Energie

Bessere Methoden für schlechteres Erdöl

Die Qualität des Erdöls wird immer schlechter. Der Schwarze Peter liegt nun also bei den rund 650 Raffinerien weltweit. Sie müssen aus den minderwertigen Ausgangsprodukten hochwertige Kraftstoffe und Grundprodukte für die chemische Industrie herstellen. Forscher suchen mit ihnen nach einem Weg.

Foto: ZB / DPA

Erdöl wird knapp. Die weltweit förderbaren Erdölreserven haben sich im vergangenen Jahr erstmals nicht mehr erhöht, warnt die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe. Während früher reichlich hochwertiges Öl aus den besten Quellen sprudelte, müssen künftig auch Lagerstätten ausgebeutet werden, die den Rohstoff nur in mäßiger Qualität liefern. Sogar Ölsande und Ölschiefer werden interessant. Aber die Ölgewinnung ist ein aufwendiges Geschäft. Denn meist ist das gewonnene Rohöl mit Schwefel, Stickstoff, Sauerstoff oder den Metallen Vanadium oder Nickel verunreinigt. Gleichzeitig steigen aber aus ökologischen Gründen die Anforderungen an die Endprodukte: Von Benzin wird hohe Reinheit erwartet, und der Trend geht weltweit weg vom Diesel-Pkw hin zum Benziner.

Der Schwarze Peter liegt nun also bei den rund 650 Raffinerien weltweit. Sie müssen aus den minderwertigen Ausgangsprodukten hochwertige Kraftstoffe und Grundprodukte für die chemische Industrie herstellen. Rund vier Milliarden Tonnen Rohöl verarbeiten sie pro Jahr. Ohne innovative Katalysatoren ist das auf wirtschaftlich lohnende Weise schon heute nicht mehr zu schaffen.

Erdöl ist ein Naturprodukt, entstanden in Millionen Jahren aus Lebewesen und Algen, die auf den Meeresgrund gesunken sind. Diese Biomasse hat sich unter hohem Druck und hohen Temperaturen zu mittel- und langkettigen Kohlenwasserstoffen und im Idealfall zu Erdöl umgewandelt.

Das HDS-Verfahren

Zusammensetzung, Dichte und Güte des Erdöls variieren von Lagerstätte zu Lagerstätte. Die verschiedenen Qualitäten unterscheiden sich unter anderem durch den jeweiligen Anteil kürzerer oder längerer Kohlenwasserstoffketten und durch die verschiedenen Beimengungen. In der Raffinerie wird das Rohöl zunächst durch Destillation in verschiedene Fraktionen aufgetrennt. Ähnlich, wie beim Brennen von Schnaps der leichter flüchtige Alkohol aus der Maische destilliert wird, spaltet man auch beim Rohöl das Ausgangsprodukt in seine leichteren und schwereren Bestandteile auf. Die Destillate werden anschließend mithilfe chemischer Reaktionen veredelt. Und hier kommen nun die Katalysatoren ins Spiel.

Zur Abtrennung des unerwünschten Schwefels aus den Öl-Bestandteilen verwendet man das HDS-Verfahren (englisch: Hydrodesulfurization). Es ist der wohl am meisten verbreitete chemische Prozess. „Jede zweite Tonne Erdöl, die auf der Erde gefördert wird, durchläuft ein HDS-Verfahren“, sagt Jens Weitkamp vom Institut für Technische Chemie an der Universität Stuttgart. Beim HDS-Verfahren wird das Öl unter hohem Druck bei 300 bis 400 Grad Celsius zusammen mit Wasserstoff über den Katalysator geleitet, der aus Kobalt-Molybdänoxid auf einem Aluminiumoxid-Träger besteht. Er sorgt dafür, dass sich der Schwefel mit dem Wasserstoff verbindet. Das saubere Öl und der Schwefelwasserstoff können dann voneinander getrennt werden.

Katalysator als Multiplikator

Während aus den leichteren Ölbestandteilen Benzin oder Diesel entstehen, muss man die langen Kohlenwasserstoffketten der schwereren Fraktionen erst noch in kleinere Moleküle aufspalten. Dazu dient das „katalytische Cracken“ (englisch: Fluid Catalytic Cracking, kurz FCC). Beim FCC-Verfahren ist das Öl nur für zwei bis fünf Sekunden mit einem Zeolith-Katalysator in Kontakt. Es handelt sich dabei um Alumosilikat-Kristalle, die von regelmäßig geformten Poren von nur 0,74 Nanometer Größe durchzogen sind.

„Bisher wurden diese Zeolithe aus Alumosilikat-Gelen kristallisiert, sie hatten Poren von nur 40 bis 90 Nanometer Durchmesser“, sagt der BASF-Katalysatorspezialist Chandra Kelkar. Die winzigen Poren bergen aber die Gefahr, dass das Öl darin gefangen bleibt und bei den hohen Temperaturen zu Koks wird. Damit macht es den Katalysator unbrauchbar.

„Wir haben nun in den USA für diesen Katalysator ein neues Herstellungsverfahren auf der Basis von Kaolin, einem abbaubaren Ton, entwickelt, mit dem wir größere Poren erreichen.“ Das Kaolin ist ein preisgünstiger Rohstoff, es wird in Georgia, USA, abgebaut. Zunächst werden verschiedene Kaolinphasen im Sprühtrocknungsverfahren zu 70 Mikrometer kleinen Kügelchen getrocknet, in deren Innerem dann die gewünschte Zeolith-Form aus Aluminium- und Silizium-Ausgangsstoffen direkt wächst. „Für diese Technologie hält die BASF mehrere globale Patente“, sagt Kelkar. „Bei den riesigen Produktionsmengen ergeben auch kleine Verbesserungen des Katalysators große Effekte, denn der Katalysator wirkt als Multiplikator.“

Erdgas gewinnt an Bedeutung

Wegen der größeren Poren des Zeoliths wandern die Ausgangsmoleküle in die Mikrokugeln schneller hinein – und die Produkte ebenso schnell wieder heraus. „In den meisten Fällen haben Raffineure, die von alten Katalysatoren zu unserer Technologie wechselten, einen Anstieg um mindestens zwei Volumenprozent im Umsatz und um mindestens zwei Volumenprozent in der Benzinausbeute erzielt. Eine beträchtliche Rentabilitätssteigerung“, sagt Chandra Kelkar.

Wegen der sinkenden Ölqualität gewinnt Erdgas als Rohstoff an Bedeutung. Es besteht in der Hauptsache aus Methan und wird industriell – ebenfalls mithilfe von Katalysatoren – zu Synthesegas verarbeitet, einer Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Dieses dient anschließend als Ausgangspunkt für eine Vielzahl chemischer Verbindungen.

Ein bereits sehr lange bekanntes Verfahren ist die Fischer-Tropsch-Synthese zur großtechnischen Umwandlung von Synthesegas in flüssige Kohlenwasserstoffe. Experten aus der Katalyseforschung der BASF haben für dieses Verfahren nun einen neuen Katalysator entwickelt. Zurzeit wird er erprobt. Mitte des nächsten Jahrzehnts sollen die Tests abgeschlossen sein.

100 Dollar pro Barrel

„Der Einsatz von Synthesegas soll uns in Zukunft die Möglichkeit eröffnen, unsere Rohstoffbasis zu verbreitern“, sagt Andreas Kreimeyer, Mitglied des Vorstands der BASF und zuständig für die Forschung. „Denn Synthesegas lässt sich sowohl aus den fossilen Rohstoffen Öl, Gas und Kohle gewinnen, als auch aus nachwachsenden Rohstoffen.“ Damit kann die Weiterentwicklung der Fischer-Tropsch-Synthese eine Alternative zur Cracker-Technologie werden. Sie rentiert sich ab einem Ölpreis von etwa 100 Dollar pro Barrel. Ein Preis, der in rund sieben Jahren, wenn das verfeinerte Verfahren in großem Maßstab einsetzbar ist, wohl erreicht sein dürfte.

Ferdi Schüth vom Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim würde es allerdings lieber sehen, wenn man Methan nicht erst in Synthesegas umwandeln müsste, sondern es direkt verwenden könnte. Aber „die direkte Umwandlung von Methan in reaktionsfähigere Bausteine wird ohne größere Fortschritte in der Katalyse nicht möglich sein“, sagt er. Er empfiehlt deshalb, sich künftig die Natur zum Vorbild zu nehmen: „Das Enzym Methan-Monooxygenase ist in der Lage, Methan unter Umgebungsbedingungen zu oxidieren. Chemiker könnten versuchen, seine Wirkung durch einen Katalysator oder Molekülkomplex nachzuahmen.“ Damit hätten sie ein gutes Instrument zur direkten Verarbeitung von Erdgas in der Hand.