DECHEMAX Initiative für Chemische Technik und Biotechnologie

Frage der Woche

Frage der Woche

Wandelbare Energie

Pendel
Bildquelle:Pixabay

Eines haben wir im Laufe des Wettbewerbs schon gelernt: Egal, wie wir uns fortbewegen - wir benötigen dazu Energie. Selbst unser Körper ist ein „Kraftwerk“ und spaltet Moleküle (ATP, s. Frage 5), um Energie zu gewinnen. Motoren nutzen Benzin, Diesel, Strom oder andere Energieformen. Woher diese Energie kommt und in welcher Form sie genutzt wird, damit das möglichst umweltverträglich, effizient und einfach ist, ist allerdings eine andere Frage und eine wissenschaftliche Herausforderung.

Dass die Frage vor allem für die Klassen 10 und 11 recht "knackig" ist, wissen wir. Aber wir wollen ja nicht, dass ihr euch in den Weihnachtsferien langweilt ;-).
Wir werden bei der Korrektur ein Auge darauf haben.

Frage (Klassenstufen 7-11)

In Frage 2 sind Euch schon GtL, CtL und BtL begegnet. Das bereichern wir heute um lauter „Pt“s: Power-to-X (PtX) ist ein sehr breiter Begriff und beschreibt die Umwandlung von elektrischem Strom in verschiedene andere Energieformen. Power-to-Heat (PtH) bedeutet, dass Strom für die Wärmeerzeugung, z.B. mit Hilfe einer Wärmepumpe für Heizung und Warmwasser, genutzt wird. Die Begriffe Power-to-Gas (PtG) bzw. Power-to-Liquid (PtL) beschreiben die Nutzung elektrischer Energie, um gasförmige bzw. flüssige Stoffe zu erzeugen. Darunter fällt auch Power-to-Fuels (PtF), die Herstellung von Brennstoffen oder Kraftstoffen, z.B. Benzin (ähnlich habt ihr das schon in der zweiten Wochenfrage kennengelernt). Der Begriff Power-to-Chemicals (PtC) beschreibt die Nutzung der Energie zur Herstellung einer Chemikalie.

Ein wichtiges Zwischenprodukt bei vielen PtX-Prozessen ist Wasserstoff; Er wird in der Regel durch die Elektrolyse von Wasser hergestellt (s. Frage 2). Kreuzt an, in welchem gängigen Industrieprozess Wasserstoff keine Verwendung findet:

Ammoniaksynthese nach Haber-Bosch
Lebensmittelherstellung („Härten“ von Fetten)
Kühlung in Kraftwerken
Herstellung von Polyesterfasern

Lösung:

Für die Herstellung von Polyesterfasern braucht man keinen Wasserstoff.

Zusatzfrage (Klassenstufen 8-11)

Um organische Substanzen wie synthetische Kraftstoffe herzustellen, braucht man außer dem Wasserstoff auch noch eine Kohlenstoffquelle. Dies kann z.B. CO2 sein – das haben wir schließlich im Überfluss. Das CO2 kann aus Industrie- oder Kraftwerksprozessen abgetrennt werden oder auch direkt aus der Luft.

Ordnet richtig zu:
Prozesse, bei denen CO2 abgetrennt und in chemische Produkte umgesetzt wird, nennt man …

Carbon Capture and Utilization (CCU)
Carbon Capture and Storage (CCS)

Lösung:

Prozesse, bei denen CO2 abgetrennt und in chemische Produkte umgesetzt wird, nennt man CCU - Carbon Capture and Utilization.

Prozesse bei denen CO2 abgetrennt und direkt oder in Form von z.B. Kalk gespeichert wird, nennt man...

Carbon Capture and Utilization (CCU)
Carbon Capture and Storage (CCS)

Lösung:

Prozesse, bei denen CO2 abgetrennt und direkt oder in Form von z.B. Kalk gespeichert wird, nennt man Carbon Capture and Storage (CCS)

Zusatzfrage (Klassenstufen 9-11)

Spontan denkt man: Das ist doch prima: Wir nehmen unser überschüssiges CO2 – das muss sowieso irgendwo hin, und verwandeln es in Chemikalien oder Benzin! Wie immer haben solche Dinge den einen oder anderen Haken. Einer davon ist der Energieerhaltungssatz. Danach kann Energie in einem abgeschlossenen System nicht verloren gehen oder „verbraucht“ werden, sondern nur umgewandelt werden. Eine weitere Regel besagt, dass die Umwandlung von einer Energieform zu einer anderen wegen diverser anderer Erhaltungssätze selten vollständig erfolgt. Ihr kennt das vielleicht bei „Wärmekraftmaschinen“ (sprich Dampfmaschinen oder mechanischen Motoren): Da gibt es einen maximalen Wirkungsgrad, der bei der Umwandlung von Wärme in mechanische Energie nicht überschritten werden kann.

Nennt drei Formen von Energie.

Lösung:

mögliche Antworten:
Kinetische Energie, Wärmeenergie, chemische Energie, potentielle Energie, ...

Lösung:

mögliche Antworten:
Kinetische Energie, Wärmeenergie, chemische Energie, potentielle Energie, ...

Lösung:

mögliche Antworten:
Kinetische Energie, Wärmeenergie, chemische Energie, potentielle Energie, ...

Zusatzfrage (Klassenstufen 10-11)

Strom lässt sich dagegen theoretisch nahezu vollständig in alle anderen Energieformen umwandeln. Wie gesagt: theoretisch. Wer schon einmal das Ladegerät angefasst hat, während es den Akku des Mobiltelefons lädt, weiß, wohin die Energie geht…

Wie energieeffizient ein chemisches Verfahren ist, das heißt wie gut die verfügbare Energie für den angestrebten Zweck genutzt wird, kann man sehen, wenn man den Energiegehalt der Produkte mit dem Energiegehalt der Ausgangsstoffe vergleicht (und gegebenenfalls noch einen Energieeintrag für die Reaktion berücksichtigt).

Als Energiegehalt wird dabei die vollständige Verbrennung (Oxidation) mit Sauerstoff zugrunde gelegt. Man berechnet dazu die Reaktionswärme oder Reaktionsenthalpie.

Die Umwandlung von Wasserstoff und CO2 zu Methanol verläuft nach der Reaktionsgleichung:
CO2 + 3 H2 → CH3OH + H2O

Schauen wir uns die Edukt-Seite an:
CO2 ist schon vollständig oxidiert, hier ist sozusagen nichts mehr zu holen.
Bei der vollständigen Oxidation von Wasserstoff  werden -286 kJ/mol freigesetzt
Die Reaktion dazu: H2 + ½ O2  → H2O

Auf der Produkt-Seite haben wir folgendes:
Bei der Oxidation von Methanol erhalten wir -726 kJ/mol.
Die Reaktion dazu: CH3OH + 1,5 O2 → CO2 + H2O

Wir haben für euch gerechnet und präsentieren euch nun eine richtige und eine falsche Rechnung. Gebt an, welche Rechnung richtig ist, und weshalb.

Rechnung A

Edukte: -286 kJ/mol
Produkte: -726 kJ/ mol
Produkte / Edukte=  -726,51 / -285,83 = 2,54 oder 254,1 %

Rechnung B

Edukte: 3* -286 kJ/mol
Produkte: -726 kJ/ mol
Produkte / Edukte=  -726,51 / (3*(-285,83)) = 0,847 oder 84,7 %

Lösung:

Richtig ist Rechnung B. Der Faktor 3 im Nenner (Edukte) ist notwendig, wie der Blick auf die Gesamtgleichung zeigt. Denn es werden 3 Wasserstoffmoleküle (mol) benötigt, um ein Molekül (mol) Methanol herzustellen. Außerdem war ein Energiegewinn (> 100%) nicht zu erwarten, wenn man überlegt, weshalb wir die Frage gestellt haben.
Die chemische Umwandlung von Wasserstoff mit CO2 zu Methanol ist energetisch mit Verlusten behaftet. Die energetische Effizienz von chemischen Verfahren ist immer kleiner als 100%. Je mehr Prozesse nötig werden, desto weniger der ursprünglich vorhandenen Energie ist im finalen Produkt vorhanden. Für ein Produkt, was zur Energieumwandlung verbrannt wird, (z.B. ein Kraftstoff) ist es daher wichtig, die Prozesskette so kurz wie möglich zu halten.

Zusatzfrage (Klassenstufe 11)

Jetzt stellt Euch vor, das Methanol, das wir in Frage 4 so mühsam hergestellt haben, wird verbrannt.

Methanol verbrennt zu Wasser und Kohlenstoffdioxid:
CH3OH + 1,5 O2 → 2H2O +CO2

Der Chemiker mag es gerne ganz exakt, deshalb hat er so etwas Schönes wie die „Standardbildungsenthalpie“ erfunden. Sie beschreibt, wieviel Energie bei der Bildung von Molekülen aus ihren Elementen frei oder verbraucht wird. Wenn Energie entsteht, hat die Standardbildungsenthalpie ein negatives Vorzeichen. Die Elemente selbst haben (vereinfacht gesagt) eine Standardbildungsenthalpie von 0.

Wieviel Energie bei der Oxidation von Methanol freigesetzt wird, hatten wir oben schon einmal gesehen – allerdings davon ausgehend, dass flüssiges Wasser entsteht. Bei einer Verbrennung ist das allerdings nicht der Fall; da entsteht gasförmiges Wasser, dessen Bildungsenthalpie etwas geringer ist.

Die Werte für die einzelnen Standardbildungsenthalpien findet man in Tabellenwerken, wir haben die für diese Aufgabe wichtigen hier aufgelistet:

Methanol -239 kJ/mol
gasförmiges Wasser -242 kJ/mol
CO2 -394 kJ mol

Für die Gesamtenthalpie einer Reaktion wird die Summe aller Produkt-Enthalpien von der Summe aller Edukt-Enthalpien abgezogen.

Berechnet die Gesamtenthalpie der Reaktion zur Verbrennung von Methanol.

Lösung:

2 x (-242 kJ/mol) + (-394 kJ/mol) – (-239 kJ/mol) = -639 kJ/mol
Da der Sauerstoff elementar ist, hat er eine Enthalpie von 0 und taucht in der Rechnung nicht auf.

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