Die Fischer-Tropsch-Synthese (kurz FT-Synthese; auch Fischer-Tropsch-Verfahren bzw. kurz FT-Verfahren) ist ein großtechnisches heterogenkatalytisches Polymerisationsverfahren zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen. Dabei wird an cobalt- oder eisenhaltigen Katalysatoroberflächen adsorbiertes Kohlenstoffmonoxid mit Wasserstoff hydriert. Die Reaktionen finden bei Temperaturen von etwa 150 bis 350 °C und Drücken von 1 bis etwa 25 bar statt. Das Verfahren umfasst die Erzeugung von Synthesegas, dessen Umsetzung zu Fischer-Tropsch-Produkten und deren Weiterverarbeitung. Für die Erzeugung des Synthesegases stehen Kohle, Erdgas, Biomasse oder organischer Abfall als Rohstoffquellen zur Verfügung. Aufgrund der Vielzahl möglicher Einsatzstoffe nimmt die Fischer-Tropsch-Synthese eine zentrale Stellung bei der Suche nach Alternativen zum Erdöl zur Gewinnung flüssiger Kohlenwasserstoffe ein.
Die Produkte der Fischer-Tropsch-Synthese sind synthetische Motoröle sowie flüssige synthetische Kraftstoffe wie Otto- und Dieselkraftstoff, die praktisch frei von Schwefel- und Stickstoffverbindungen sind und geringere Abgasemissionen als herkömmlicher Dieselkraftstoff aufweisen. Anfallende längerkettige Kohlenwasserstoffe dienen als Rohstoffbasis für die chemische Industrie oder als Fischer-Tropsch-Wachs als Hilfsmittel in der Klebstoffindustrie, für Beschichtungen oder in der Polymerverarbeitung. Durch die Wahl geeigneter Prozessparameter lässt sich die Produktpalette in Richtung höherer Olefine, die als Chemierohstoffe verwendet werden, verschieben. Koppelprodukte des Prozesses sind Wasser und Kohlenstoffdioxid. Als Nebenprodukte fallen sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe wie Ethanol und Aceton sowie höhere Alkohole an.
Die deutschen Chemiker Franz Fischer und Hans Tropsch entwickelten das Verfahren am Kaiser-Wilhelm-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr und meldeten es 1925 zum Patent an (Patent 484.337, 25. Juli 1925 und Patent 524.468, 2. November 1926). Im Zuge der nationalsozialistischen Autarkiepolitik erlangte die Fischer-Tropsch-Synthese in Deutschland eine hohe wirtschaftliche Bedeutung, da sie zur Deckung des Bedarfs an flüssigen Kraft- und Schmierstoffen sowie zur Bereitstellung von Chemierohstoffen auf Basis heimischer Kohle beitrug.
In Südafrika errichtete die Firma Sasol ab Mitte der 1950er Jahre große Fischer-Tropsch-Anlagen, die Synthesegas aus südafrikanischer Kohle zu Benzin und Grundstoffen für die chemische Industrie weiterverarbeiten. In China, Russland, Malaysia und Katar liefern moderne Fischer-Tropsch-Anlagen im 21. Jahrhundert flüssige Kraftstoffe aus Kohle und Erdgas. Konzepte zur Umwandlung von regenerativ erzeugtem Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid in flüssige Kraftstoffe mittels Fischer-Tropsch-Synthese im sogenannten Power-to-Liquid-Verfahren befinden sich derzeit im Forschungsstadium. Die Herstellung flüssiger Kraftstoffe mit hoher Energiedichte auf Basis erneuerbarer Energien gewinnt als Speicheroption sowie als Technologie zur Kohlenstoffabscheidung und -nutzung zunehmend an Interesse.
Geschichte Arbeiten am Kaiser-Wilhelm-Institut für Kohlenforschung mini|Kaiser-Wilhelm-Institut für Kohlenforschung, heute Max-Planck-Institut für Kohlenforschung
Der Mangel an Erdöl und die damit verbundenen Engpässe in der Treibstoffversorgung während des Ersten Weltkriegs führten im Deutschen Reich in der Zeit nach dem Krieg zu einer politisch und militärisch motivierten Suche nach Alternativen, vor allem auf der Basis der heimischen Kohle. Franz Fischer, Gründungsdirektor des 1912 errichteten Kaiser-Wilhelm-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr, dessen Unterhalt zum großen Teil von der Kohleindustrie finanziert wurde, setzte seinen Forschungsschwerpunkt zu Beginn der 1920er Jahre auf die Verwertung von Kokereigas. Dabei handelt es sich um ein Gemisch aus Wasserstoff, Methan, Stickstoff und Kohlenstoffmonoxid, das bei der Verkokung der Kohle anfiel und der Schwerindustrie im Überschuss zur Verfügung stand. Zusammen mit Hans Tropsch entwickelte er 1921 ein auf alkalisierten eisenhaltigen Katalysatoren basierendes Verfahren zur Herstellung von Gemischen aus sauerstoffhaltigen Verbindungen aus Synthesegas, das sogenannte Synthol-Verfahren. Bei einem Druck von 100 bis 150 bar und einer Temperatur von etwa 400 °C erhielten sie Mischungen von Aldehyden, Ketonen, Carbonsäureestern, Alkoholen und Carbonsäuren, sogenanntes Synthol.
Fischer beauftragte Otto Roelen, der als Assistent von Tropsch bereits ab 1921 dem Mülheimer Institut angehörte, ab 1924 zunächst mit der weiteren Untersuchung des Syntholverfahrens. Nachdem sich die damit hergestellten sauerstoffhaltigen Gemische als untauglich für die Verwendung als Motorkraftstoff erwiesen hatten, änderte Tropsch die Reaktionsbedingungen und führte die Versuche unter Normaldruck durch. Obwohl zu Beginn nur geringe Ausbeuten erzielt wurden, führten die Arbeiten von Fischer, Tropsch und Roelen schließlich zur technischen Herstellung von aliphatischen Kohlenwasserstoffen unter Verwendung von Cobalt- oder Eisenkatalysatoren.
Franz Fischer und Helmut Pichler entwickelten 1936 die Mitteldrucksynthese mit Hilfe von Eisenkatalysatoren. Bei erhöhtem Betriebsdruck lieferten alkalisierte Eisenkatalysatoren gute Umsätze bei der Fischer-Tropsch-Synthese, die Standzeiten der Katalysatoren verlängerten sich signifikant. Die Eisenkatalysatoren waren zudem preiswerter, beständiger gegenüber Veränderungen der Prozessvariablen und ermöglichten so die Herstellung eines breiteren Spektrums an Reaktionsprodukten. Die Verwendung von Ruthenium als Katalysator bei einem Druck über 30 bar zur Herstellung von hochschmelzenden Paraffinen wurde ebenfalls untersucht, jedoch industriell nicht weiter verfolgt.
Großtechnisches Verfahren mini|350px|Standorte der Fischer-Tropsch-Anlagen im Deutschen Reich8px|Braunkohle Braunkohle, 8px|Steinkohle Steinkohle
Franz Fischer gründete am 26. Oktober 1925 die Studien- und Verwertungsgesellschaft (Stuge), die fortan die Rechte des KWI für Kohlenforschung an zahlreichen Verfahren verwaltete. Im Jahr 1928 wurde für die industrielle Verwertung der KWI-Patente die Ruhrchemie gegründet, die eng mit der Stuge kooperierte. Die Ruhrchemie verzichtete auf eigene Patentanmeldungen und übertrug diese der Stuge, behielt jedoch ein unbefristetes Vorkaufsrecht für alle Stuge-Patente. Nachdem Fischer eine Kapazitätssteigerung um 20 % bei der FT-Synthese erreicht hatte und das Rheinisch-Westfälische Kohlen-Syndikat eine Senkung des Kokspreises zugesagt hatte, wurde die angestrebte Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erreicht.
Die Ruhrchemie erwarb die Rechte an dem Verfahren. Sie errichtete die erste industrielle Fischer-Tropsch-Anlage 1934 am Standort Holten. Während des Zweiten Weltkriegs erlangte die Fischer-Tropsch-Synthese kriegswirtschaftliche Bedeutung in Deutschland. Mit ihr konnte unter anderem ein Teil des Bedarfs an flüssigen Kraftstoffen und Kogasin gedeckt werden. Insgesamt errichtete die Industrie bis zum Ende des Zweiten Weltkrieges neun Anlagen nach dem Fischer-Tropsch-Verfahren mit einer Kapazität von rund 600.000 Jahrestonnen. Im Jahr 1942 betrug die Produktionsmenge in Deutschland für das Niederdruckverfahren 427.400 Tonnen und für das Mitteldruckverfahren 128.800 Tonnen. Im Gegensatz zu den Produkten des Bergius-Pier-Verfahrens, die vor allem für Motor- und Flugtreibstoffe verwendet wurden, dienten die Fischer-Tropsch-Produkte weitgehend als Dieselkraftstoff und als paraffinischer Rohstoff für die chemische Industrie.
In Frankreich betrieb der französische Chemiekonzern Société de Produits Chimiques Courrieres-Kuhlmann ab 1937 zwei Fischer-Tropsch-Anlagen: eine Pilotanlage in L’Estaque (Marseille) und eine Anlage mit einem Durchsatz von 11.000 Tonnen pro Jahr in Harnes. Letztgenannte arbeitete mit Cobalt-Katalysatoren.
Mitte 1936 gründeten Forschungsleiter der Kaiserlichen Universität Tokio in Kooperation mit dem Zaibatsu Mitsui Bussan K.K. das Kaiserliche Forschungsinstitut für Treibstoffe mit Sitz in Kyoto, das zeitgleich von der Ruhrchemie AG eine Lizenz für den Bau von Fischer-Tropsch-Anlagen in Japan erwarb. Im November 1936 begann die Errichtung der ersten drei Werke in Amagasaki mit 30.000, Omuta mit ebenfalls 30.000 und Takikawa mit 50.000 Jato. Die Anlagen gingen alle Ende 1939/Anfang 1940 mit dem jeweils geplanten Durchsatz in Betrieb. Produziert wurde hauptsächlich Schiffsdiesel. Zwei weitere japanische Fischer-Tropsch-Anlagen entstanden in Mandschukuo, wovon jedoch nur eine kurz vor Kriegsende mit einer Kapazität 40.000 Kubikmeter fertiggestellt werden konnte.
Auch die Regierung der Vereinigten Staaten erkannte den strategischen Wert der Fischer-Tropsch-Synthese für die Herstellung flüssiger Kraftstoffe auf Basis von Kohle oder Ölschiefer. Bereits vor dem Zweiten Weltkrieg wurde die Fischer-Tropsch-Forschung finanziert. Die Förderung wurde durch den „Synthetic Liquids Fuels Act“ erheblich erweitert, für den der US-Kongress 30 Millionen US-Dollar (: etwa US-Dollar) über einen Zeitraum von fünf Jahren bewilligte.
+ Übersicht der Fischer-Tropsch-Werke in Deutschland bis 1945 Standort Betreiber Anteilseigner Inbetriebnahme Prozess Einsatzstoff Produktionskapazität 1943/44 in Tonnen pro Jahr Holten Ruhrchemie AG Ruhrchemie AG (100%) 1936 ND / MD Steinkohle 60.000 Rauxel Gewerkschaft Victor Klöckner-Werke AG (52%) / Wintershall AG (48%) 1937 ND Steinkohle 40.000 Wanne-Eickel Krupp Treibstoffwerk GmbH Friedrich Krupp AG (100%) 1938 ND / MD Steinkohle 55.000 Bergkamen Chemische Werke Essener Steinkohle AG Friedrich Flick (100%) 1939 ND Steinkohle 85.000 Dortmund Hoesch-Benzin GmbH Hoesch AG (100%) 1939 MD Steinkohle 55.000 Moers Steinkohlenbergwerk Rheinpreußen Treibstoffwerk Franz Haniel & Cie. (100%) 1936 ND Steinkohle 75.000 Schwarzheide Brabag Brabag 1936 ND Braunkohle 180.000 Lützkendorf Wintershall A.G. Werk Lützkendorf Wintershall AG (100%) 1938 ND Braunkohle 30.000 Deschowitz Schaffgotsch-Benzin GmbH Ballestrem-Konzern1939 MD Steinkohle 40.000 Summe aller Fischer-Tropsch-Werke 620.000
Anfang 1944 lieferte die Kohleindustrie in Deutschland etwa zwei Drittel des benötigten Treibstoffs. Die Fischer-Tropsch-Synthese hatte daran einen Anteil von 7 %, während das Bergius-Pier-Verfahren etwa 40 % lieferte. Quellen wie die Destillation von Steinkohlenteer und die Benzolgewinnung trugen zusammen 17 % bei. Da die Fischer-Tropsch-Kraftstoffe eine niedrige Oktanzahl aufwiesen, baute die nationalsozialistische Wirtschaftsführung stattdessen mehr Hydrieranlagen nach dem Bergius-Pier-Verfahren, die ein höherwertiges Benzin lieferten.
Ein Verfahren von Arthur Imhausen nutzte die höhermolekulare Fraktion der Fischer-Tropsch-Synthese, den Paraffingatsch, zur Fettsäuresynthese durch Paraffinoxidation. Die Fettsäuren wurden von der Märkischen Seifenindustrie als Rohstoff genutzt und ab 1939 zur Herstellung eines synthetischen Speisefetts verwendet. Ab 1940 steigerten die Fischer-Tropsch-Anlagen ihre Produktion erheblich, was zu einer guten Versorgung mit Paraffingatsch führte. Auf Veranlassung von Imhausen veranlasste Wirtschaftskommissar Wilhelm Keppler die Umstellung der Fischer-Tropsch-Anlagen auf das Mitteldruckverfahren, das eine höhere Ausbeute an Paraffingatsch lieferte.
Nachkriegszeit mini|Bekanntmachung der Wintershall zur Wiederaufnahme der Produktion in Lützkendorf mini|Fischer-Tropsch-Werk der Krupp AG nach Wiederinbetriebnahme in Wanne-Eickel um 1953