Von allen relevanten Produktionsprozessen der Grundstoffchemie ist das „Steam-Cracken“ (Dampf-Spaltung) das wichtigste petrochemische Herstellungsverfahren, um Grundchemikalien wie Ethylen, Propylen, Butadien und Benzol herzustellen. Dabei emittieren Steam-Cracker ca. 0,76 Tonnen CO₂ je Tonne Produkt. Alternative, effizientere Prozesse zur Ethylenherstellung können daher ein großes CO₂-Einsparpotential eröffnen. Ein solcher Prozess ist die oxidative Dehydrierung von Ethan (ODHE), ein katalytisches Verfahren, bei dem neben Ethylen zusätzlich auch das Wertprodukt Essigsäure entsteht.

 

 

 

Motivation

 

Von allen relevanten Produktionsprozessen der Grundstoffchemie ist das „Steam-Cracken“ (Dampf-Spaltung) das wichtigste petrochemische Herstellungsverfahren, um Grundchemikalien wie Ethylen, Propylen, Butadien und Benzol herzustellen. Allerdings fallen die Produkte beim Steam-Cracken lediglich in einem bestimmten Verhältnis an, welches sich nur innerhalb gewisser Grenzen beeinflussen lässt. Somit lässt sich die Ethylenproduktion nicht frei dem tatsächlichen Bedarf anpassen. Dabei emittieren Steam-Cracker sehr hohe CO₂ Mengen im Bereich von ca. 0,76 Tonnen CO₂ je Tonne Produkt. Alternative, effizientere Prozesse zur Ethylenherstellung können daher ein großes CO₂-Einsparpotential eröffnen.

 

 

Forschungsziele und Vorgehen

 

Ein solch alternativer Prozess ist die oxidative Dehydrierung von Ethan (ODHE), ein katalytisches Verfahren, bei dem neben Ethylen zusätzlich auch das Wertprodukt Essigsäure entsteht. Aufgrund der Exothermie der eigentlichen Reaktion und der damit verbundenen milden Reaktionstemperaturen im Bereich von 300-400°C sind für die ODHE Prozesskonzepte denkbar, die eine weitestgehend CO₂-neutrale (bzgl. scope 1 und scope 2 CO₂ Emissionen) Ethylen- und Essigsäureproduktion ermöglichen.

Die Erarbeitung genau solcher CO₂-minimierter Verfahrenslösungen ist ein Forschungsziel des Projektkonsortiums. Bei der ODHE-Technologie lässt sich zudem das Verhältnis der Wertprodukte Ethylen und Essigsäure anpassen. Jedoch liegt auch gerade hier zusätzlicher Forschungsbedarf und ein weiteres Ziel des Projekts: Einerseits soll die Gesamtproduktausbeute deutlich gesteigert werden, was einer Minimierung der direkten CO₂ Emissionen gleichkommt, andererseits soll der Bereich des einstellbaren Ethylen-Essigsäure-Verhältnisses deutlich erweitert werden. Somit käme die ODHE-Technologie zum einen als Substitution des etablierten Steam-Crackings in Frage, d.h. vernachlässigbare Mengen an Essigsäure, zum anderen, im Falle hoher Essigsäuremengen, könnten weitere, nachgelagerte Produktionsprozesse, wie die Vinylacetatmonomer-Herstellung, direkt durch die ODHE-Technologie bedient werden.

Insgesamt basieren die Forschungsarbeiten dabei auf vier Säulen:

1. Steigerung der Gesamtproduktausbeute von Ethylen und Essigsäure und damit direkte Minimierung der Nebenprodukte CO und CO₂

2. Prozessintensivierung durch Erarbeitung von Konzepten zur maximalen energetischen Prozessintegration

3. Neue Konzepte zur Aufreinigung der Einsatz- und Produktströme. Dies betrifft auch die Katalysatorherstellung

4. Erforschung alternativer Konzepte zur Substitution klassischer Prozessinfrastruktur durch alternative Prozessschritte und der Integration von erneuerbarer Energie. Hierzu gehört auch die Erarbeitung zur Integration des ODHE Prozesses mit Folgeverfahren einerseits sowie andererseits in bestehende Stream-Cracker für deren Kapazitätserweiterung.

 

 

Projektkonsortium und Ergebnisverwertung

 

Die Erreichung der Projektziele erfordern ein sehr enges Zusammenspiel zwischen Katalysatorentwicklung, Reaktorauslegung, Prozessdesign sowie techno-ökonomischen Betrachtungen und Bewertung der Gesamtnachhaltigkeit gegenüber etablierten Verfahren wie dem Steam-Cracking. Diese Kompetenzfelder werden durch die beteiligten Projektpartner perfekt gebündelt (vgl. Abbildung 1): Clariant Produkte GmbH als Katalysatorhersteller ist verantwortlich für die Erforschung verbesserter Katalysatorrezepturen und Herstellverfahren. MAN Energy Solutions als Lieferant für Chemiereaktoren ist für die Erforschung optimaler Reaktorkonzepte hinsichtlich der besonderen Anforderungen des ODHE Prozesses bezüglich erhöhter Sicherheitsanforderungen und Wärmeabfuhr zuständig. Die Technische Universität München mit dem Lehrstuhl für Anlagen und Prozesstechnik führt Studien zur Prozessanalyse sowie zu Nachhaltigkeitsbewertungen (Life Cycle Assessment) durch. Linde Engineering ist Projektkoordinator innerhalb des Konsortiums und zugleich für das Gesamtprozessdesign auf Basis der Ergebnisse aller Projektpartner zuständig. Die prinzipielle technische Umsetzbarkeit soll durch entsprechende Skalierung der Katalysatorherstellung, des Reaktordesigns sowie des Prozesses in den Pilotmaßstab demonstriert werden (vgl. Abbildung 2).

Es wird eine weltweite Verwertung der Projektergebnisse durch die Projektpartner angestrebt, indem kommerzielle ODHE-Anlagen gebaut werden. Hier werden die Elemente Technologie, Verfahren, Katalysator und Reaktor benötigt. Da insbesondere Auslegung und Design an den deutschen Standorten der beteiligten Partner erfolgen, handelt es sich weiterhin um eine Technologie „Made in Germany“.