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Frage der Woche

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Sprit vom Acker - oder aus der Luft?

Rapsfeld
Quelle: Adobe Stock

Erdöl wird knapp. Wir fördern es inzwischen aus großen Tiefen, im Meer, mit wenig umweltverträglichen Methoden wie Fracking. Und selbst wenn das Öl noch eine Weile reichen sollte, trägt seine Verbrennung zum Klimawandel bei. Da lohnt es sich, über Alternativen nachzudenken. Je teurer und gefährlicher die konventionelle Ölförderung wird, umso interessanter werden sogenannte synthetische Kraftstoffe. Wie wäre es, wenn wir zukünftig den Sprit auf dem Feld anpflanzten oder direkt aus der Luft „fischten“?

Was sind synthetische Kraftstoffe? Eine genaue Definition existiert nicht.
Meistens werden als synthetische Kraftstoffe solche bezeichnet, die „künstlich“ hergestellt, also nicht wie „konventionelle“ Kraftstoffe hauptsächlich durch gezielte Auftrennung von z.B. Rohöl gewonnen werden. Vor allem in den XtL- (englisch: X-to-Liquid) Verfahren werden unterschiedlichste Ausgangsstoffe (X) durch aufwändige chemische Umwandlungen in Kraftstoffe (L) überführt.

Frage (Klassenstufen 7-11)

Aus welchen Ausgangsstoffen werden nun diese Kraftstoffe hergestellt? Die gängigsten Technologien heißen kurz GtL, CtL und BtL, wobei „tL“ immer für „to-Liquid“ steht.

Das G, das C und das B im Namen der Technologien weisen auf die Ausgangsstoffe hin. Für welche englischen Begriffe stehen sie?

Lösung:

Gas, Coal und Biomass (Gas, Kohle und Biomasse)

Habt ihr schon einmal das Stichwort „Klimaneutralität“ gehört? Im Wesentlichen heißt das, dass in einem Prozess (bei uns also das Verbrennen des Treibstoffes im Tank) nicht mehr CO2 entstehen darf, als an anderer Stelle (unser Fall: zur Herstellung des Treibstoffes) verbraucht wird.

Welches der drei Verfahren ist also auf keinen Fall klimaneutral?

Lösung:

CtL, da Kohle ein fossiler Brennstoff ist.

Das heißt, dass bis dahin in der Kohle gebundener Kohlenstoff bei der Verbrennung als CO2 zusätzlich in die Atmosphäre gelangt. GtL ist dann klimaneutral, wenn das kohlenstoff-haltige Gas (siehe nächste Frage) direkt aus der Atmosphäre geholt wird oder bei anderen Verbrennungsprozessen „eingesammelt“ wird, so dass es dort nicht in die Atmosphäre gelangen kann.

Zusatzfrage (Klassenstufen 8-11)

Im GtL-Verfahren wird oftmals ein Gasgemisch aus H2 und CO als Ausgangsstoff eingesetzt. Dieses wiederum kann man aus CO2 und H2O gewinnen.

Wie nennt man so ein Gasgemisch, das zur Herstellung anderer chemischer Produkte verwendet wird?

Reaktionsgas
Ursprungsgas
Synthesegas

Lösung:

Synthesegas

Zusatzfrage (Klassenstufen 9-11)

CO2 und H2O sind sehr reaktionsträge Stoffe. Man muss schon eine gehörige Menge Energie in diese Stoffe stecken, um sie überhaupt zu einer Reaktion zu bewegen. Manchmal nennt man solche Verfahren deshalb auch „Power-to-X“, weil Energie dazu genutzt wird, aus CO2 und H2O etwas Nutzbares („X“) wie Kraftstoffe oder Chemikalien herzustellen. Eine Technologie, mit der dies möglich ist, ist die Elektrolyse (dort verwendet man elektrische Energie). Elektrische Prozesse können im Gleichstrom- oder im Wechselstrombetrieb ablaufen.

Benötigt man für eine Elektrolyse Gleich- oder Wechselstrom?

Gleichstrom
Wechselstrom

Lösung:

Gleichstrom

Zusatzfrage (Klassenstufen 10 und 11)

Hier seht ihr die Reaktionen, die bei einer Wasserelektrolyse ablaufen. Es handelt sich dabei um eine klassische Redox-Reaktion, die man in zwei Teilreaktionen aufspalten kann. Eine der Teilreaktionen läuft an der Anode ab, die andere an der Kathode.

Elektrolyse

Aber welche wo?

Ordnet zu!
A)

Lösung:

Die Reaktion A beschreibt die Reaktion an der Kathode.

B)

Lösung:

Die Reaktion B beschreibt die Reaktion an der Anode.

Zusatzfrage (Klassenstufe 11)

Die Einheit, in der bei Geschäften mit Erdöl und anderen fossilen Energieträgern meistens gerechnet wird, ist „barrel“ (Englisch für Fass). Ein Barrel entspricht 159 Litern.
Die Öleinheit (ÖE) ist eine Maßeinheit für die Energiemenge, die beim Verbrennen von einem Kilogramm Erdöl freigesetzt wird. Eine ÖE entspricht einer Energiemenge von 41,868 MJ.
Im ersten Halbjahr 2018 hat Deutschland 316.560.176 barrel Rohöl eingeführt. Im Allgemeinen rechnet man mit einer mittleren Dichte dieses Rohöls von 0,883 kg/l.

Jetzt darf gerechnet werden!
Welchen Energiegehalt hat ein barrel dieses Rohöls? Die Lösung bitte in Megajoule (MJ) angeben.

Lösung:

159l • 0,883 kg/l • 41,868 MJ/kg = 5878 MJ

Welchen Energieinhalt hat dieses eingeführte Rohöl zusammen?

Lösung:

5878 MJ/barrel • 316.560.176 barrels = 1.860.740.714.528 MJ

Zum Vergleich: In Deutschland geht man davon aus, dass ein Hektar Ackerfläche rund 1590 l Biodiesel (aus Raps) pro Jahr liefern kann. Der Energiegehalt von Biodiesel liegt bei etwa 33 MJ/l.

Wie viele ha Ackerfläche bräuchte man, um die Rohölimporte zu ersetzen?

Lösung:

1.860.740.714.528 MJ / 33 MJ/l = 56.386.082.258 l
56.386.082.258 l / 1590l/ha =35.462.944 ha oder 35.462 km²

Die benötigte Ackerfläche (wählt aus)

a) entspricht ungefähr 20 Fußballfeldern
b) wäre größer als Belgien
c) entspräche ungefähr der Fläche von Bayern

Lösung:

Richtig ist Antwort b.
Wir haben die Rückmeldung bekommen, dass der Rohölimport, den wir für das halbe Jahr angegeben hatten, von einigen auf das gesamte Jahr hochgerechnet wurde. Damit landet man in etwa bei der Fläche von Bayern. Da wir dieses Vorgehen durchaus nachvollziehbar finden, lassen wir auch Antwort c gelten.

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