Gas zu Methanol

Erdgas ist der Ausgangsstoff für den größten Teil der weltweiten Methanolproduktion. Methanol ist ein primärer flüssiger petrochemischer Stoff, der aus erneuerbaren und nicht erneuerbaren fossilen Brennstoffen hergestellt wird und Kohlenstoff und Wasserstoff enthält. Methanol enthält ein Kohlenstoffatom und ist der einfachste Alkohol. Es ist eine farblose, geschmacksneutrale Flüssigkeit und wird gemeinhin als „Holzalkohol“ bezeichnet.

Festgehaltenes Gas kann durch die Herstellung von chemischem Methanol (oder Methanol in Kraftstoffqualität) und dessen Transport zum Markt zu Geld gemacht werden. Seit den 1980er Jahren hat sich die Funktionsweise des Methanolmarktes erheblich verändert. Entfernte Methanolproduzenten haben begonnen, Marktanteile gegenüber alteingesessenen Produktionsstätten in der Nähe der Kunden zu gewinnen. Die Gaswirtschaft war die treibende Kraft hinter diesen Veränderungen. Da die Gasnachfrage gestiegen ist, wurden die Methanolproduzenten in Nordamerika und Europa verdrängt. Da Methanol leicht transportiert werden kann, hat sich die Methanolproduktion an abgelegene Standorte verlagert, wo Gas billiger ist.

Verwendung von Methanol

Methanol ist ein chemischer Baustein, der zur Herstellung von Formaldehyd, Essigsäure und einer Vielzahl anderer chemischer Zwischenprodukte verwendet wird. Abb. 1 zeigt die Palette der aus Methanol gewonnenen Produkte. Ein großer Teil des Methanols wird zur Herstellung von Methyl-Tertiär-Butylether verwendet, einem Zusatzstoff, der in saubererem Benzin zum Einsatz kommt. Methanol ist einer von mehreren Kraftstoffen, die als Ersatz für Benzin oder Dieselkraftstoff in Personenkraftwagen, leichten Lastkraftwagen und schweren Lastkraftwagen und Bussen eingesetzt werden können. Aufgrund seiner hervorragenden Leistungs- und Brandschutzeigenschaften ist Methanol der einzige Kraftstoff, der in Rennwagen vom Typ Indianapolis verwendet wird. Methanol gilt auch als führender Kandidat für Brennstoffzellenanwendungen in Fahrzeugen.

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  Abb. 1-Indirekte GTL-Routen zur Gasmonetarisierung.

Geschichte

Methanol wurde zunächst durch destruktive Destillation von Holz hergestellt. Als die Nachfrage stieg, wurden synthetische Verfahren entwickelt, um Methanol wirtschaftlich herzustellen. Die Badische Anilin- und Soda-Fabrik (BASF), die die meiste Pionierarbeit auf dem Gebiet der Synthesegas-Chemie leistete, erhielt 1913 das erste Patent für die Herstellung von Methanol. Die erste großtechnische Anlage zur Herstellung von synthetischem Methanol wurde 1923 im Werk Leuna der BASF in Betrieb genommen. Das Verfahren zur Herstellung von Methanol basierte auf einem Zink-Chrom-Katalysator, der Kohlenoxide und Wasserstoff bei einem Druck von 300 bar und Temperaturen von über 300 °C in Methanol umwandelte. Der hohe Druck beschränkte nicht nur die maximale Größe der Anlagen, sondern führte auch zu einem hohen Energieverbrauch pro Tonne Produkt. Anfang der 1970er Jahre kam die von Imperial Chemical Industries (ICI) entwickelte Niederdruck-Methanolsynthese auf den Markt, die auf einem Kupferkatalysator basierte, der bei niedrigeren Drücken (< 100 bar) und Temperaturen (200 bis 300°C) arbeitete. Das Verfahren wurde als Niederdruck-Methanol-Verfahren von ICI bezeichnet.

Methanolprozess

Die Herstellung von Methanol erfordert in der Regel drei Schritte:

• Synthese von Synthesegas
• Methanolsynthese
• Reinigung/Destillation von Methanol

Synthesegasaufbereitung

Die Synthesegasaufbereitung ist dem Fisher-Tropsch (FT)-Gas-zu-Flüssigkeit (GTL)-Prozess sehr ähnlich, aber ein wesentlicher Unterschied ist der Maßstab, in dem Synthesegas hergestellt wird. Synthesegas für die Methanolsynthese kann entweder durch partielle Oxidation (POX) oder durch Dampfreformierung des Erdgaseinsatzmaterials hergestellt werden. Bei einem Erdgas-Einsatzmaterial mit wenig schweren Kohlenwasserstoffen und Schwefelverunreinigungen gilt eine Anlage auf der Grundlage der Dampfreformierung als die kostengünstigste Anlage mit besserer Zuverlässigkeit und höherer Energieeffizienz. Anlagen auf POX-Basis sind im Allgemeinen besser für die Erzeugung von Synthesegas aus schweren Kohlenwasserstoffen (z. B. Heizöl) geeignet. Eine POX-basierte Anlage für Erdgaseinsätze erfordert eine größere Luftzerlegungsanlage und erzeugt in der Regel unterstöchiometrisches Synthesegas, das eine zusätzliche Verarbeitung für die Methanolsynthese erfordert.

Erdgas kann mit einem der folgenden Verfahren dampfreformiert werden:

• Röhrenförmige Reformierung mit einem befeuerten Reformerofen
• Kombinierte Reformierung mit einem befeuerten Reformerofen, gefolgt von einer sauerstoffbeaufschlagten autothermen Reformierung (ATR)
• Wärmeaustauschreformierung ohne Röhrenreformerofen, aber mit ATR

Methanolsynthese

Alle kommerziellen Methanolanlagen verwenden derzeit die Gasphasensynthesetechnologie. Der Druck im Synthesekreislauf, der verwendete Reaktortyp und die Methode der Abwärmerückgewinnung unterscheiden die Gasphasen-Methanolsynthese weitgehend voneinander. Alle modernen Methanolverfahren mit großer Kapazität verwenden Niederdruck-Synthesekreisläufe mit Katalysatoren auf Kupferbasis. Um die Reaktorgröße zu minimieren und die Rückgewinnung der Prozessabwärme zu maximieren, werden Quench-Reaktoren, zwischengekühlte Mehrschichtreaktoren oder isotherme Reaktoren verwendet.

Methanolreinigung/Destillation

Rohmethanol aus einem Gasphasensynthesereaktor, der Synthesegas mit einer stöchiometrischen Zahl von 2 oder höher verwendet, enthält einen Wasserüberschuss (25 bis 35 %). Neben der Entfernung der leichteren Bestandteile in einer Topping-Kolonne werden dieses Wasser und andere schwere Bestandteile in einer Raffinationskolonne entfernt. Die Wärmeleistung des Reboilers wird in der Regel durch die Kühlung des Synthesegases im vorderen Teil der Anlage erzielt. In der Regel wird ein zwei- oder dreisäuliges Destillationsschema verwendet.

Die von verschiedenen Lizenzgebern verwendeten Destillationsschemata für Methanol sind ähnlich. Das zweisäulige Destillationsschema bietet niedrige Investitionskosten, und das dreisäulige Destillationsschema bietet einen niedrigen Energieverbrauch. In der Regel wird das Schema gewählt, das sich besser in die Synthesegasaufbereitung und den Syntheseteil integrieren lässt. Mehrere Technologieanbieter lizenzieren die Prozesstechnologie für Methanol:

• Synetix
• Lurgi
• Haldor Topsoe
• Mitsubishi Chemicals
• KBR

Screening-Kriterien

Bis vor einigen Jahren wurde die Größe einer großen einsträngigen Methanolanlage mit 2000 bis 2500 Tonnen pro Tag angegeben. Aufgrund von Größenvorteilen und Marktbedingungen geht der Trend jedoch zum Bau größerer Anlagen mit Kapazitäten von über 3.000 Tonnen pro Tag. Zwei Anlagen mit einer Kapazität von 5000 Tonnen pro Tag befinden sich derzeit im Bau, und mehrere große Methanolanlagen sind im Gespräch. Der typische Gasverbrauch für eine Methanolanlage im Weltmaßstab liegt zwischen 28 und 31 Millionen Btu pro Tonne Produkt, je nach LHV des Einsatzmaterials; eine Methanolanlage mit einer Kapazität von 5.000 Tonnen pro Tag wird also etwa 157 MMscf/Tag an Gas verbrauchen. Bei einer Projektlaufzeit von 20 Jahren ist eine Gasfeldgröße von mindestens 1,15 Tcf erforderlich, um eine Anlage dieser Größe zu unterstützen.

Die Wirtschaftlichkeit von Methanol hängt stark von den Produktionskosten und dem Verkaufspreis von Methanol ab. Der Markt für Methanol ist volatil und wettbewerbsintensiv mit großen Preisschwankungen. Die wichtigsten Bestandteile der Produktionskosten von Methanol sind der Gaspreis und die Investitionskosten der Anlage. In einer Reihe von Literaturquellen werden die Investitionskosten für Methanolanlagen auf Basis von Dampfreformierung angegeben. Die Investitionskosten für Methanol-Großanlagen, die auf fortschrittlichen Technologien zur Erzeugung von Synthesegas basieren, dürften niedriger sein. Ein Hersteller an einem abgelegenen Standort muss auch die Transportkosten für die Beförderung des Methanolprodukts zum Markt berücksichtigen.

Methanolnachfrage

Der Ausstieg aus der Verwendung von Methyl-Tertiär-Butylether (MTBE) in den Vereinigten Staaten wird sich auf die weltweite Methanolnachfrage auswirken; es wird jedoch erwartet, dass der Ausstieg langsam und langwierig erfolgt. Der Methanolmarkt ist derzeit gesättigt und verfügt über ausreichende Kapazitäten. Es wird erwartet, dass neue Großanlagen bis 2004-2005 in Betrieb genommen werden.

Der Methanolmarkt ist gesättigt; es ist jedoch zu erwarten, dass neue Anlagen gebaut werden. In Zukunft werden neue, kostengünstige Produktionen die bestehenden Hochkostenproduzenten verdrängen, es sei denn, es entstehen neue Anwendungen für Methanol. Neben den traditionellen Märkten hat Methanol das Potenzial, in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt zu werden: Stromerzeugung durch Brennstoffzellen, als Kraftstoff für den Verkehr direkt oder durch Brennstoffzellen und als Ausgangsstoff für die Herstellung von Olefinen. Diese neuen Anwendungen könnten, wenn sie sich durchsetzen, zu einem sprunghaften Anstieg der Nachfrage nach Methanolanlagen führen.

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Siehe auch

Gasnutzungsoptionen

Gas zu Flüssigkeiten (GTL)

Gas zu Energie

Gaspipelines

Gas als Düngemittelrohstoff

Monetisierung von gestrandetem Gas

Gestrandetes Gas

Transport von gestrandetem Gas als Hydrate

PEH:Monetizing_Stranded_Gas