise in der Katalyse-Forschung und den herausragenden Screening-Kompetenzen von BASFs Tochtergesellschaft hte® konnten wir einen innovativen Katalysator genau für diesen Zweck entwickeln“, erklärt Virginie Lanver, Projektmanagerin bei BASF für die Entwicklung neuer Prozesskatalysatoren. Dieser basiert wie die bisherigen konventionellen Katalysatoren auf Nickel. „Allerdings haben wir die Kristallstruktur und die genaue Zusammensetzung des Katalysators so optimiert, dass die Rußbildung an den Oberflächen bei trockeneren Bedingungen durch eine Art Selbstheilungsprozess unterdrückt wird“, sagt Lanver. „Dies ermöglicht, dass der Katalysator auch bei niedrigen Verhältnissen von Wasserdampf zu Kohlenstoff aktiv bleibt.“

Dank des verbesserten Katalysators konnten wir die Prozessauslegung optimieren, die Energieeffizienz erhöhen und die Betriebskosten reduzieren.

Weniger investieren – und gewinnen

„Der verbesserte Katalysator ist das Herzstück der Dampfreformierung“, fügt Linde-Prozessingenieur Bartesch hinzu. „Basierend auf diesem erfolgreichen Schritt konnten wir wiederum die Prozessauslegung optimieren – und so die Energieeffizienz erhöhen und Betriebskosten reduzieren.“ Das Ergebnis dieser Arbeiten ist die DRYREF™-Technologie. Der von BASF entwickelte Katalysator namens SYNSPIRE™ G1-110 wurde ausführlich getestet, erst im Labor und Miniplant-Maßstab, später in Linde´s Pilot Reformer und in einer kommerziellen Anlage. Im Labor ließ sich das molare Verhältnis von Dampf zu Kohlenstoff dank des neuen Katalysators bis auf einen Wert von 0,9 senken – und die Oberfläche blieb kohlenstofffrei. Zum Vergleich: Bei der konventionellen Dampfreformierung liegt das Minimum typischerweise im Bereich von 2,0 bis 2,5. 

Lindes Synthesegasanlage DRYREF benötigt nicht nur weniger Dampf, sondern kann noch mit weiteren wirtschaftlichen Vorteilen punkten: Anlagenkomponenten wie die enthaltene CO2-Wäsche oder der CO2-Recycleverdichter lassen sich deutlich verkleinern. Das verringert die Investitionskosten bei Neuanlagen. Bei bereits bestehenden Anlagen lässt sich zum Beispiel Prozessdampf teilweise einsparen und mehr Dampf exportieren und das schlägt sich in geringeren Betriebskosten nieder. Beispielsweise hat Linde Engineering berechnet, dass sich für eine neu gebaute Synthesegas-Anlage, die stündlich 50.000 Normkubikmeter produziert, in den ersten fünf Betriebsjahren eine Ersparnis von bis zu zwölf Millionen Dollar ergibt. Dazu verglichen die Ingenieure eine konventionelle Anlage mit einer DRYREF-Anlage.

Kohlendioxid recyceln, Kosten sparen

„Gleichzeitig hilft uns der geringere Anteil an Wasserdampf auch anteilig mehr CO im Synthesegas zu erzeugen – und so das vom Kunden gewünschte Gaseverhältnis einzustellen“, sagt Bartesch. Bei diesem Verfahrensschritt kommt ein weiterer Vorteil der DRYREF-Technologie zum Tragen: Die CO2-Emissionen lassen sich dank der höheren Energieeffizienz des Prozesses senken. Weiterhin lässt sich Kohlendioxid wiederverwerten. „Dadurch haben wir eine sekundäre Option, die Kohlenstoffbilanz zu verringern“, sagt der Linde-Experte. „Es ist sogar möglich, CO2 aus anderen Prozessen für DRYREF zu nutzen“, fügt Bartesch hinzu. Berücksichtigt man diesen sogenannten CO2-Import, so sind die Kostenvorteile von DRYREF gegenüber konventionellen Verfahren sogar noch ausgeprägter. Für das oben erwähnte Beispiel einer 50.000 Normkubikmeter pro Stunde Synthesegasanlage bedeutet dies: In den ersten fünf Betriebsjahren sparen DRYREF-Anlagen sogar bis zu zwanzig Millionen Dollar an Betriebskosten – verglichen mit einer konventionellen Anlage. 


The DRYREF technology is tested at the Linde Pilot Reformer in Pullach, Germany.
Mit dem Linde Pilot Reformer in Pullach, Deutschland, testet das Unternehmen die DRYREF™-Technologie.

Mit Synergien zu Innovationen

„Für uns ist die Kooperation mit Linde Engineering das perfekte Beispiel, um zu zeigen, wie zwei Unternehmen Innovationen vorantreiben“, sagt BASF-Expertin Lanver. „Wir haben ambitionierte Unternehmensziele, um unsere CO2-Emissionen und die unserer Kunden zu reduzieren. Linde nimmt dieses Thema ebenso ernst und hat mit seinen Prozessinnovationen unseren neu entwickelten SYNSPIRE-Katalysator erfolgreich in die DRYREF-Technologie integriert.“  Dazu trug im Wesentlichen auch der sogenannte Linde Pilot Reformer bei – eine große Pilotanlage, mit der die Anlagenspezialisten am deutschen Standort in Pullach neue Prozesstechnologien unter realen Bedingungen testen können. Anschließend demonstrierten die Ingenieure an einer industriellen Synthesegas-Anlage, dass die DRYREF-Technologie marktreif ist. „Vor allem für Neuanlagen ist dieser Prozess aufgrund seiner geringeren Investitions- und Betriebskosten sehr attraktiv“, sagt Bartesch. „Aber wir entwickeln auch gemeinsam mit unseren Kunden maßgeschneiderte Lösungen – beispielsweise für Revamps, also Modernisierungen von Anlagen.“ Alles mit dem Ziel: Weniger einsetzen, mehr erreichen.

Meilensteine von der Forschung bis zur Marktreife

  • Phase 1 (2010-2014): Katalysator-Screening

    Das Katalysatorkonzept und den Prozessablauf der DRYREF™-Anlage erarbeiteten Linde und BASF im Rahmen eines staatlich geförderten Projekts in Zusammenarbeit mit akademischen Partnern – dem Karlsruher Institut für Technologie, der Technischen Universität München, die Universität Leipzig und dem DECHEMA Forschungsinstitut. Das umfangreiche Katalysator-Screening übernahm die BASF-Tochtergesellschaft hte® in einer hocheffizienten und durchsatzstarken Versuchsanlage. Das Ergebnis war der Katalysator SYNSPIRE™ G1-110.

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  • Phase 2 (2014-2016): Katalysator-Entwicklung und Labortests

    Die BASF-Experten skalierten die Produktion des Katalysators SYNSPIRE™ G1-110 von wenigen Gramm auf einige hundert Kilogramm hoch. Nach umfangeichen Leistungstests im Labor und in kleinen Anlagen konnten Linde und BASF bestätigen, dass der Katalysator eine einzigartige Beständigkeit gegenüber Kohlenstoff aufweist – bei einem geringen Dampf-/Kohlenstoff-Verhältnis.

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  • Phase 3 (2016-2017): Pilotversuche

    Linde installierte am deutschen Standort in Pullach den Linde Pilot Reformer. Damit konnten die Ingenieure die neuen Prozesstechnologien unter realen Bedingungen testen. Ausgestattet mit komplexer Messtechnik ließ sich nicht nur die Katalysatorleistung der großtechnisch hergestellten SYNSPIRE G1-110 Katalysatorpellets analysieren. Auch die optimierten DRYREF-Prozessparameter wurden hier im Detail getestet. Dieser Schritt beschleunigte die Katalysatorentwicklung vom Labor in den industriellen Maßstab.

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  • Phase 4 (2017-2018): Kommerzialisierung

    An einer großtechnischen Synthesegas-Anlage mit maximaler Produktauslastung demonstrierte Linde die Marktreife der DRYREF™-Technologie.

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