Kohleverflüssigung, auch Kohlehydrierung, heute überwiegend Coal-to-Liquid (kurz CtL) genannt, ist ein carbochemischer Prozess zur Umwandlung von Braun- oder Steinkohle in flüssige Grundchemikalien und synthetische Kraftstoffe wie Benzin, Diesel, Kerosin. Die maßgeblichen Technologien sind die direkte Hydrierung der Kohle nach dem Bergius-Pier-Verfahren und die indirekte Umwandlung durch Kohlevergasung mittels der Fischer-Tropsch-Synthese.
Der weltweit erstmals im industriellen Maßstab aus Kohle hergestellte synthetische Kraftstoff war ab 1927 das Leuna-Benzin. Große Anwendung fand die Kohleverflüssigung vor dem Hintergrund der Autarkiebestrebungen in Deutschland während der NS-Zeit und in der DDR. Nach dem Zweiten Weltkrieg entwickelten auch andere Länder wie die USA und Südafrika die Verfahren zur Kohleverflüssigung weiter.
An Bedeutung gewinnen die Technologien, wenn Erdöl nicht in ausreichender Menge zur Verfügung steht und Länder mit großen Kohlevorkommen eine höchstmögliche Energieautarkie oder nationale Energiesicherheit anstreben. Moderne CtL-Anlagen entstehen seit Beginn des 21. Jahrhunderts insbesondere im asiatisch-pazifischen Raum. Zu den führenden Unternehmen der Kohleverflüssigung zählen heute Sasol (Südafrika), Shenhua Energy (Volksrepublik China), DKRW Energy (USA) und Bumi Plc (Indonesien).
Technologie Die Motivation der chemischen Industrie zur Kohleverflüssigung besteht darin, den Feststoff Kohle in flüssige Kohlenwasserstoffe zu überführen, um damit Erdölprodukte durch Produkte aus Kohle zu ersetzen, die als Motorentreibstoffe eingesetzt werden können.Manfred Kaiser: Kohlehydrierung. In: Michael Tausch: Praxis der Naturwissenschaften, Jg. 1/58. Aulis Verlag, 2007, S. 15. Endprodukte der Kohleverflüssigung sind hauptsächlich Motorenbenzine, Dieselkraftstoffe, Heizöl und Aromaten für die chemische Industrie. Solche Produkte können von höherer Qualität als Erdölprodukte sein, gegenwärtig betrifft dies insbesondere synthetische Flugturbinenkraftstoffe (Drop-in Fuels), zum Beispiel Jet A-1 Kerosin.Rüdiger Paschotta: Kohleverflüssigung. RP-Energie-Lexikon, abgerufen am 3. Februar 2023.
Vereinfacht dargestellt ist Kohleverflüssigung eine Sammelbezeichnung für Verfahren, mit denen durch Anlagerung von Wasserstoff an Kohle Kohlenwasserstoffe erzeugt werden.Kohlenhydrierung Wissen.de Konradin Medien, abgerufen am 3. Februar 2023. Im Wesentlichen gibt es zwei Verfahren: einmal die direkte Hydrierung der Kohle nach dem Bergius-Pier-Verfahren, zum anderen die indirekte Verarbeitung durch Kohlevergasung mittels der Fischer-Tropsch-Synthese.Manfred Grathwohl: Energieversorgung. Ressourcen, Technologien, Perspektiven. Walter de Gruyter, 2019, S. 182. Ein weiteres direktes Hydrierverfahren, das heute jedoch kaum noch Anwendung findet, ist das Pott-Broche-Verfahren. Diese in Deutschland entwickelten drei Grundprozesse bilden heute auf der ganzen Welt die Standards der Coal-to-Liquid (CtL)-Technologie. VDI Nachrichten vom 20. Mai 2005 (archiviert in Webarchiv archive.today), abgerufen am 3. Februar 2023.
Bergius-Pier-Verfahren
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.Friedrich Klages: Lehrbuch der organischen Chemie III. Walter de Gruyter GmbH & Co KG, 1958, S. 11–12.
Das Bergius-Pier-Verfahren wurde ursprünglich für die mitteldeutsche Braunkohle entwickelt und erst später auch auf die Steinkohlehydrierung übertragen. Die erste Anlage im industriellen Maßstab ging 1927 in den Leunawerken mit einer Produktionskapazität von 100.000 Jahrestonnen sogenannten Leuna-Benzins an den Start.Titus Kockel: Deutsche Ölpolitik 1928–1938. Walter de Gruyter, 2019, S. 34 f. Bis 1944 entstanden im deutschen Einflussbereich insgesamt 14 Hydrierwerke, die nach dem Verfahren von Bergius-Pier arbeiteten. Ruhr-Universität Bochum, abgerufen am 3. Februar 2023. Das größte betrieb die Hydrierwerke Pölitz AG in der Nähe von Stettin mit einem Durchsatz von jährlich 700.000 Tonnen Mineralölprodukten.Rainer Karlsch, Raymond G. Stokes: Faktor Öl. Die Mineralölwirtschaft in Deutschland 1859–1974. Beck, München 2003, S. 193–197.
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.Vom Erdöl zu Kraft- und Schmierstoffen Deutsches Chemie-Museum Merseburg, abgerufen am 3. Februar 2023. Die Anlagen in Mitteldeutschland gingen alle wieder in Betrieb, das letzte stillgelegte Werk war 1990 das Hydrierwerk Zeitz.Bergakademie Freiberg (Hrsg.): Freiberger Forschungshefte. Ausgabe 749. Reihe A. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, 1987, S. 38.Veronika Arndt, Heidrun Schwarz: Hydrierwerk Zeitz. die Geschichte eines Chemieunternehmens (1937-1996). Zeitzer Innovative Arbeitsfördergesellschaft mbH, 1999, S. 100 f.
Moderne Weiterentwicklungen des Bergius-Pier-Verfahrens sind das Consol-Verfahren, der Consol Energy Inc.Bernd Diekmann, Klaus Heinloth: Energie. Physikalische Grundlagen ihrer Erzeugung, Umwandlung und Nutzung. Springer-Verlag, 2013, S. 86. sowie das H-Coal-Verfahren des Hydrocarbon Research Institute der University of Southern California.Heinz-Gerhard Franck, Jürgen W. Stadelhofer: Industrielle Aromatenchemie: Rohstoffe · Verfahren · Produkte. Springer-Verlag, 2013, S. 55. 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.Roy L. Nersesian: Energy Economics. Markets, History and Policy. Routledge, 2016.Solution #2: Coal-to-liquids Technology CHN Energy, abgerufen am 3. Februar 2023.
Fischer-Tropsch-Synthese
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.Franz Fischer, Hans Tropsch: Die Erdölsynthese bei gewöhnlichem Druck aus den Vergasungsprodukten der Kohlen. In: Brennstoff-Chemie. Band 7. W. Girardet, Essen 1927, S. 97–104.
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. University of Toledo, abgerufen am 3. Februar 2023. Dieses Synthesewerk produzierte auch nach dem Zweiten Weltkrieg in großem Umfang auf Basis der Fischer-Tropsch-Technologie bis zum Jahr 1972 weiter.Kammer der Technik (Hrsg.): Chemische Technik. Band 26. Ausgaben 1–6. Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, 1974, S. 321.
In anderen Ländern gelangte die indirekte Kohleverflüssigung nach 1945 gleichfalls an Bedeutung. Hervorzuheben sind Südafrika und die USA.Forschungsbericht 2017 – Max-Planck-Institut für Kohlenforschung Max-Planck-Gesellschaft, abgerufen am 3. Februar 2023. 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.Alexander Zschocke: Betrachtung und Ausblick der Technologien zur Herstellung von Power-to-Liquid. CENA Hessen, Kompetenzzentrum Klima- und Lärmschutz im Luftverkehr, 2022, S. 15 f. 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.Sven Kreidelmeyer (Projektleitung) u. a.: Studie im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie. Kosten und Transformationspfade für strombasierte Energieträger. Endbericht zum Projekt „Transformationspfade und regulatorischer Rahmen für synthetische Brennstoffe“. Prognos AG, 2020, S. 25, Fußnote 15.
Pott-Broche-Verfahren
Der Prozess ist eine Variation des Bergius-Pier-Verfahrens.Southwest Research Institute (Hrsg.): Identifikation of Probable Automotive Fuels Composition, 1985–2000. U.S. Department of Energy, 1978, S. 81. 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.Peter Kurzweil: Brennstoffzellentechnik. Springer-Verlag, 2003, S. 216.
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.Manfred Rasch: Flüssige Treib- und Schmierstoffe. Substitutionsmöglichkeiten für Deutschlands Industrie und Militär während des Ersten Weltkriegs. In: Elisabeth Vaupel (Hrsg.): Studies 9. Ersatzstoffe im Zeitalter der Weltkriege. Geschichte, Bedeutung, Perspektiven. Deutsches Museum Verlag, 2021, S. 228. Mit einem angestrebten Durchsatz von jährlich 26.000 Tonnen blieb die Anlage bis zu ihrer Zerstörung durch alliierte Luftangriffe im Jahr 1944 in Betrieb.German Patent. Description of Pott-Broche Process. US Bureau of Mines. Fischer-Tropsch Archive by Emerging Fuels Technology, abgerufen am 3. Februar 2023.
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.James G. Speight: The Chemistry and Technology of Coal. CRC Press, S. 587–588.