Moderne Alchemie: Power-to-X
 |
| Quelle:Pixabay |
Stell dir vor, es gibt genug Energie – und keiner kann sie brauchen. Was man sich in Zeiten, in denen wir alle Gas sparen müssen, und die Preise an den Tankstellen steigen, nicht vorstellen kann, ist dennoch ein Alltagsproblem für Energieversorger. Nämlich dann, wenn z.B. der Wind zu stark weht und die Windräder zu viel Strom produzieren. Das Problem kennt ihr schon aus der vorangegangenen Frage der Woche. Dort haben wir gelernt, dass man den Verbrauch in der Industrie erhöhen kann, statt die Windräder einfach abzuschalten. Es gibt aber noch eine Möglichkeit, was man mit der Energie anstellen kann: Mach „X“ daraus!
Frage (Klassenstufen 7-10, E und Q)
Sonne und Wind liefern uns Energie in Form von Strom. Dieser Strom soll nun mit Hilfe neuer Technologien und Prozesse in andere Stoffe umgewandelt und gespeichert werden. Die so gewonnenen Stoffe lassen sich dann z. B in Sektoren einsetzen, die wiederum viel Energie benötigen.
Power-to-X Prozesse nutzen Strom zur Herstellung von „X“ Produkten. Wofür steht das X? Kreuzt die richtige Antwort an.
a) Nur für Wasserstoff, da Wasserstoff der grundlegende Ausgangsstoff aller Folgereaktionen ist.
b) Nur für Gase.
c) Nur für Flüssigkeiten.
d) Für Flüssigkeiten und Gase. Wärmeerzeugung ist separat zu betrachten, da PtX nur auf stoffliche Produkte abzielt.
e) Für Flüssigkeiten, Wärme und Gase.
Lösung:
Richtig ist die Antwort
e) Für Flüssigkeiten, Wärme und Gase.
Frage (Klassenstufen 8-10, E und Q)
Wozu das Ganze? Durch Wind- und Sonnenkraft erhalten wir doch Energie in Form von Strom. Warum benötigen wir zusätzlich solche Power-to-X Technologien?
Welche beiden Antworten sind richtig?
a) Nicht alle Anwendungen können direkt mit Strom betrieben werden, bspw. Langstreckenflugzeuge oder Containerschiffe.
b) Spezielle Power-to-X-Technologien sind so effizient, dass man damit eine höhere Energieausbeute erreicht, als bei direkter Elektrifizierung
c) Strom aus erneuerbaren Energien fällt flexibel an, aber Abnehmer von Energie brauchen Planungssicherheit. Power-to-X-Produkte können die elektrische Energie in Form von chemischen Bindungen speichern.
d) Die Infrastruktur für Power-to-X-Produkte ist viel besser ausgebaut als die Stromnetze.
Lösung:
Richtig sind:
a) Nicht alle Anwendungen können direkt mit Strom betrieben werden
und
c) Strom aus erneuerbaren Energien fällt flexibel an, aber Abnehmer von Energie brauchen Planungssicherheit.
Frage (Klassenstufen 9-10, E und Q)
Ein wichtiges (Zwischen)produkt bei vielen PtX-Prozessen ist Wasserstoff. Wie wir bereits gelernt haben, wird er in der Regel durch die Elektrolyse von Wasser hergestellt.
Im Folgenden seht ihr ein paar Aussagen, warum man bei Power-to-X-Prozessen auf Wasserstoff als Produkt setzt. Eine davon ist allerdings falsch. Welche?
a) Wasserstoff ist ein grundlegender Ausgangsstoff für viele Folgereaktionen.
b) Wasserstoff ist energieeffizient speicherbar.
c) Wasserstoff lässt sich direkt aus Strom und Wasser herstellen.
d) Die Herstellung von Wasserstoff verbraucht weniger Energie als sie liefert.
e) Wasserstoff ist ein chemischer Speicher für erneuerbare Energie.
f) Bei Verbrennung von Wasserstoff zur Energierückgewinnung entsteht kein CO2.
g) Wasserstoff eignet sich als Kraftstoff für Raketen und als Energieträger für AKW.
Lösung:
Die Antwort d) ist natürlich falsch.
Frage (Klassenstufen 10, E und Q)
Es gibt aber noch weitere „Verwandlungs-Optionen“:
Im Rahmen von Power-to-X-Technologien kann man CO2 mit Wasserstoff in höherwertige Produkte umwandeln.
Bei sogenannten Synfuels oder E-Fuels handelt es sich um synthetische Kraftstoffe, die für eine klimaneutrale Nutzung aus drei wesentlichen Zutaten bestehen: erneuerbar erzeugter Strom, Wasser und CO2 aus der Luft. Mittels Elektrolyse wird Wasser zu Wasserstoff und das CO2 zu CO umgewandelt, das dann als Kohlenstoffquelle dient.
Mit welchem großtechnischen Verfahren können diese Gase zu Kraftstoffen wie Benzin, Diesel oder Kerosin umgewandelt werden?
Lösung:
Es handelt sie hier um das dem Fischer-Tropsch-Verfahren.
Frage (Klassenstufen E und Q)
Was ist das Problem bei der Umwandlung von CO2 mit H2 im Rahmen von Power-to-X Prozessen?
a) CO2 ist ein inertes Molekül. Daher benötigt die Umwandlung in andere Produkte einen hohen Energieeinsatz.
b) CO2 ist ein sehr reaktives Molekül. Daher reagiert es auch mit anderen Molekülen, die in den Anlagen vorhanden sind (bspw. Wasser aus der Luft).
c) CO2 ist sehr diffusiv. Das bedeutet, dass die Anlagen sehr gut abgedichtet werden müssen, damit CO2 nicht entweichen kann.
d) CO2 zerfällt leicht in seine Bestandteile C und O2. Unter Zugabe von H2 entsteht so eine hochexplosive Knallgasmischung (O2 + H2).
Lösung:
Richtig ist Antwort a).
Frage (Klassenstufe Q)
Derzeit werden sogenannte Basischemikalien - das sind Grundstoffe, mit denen die chemische Industrie arbeitet - aus Erdöl gewonnen. Eine wichtige Rolle spielt Methanol, das als Ausgangsstoff für weitere Prozessrouten dient. So können bspw. klimaschonende Kunststoffe auf Basis von Methanol erzeugt werden. Methanol wird aktuell in Deutschland zu etwa 60 % auf Basis von Schwerölrückständen erzeugt. Künftig kann Methanol aber auch auf Basis von Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff hergestellt werden.
Wie viel Kilogramm Wasserstoff benötigt man stöchiometrisch, um eine Tonne (1 t) Methanol herzustellen?
Die Umwandlung von Wasserstoff und CO2 zu Methanol verläuft nach der Reaktionsgleichung:
CO2 + 3 H2 → CH3OH + H2O
Handelt es sich um?
a) Etwa 7,3 kg
b)Etwa 52,5 kg
c) Etwa 187,5 kg
d) Etwa 333,33 kg
e) Etwa 1000,0 kg
Lösung:
Richtig sind etwa 187,5 kg
Gebt den Rechenweg an:
Lösung:
Rechenweg:
Die Reaktionsgleichung ausgehend von CO>sub>2 sieht wie folgt aus:
CO2 + 3 H2 → CH3OH + H2O;
d.h., für 1 mol Methanol benötigt man 3 mol H2. Die Molare Masse von Methanol beträgt (32 g/mol). Daher entspricht 1 Tonne Methanol 31250 mol. Daher benötigt man 93750 mol H2 (also die dreifache Menge) und über die Molare Masse von Wasserstoff (2 g/mol) ergeben sich somit 187,5 kg H2, die für die Herstellung von einer Tonne Methanol benötigt werden.