Kohleverflüssigung

In den Jahren 1910 bis 1925 entwickelte Friedrich Bergius ein Hochdruckverfahren, welches anschließend durch Matthias Pier modifiziert wurde: das erste großtechnische Verfahren zur Kohleverflüssigung. Hierbei handelt es sich um eine direkte Hydrierung, die in zwei Phasen durchgeführt wird. In der ersten, der sogenannten Sumpfphase wird ein Brei aus entwässerter, gemahlener und mit Schmieröl vermischter Kohle bei Anwesenheit pulverisierter metallischer Katalysatoren bei Drücken von 200 bar und Temperaturen von etwa 450 °C in Schwer- und Mittelöle verflüssigt. In der zweiten, der Gasphase, erfolgt die Hydrierung der in der Sumpfphase gewonnenen Öle mit Hilfe von nunmehr festangeordneten Katalysatoren bei vergleichbaren Druck- und Temperaturverhältnissen wie in der Sumpfphase.[6]

Das Bergius-Pier-Verfahren wurde ursprünglich für die mitteldeutsche Braunkohle entwickelt und erst später auch auf die Steinkohlehydrierung übertragen.[6] Die erste Anlage im industriellen Maßstab ging 1927 in den Leunawerken mit einer Produktionskapazität von 100.000 Jahrestonnen sogenannten Leuna-Benzins an den Start.[7] Bis 1944 entstanden im deutschen Einflussbereich insgesamt 14 Hydrierwerke, die nach dem Verfahren von Bergius-Pier arbeiteten.[8] Das größte betrieb die Hydrierwerke Pölitz AG in der Nähe von Stettin mit einem Durchsatz von jährlich 700.000 Tonnen Mineralölprodukten.[9]

Während nach dem Zweiten Weltkrieg in Westdeutschland die Kohlehydrierung industriell keine Anwendung mehr fand, wurden in der SBZ und späteren DDR große Anstrengungen unternommen, trotz umfangreicher Zerstörungen und zu leistender Reparationslieferungen die Produktion möglichst schnell wieder aufzunehmen.[10] Die Anlagen in Mitteldeutschland gingen alle wieder in Betrieb, das letzte stillgelegte Werk war 1990 das Hydrierwerk Zeitz.[11][12]

Moderne Weiterentwicklungen des Bergius-Pier-Verfahrens sind das Consol-Verfahren, der Consol Energy Inc.[13] sowie das H-Coal-Verfahren des Hydrocarbon Research Institute der University of Southern California.[14] Diese Technologien wurden zwar in industriellen Demonstrationsanlagen getestet, konnten sich jedoch auf dem weltweiten Markt bisher nicht durchsetzen. Die einzig kommerziell erfolgreiche CtL-Anlage zur direkten Verflüssigung betreibt gegenwärtig China Shenhua Energy mit einer Produktionskapazität seit 2010 von jährlich 1,1 Millionen Tonnen (entspricht 6,9 Millionen Barrel) in der Inneren Mongolei.[15][16]

Im Jahr 1925 entdeckten Franz Fischer, damals Direktor am Kaiser-Wilhelm-Institut für Kohlenforschung, und sein Mitarbeiter Hans Tropsch eine Reaktion, die zu den wichtigsten im Bereich der heterogenen Katalyse zählt und deren wissenschaftliche, ökonomische und soziale Bedeutung noch heute sichtbar ist. In der Fischer-Tropsch-Synthese wird Synthesegas – eine Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, die sich neben Kohle aus praktisch allen kohlenstoffreichen Rohstoffen gewinnen lässt – in eine breite Produktspanne von linearen Kohlenwasserstoffen umgesetzt. Hierbei führt eine Oberflächenpolymerisierung auf Metallen, beispielsweise Kobalt, zu einer Produktverteilung, die von gasförmigen Alkanen bis zu Wachsen reicht.[17]

Die Fischer-Tropsch-Synthese ist ein etabliertes, bereits in sehr großem Maßstab industriell eingesetztes Verfahren. Ausgehend von Kohlegas fand der Prozess ab dem Jahr 1936 industrielle Anwendung bei der Ruhrchemie AG in Oberhausen. Insgesamt entstanden bis 1943 in Deutschland neun Werke, die mit der Fischer-Tropsch-Technologie der Ruhrchemie arbeiteten. Das größte betrieb die Braunkohle-Benzin AG in Schwarzheide mit einem angestrebten Durchsatz von jährlich 180.000 Tonnen synthetischer Kraftstoffe.[18] Dieses Synthesewerk produzierte auch nach dem Zweiten Weltkrieg in großem Umfang auf Basis der Fischer-Tropsch-Technologie bis zum Jahr 1972 weiter.[19]

In anderen Ländern gelangte die indirekte Kohleverflüssigung nach 1945 gleichfalls an Bedeutung. Hervorzuheben sind Südafrika und die USA.[20] Heutzutage steht die indirekte Kohleverflüssigung im Mittelpunkt des internationalen Interesses an CtL. Es existieren mehrere große Marktteilnehmer mit Kenntnissen im Bau von Fischer-Tropsch-Anlagen, insbesondere Sasol, Shell und China Shenhua Energy.[21] Die gegenwärtig weltweit größte CtL-Anlage auf Grundlage der Fischer-Tropsch-Synthese wird von Sasol in Secunda (Südafrika) mit einer Jahreskapazität von 8,8 Millionen Tonnen flüssiger Kraftstoffe betrieben.[22]

Der Prozess ist eine Variation des Bergius-Pier-Verfahrens.[23] Bei der Kohleextraktion nach Alfred Pott und Hans Broche werden trockenes Stein- oder Braunkohlegranulat mit Tetralin, Naphthalin und sauren Ölen (Kresole, Phenole) angeteigt, anschließend im Autoklaven bei 370 bis 430 °C und einem Druck von etwa 100 bar zu einem glänzenden, pechähnlichen Extrakt umgesetzt und anschließend hydriert.[24]

Das Verfahren entwickelten die beiden Chemiker im Jahr 1927 in Mülheim an der Ruhr. Ende 1937 ging in Welheim bei Bottrop ein Steinkohle-Hydrierwerk im Bergius-Pier-Verfahren in Produktion, dem ab 1938 eine großtechnische Pott-Broche-Anlage vorgeschaltet war.[25] Mit einem angestrebten Durchsatz von jährlich 26.000 Tonnen blieb die Anlage bis zu ihrer Zerstörung durch alliierte Luftangriffe im Jahr 1944 in Betrieb.[26]

Auf Basis des Pott-Broche-Prozesses wurden in den USA der 1970er und 1980er Jahre das SRC-Verfahren (Solvent Refined Coal) und das EDS-Verfahren (Exxon-Donor-Solvent) entwickelt, wofür das Energieministerium der Vereinigten Staaten unter anderem in Baytown (Texas), Wilsonville (Alabama) und Fort Lewis (Washington) den Bau riesiger Versuchsanlagen für die Verflüssigung sowohl von Steinkohle als auch Braunkohle finanzierte.[27]

Gegenwärtig ist die Kohleextraktion nach Pott-Broche für die chemische Industrie nur von geringer wirtschaftlicher Bedeutung. Grundlagenforschung findet jedoch unverändert statt, beispielsweise in Deutschland an der TU Bergakademie Freiberg, wo die neueste Forschung die Reaktivextraktion von Braunkohle unter anderem mit Ethanol umfasst.[28]