Brennstoffkunde

 

Entstehung fossiler Brennstoffe

 

Kohle

 

Erdöl

 

Erdgas und Flüssiggas

 

Brennstoffvorräte

 

Nachwachsende Brennstoffe

 

Brennstoffchemie

 

 

Tabelle 1        Zusammensetzung fester Brennstoffe (Holz, Braunkohle, Steinkohle)

                        Seite 4

 

Tabelle 12      Zusammensetzung  der wichtigsten Brenngase

                        Seite 23

 

Tabelle 13      Elementaranalyse der wichtigsten flüssigen und gasförmigen Brennstoffe  

                        Seite 23

 

Tabelle 14      Kennzahlen der wichtigsten flüssigen und gasförmigen Brennstoffe

                        Seite 23

 


 

Entstehung fossiler Brennstoffe

 

Steinkohle, Braunkohle, Ölsande, Ölschiefer, Lignit, Gashydrate, Erdgas, Erdöl, Torf  etc.  sind

fossile Brennstoffe. Sie sind aus der Biomasse früherer Zeiten entstanden. Die wichtigste  chemische Reaktion bei der Entstehung von Biomasse ist die Photosynthese, eine chemische Reaktion, bei der aus Kohlendioxid und Wasserdampf mit Hilfe von Photonen (Lichtenergie) Zucker und Sauerstoff entstehen:

 

6 CO2  +  6 H2O    +    Lichtenergie     Þ       C6H12O6     +      6 O2                                       (1)

 

Aus den Zuckermolekülen entstehen durch Polymerisation Stärke und Cellulose, die wiederum in andere biologische Stoffe umgewandelt werden können. Die heute von uns genutzten fossilen Energieträger haben sich durch geologisch bedingte Umwandlungen aus organischen Stoffen gebildet: Vor rund zwei Milliarden Jahren haben sich Lebewesen entwickelt, die mit Hilfe des Farbstoffes „Chlorophyll“ die Reaktion nach Gl. (1) ermöglichen. Damals war die Erdatmosphäre sehr arm an Sauerstoff. Den Luftsauerstoff der Atmosphäre hat die Photosynthese aus Kohlendioxid und Wasser erzeugt, gleichzeitig wurde Biomasse produziert. In Kenntnis der Sauerstoffmasse der Atmosphäre kann aus Gl. (1) die gesamte Biomasse der Erde errechnet werden.

 

Würde man zur Deckung des weltweiten Energiebedarfes die als fossiler Brennstoff konservierte Biomasse verbrennen, wäre der Luftsauerstoff nach Gl. (2) restlos in Kohledioxid zurückgewandelt, da die Verbrennung eine Umkehrung der Photosynthese darstellt:

 

C6H12O6    +   6 O2        Þ       6 CO2     +       6 H2O     +  Verbrennungswärme                   (2)

 

Die Verbrennung fossiler Brennstoffe träg dazu bei, die heutige Erdatmosphäre der vor Milliarden Jahren ähnlich zu machen (Klimakatastrophe!), da zwischen Entstehung  und Verbrennung dieser Brennstoffe Jahrmilliarden liegen. Die Verbrennung nachwachsender Brennstoffe  ist wiederum CO2-neutral, da zwischen der Entstehung  und der Verbrennung in diesem Fall nur eine kurze Zeitspanne vorhanden ist.

 

Fossile Brennstoffe sind tote Biomasse, welche vor Jahrmillionen abgestorben ist und durch geologische Prozesse in Steinkohle, Braunkohle, Lignit, Torf, Erdöl und Erdgas sowie verschiedene Mischprodukte wie Ölsande, Ölschiefer, Gashydrate etc umgewandelt wurde.  In einer ersten Stufe werden Pflanzen und Tiere kurz nach ihrem Absterben durch Schlamm oder Wasser vom Luftsauerstoff abgetrennt - beispielsweise Vegetationsflächen, die überflutet werden, oder Tiere, die im Schlamm einsinken. Die darauf folgende anaerobe, also sauerstofflose Zersetzung durch entsprechende Mikroorganismen überführt die tote Biomasse in Kohlenstoff- und Kohlenwasserstoffverbindungen verschiedener Zusammensetzung sowie andere Verbindungen mit einer Konzentrierung des Kohlenstoffgehalts.

 

Aufgabe 1: Berechnen Sie anhand Gl. (1) den Kohlenstoffgehalt der gesamten Biomasse der Erde unter der Annahme, dass sowohl die organische Kohlenstoffmasse als auch die Sauerstoffmasse in der Atmosphäre durch die Photosynthese entstanden ist. Die Sauerstoffmasse der Atmosphäre beträgt ca. 1,2 ×109 Millionen Tonne. Vergleichen sie die errechnete Kohlenstoffmasse mit der Masse der Biosphäre in Abbildung 4 der Vorlesung „Feuerungen und Umwelt“.

 

 

 

Aufgabe 2: Zeigen Sie anhand der Reaktionen nach den Gleichungen (1) und (2), dass die Verbrennung fossiler Brennstoffe die Umwandlung von der Sonnenenergie in Wärme bedeutet.

Kohle

 

Umrechnungen: Die durchschnittliche chemische Energie (Verbrennungswärme) der Steinkohle ist die Steinkohleneinheit, SKE. Eine Tonne Steinkohleneinheit (1 t SKE) entspricht der Verbrennungswärme von etwa 0,691t Erdöl, oder   850 Nm3 Erdgas und ist    29×109 Joule. Nach den bekannten „sicheren Reserven“ ist der weltweite Kohlebedarf etwa für 200  Jahre gedeckt.

 

Kohlenbildung oder Inkohlung bezeichnet den unter fast vollständigem Sauerstoffabschluss erfolgenden Umbildungsvorgang von pflanzlicher Substanz zu den verschiedenen Kohlenarten. Stein- und Braunkohle haben sich vor 350 – 270 Millionen Jahren im feuchtheißen Klima des Karbonzeitalters aus Sumpfmoorwäldern gebildet. Typische Pflanzen dieser Wälder waren große Farne, baumartige Schachtelhalme und Schuppenbäume. Zunächst entstand torfähnliches Material und dann durch Inkohlungsprozesse unter Druck Braunkohle. Erst durch größeren tektonischen Druck und höhere Temperatur bildete sich Steinkohle. Durch längerfristige Einwirkung von Auflastdruck und erhöhter Temperatur nimmt der relative Anteil an Kohlenstoff zu und der Anteil an flüchtigen Stoffen ab (CH4 , CO2).

 

Nach Art der organischen Ausgangsstoffe unterscheidet man Humus- und Sapropel-Kohlen, zwischen denen aber Übergänge bestehen. Humus-Kohlen sind aus dem Lignin und der Cellulose von Pflanzen hervorgegangen, Sapropel-Kohlen (Bitumen-Kohlen) aus den Eiweiß- und Fettstoffen des Faulschlamms. Die Humus-Kohlen machen über 80% aller Kohlen aus. Nach dem Inkohlungsgrad und anderen damit in Zusammenhang stehenden Merkmalen teilt man die Kohlen in zwei Gruppen ein, Braunkohle und Steinkohle, diese wiederum in verschieden Arten (Tab. 1).

 

Bei der Weich-Braunkohle (von Baumstümpfen und Baumstämmen durchsetzt) unterscheidet man erdige (weiche) und stückige Sorten, bei der Hart-Braunkohle die schwarzbraune, dichte Matt-Braunkohle und die schwarze, harte, durch muscheligen und glänzenden Querbruch charakterisierte Glanz-Braunkohle (auch Pech-Kohle genannt). Die einzelnen Arten der Steinkohle (mit zunehmenden Inkohlungsgrad) sind: Flamm-Kohle, Gasflamm-Kohle, Gas-Kohle, Fett-Kohle, Ess-Kohle, Mager-Kohle und Anthrazit. Bei Braunkohle bestehen die organischen Bestandteile aus dem Bitumenanteil (vor allem Harze und Wachse) sowie aus Huminstoffen (humusbildende Stoffe). Daneben enthält jede Kohle anorganische, unverbrennbare Ballaststoffe (Aschebestandteile). Das in den Kohle-Flözen enthaltene Grubengas (hauptsächlich Methan) ist bei der Inkohlung frei geworden, die Kohlensäure größtenteils zugewandert (vulkanischen Ursprungs).

 

Die chemische Zusammensetzung der Kohle ist äußerst kompliziert. Bei der Steinkohle liegen nur 10% des Kohlenstoffs frei vor; der Rest ist in einem Verbindungsgemisch enthalten, das vor allem aus aliphatischen und aromatischen Kohlenwasserstoffen besteht, in denen außer Sauerstoff zum Teil auch Schwefel und Stickstoff chemisch gebunden sind. Humuskohlen bestehen zu einem großen Teil aus aliphatischen Verbindungen, Sapropelkohlen enthalten viel Aromaten. Bei der Verbrennung aromatischer Kohlenwasserstoffe entsteht Russ. Schwefel verbrennt zu Schwefeldioxid und –Trioxid. Organisch gebundener Brennstoffsauerstoff neigt zu Formaldehydbildung bei der Verbrennung. Organisch gebundener Brennstoffstickstoff erhöht die Wahrscheinlichkeit der Stickoxidbildung bei der Verbrennung.


 

Tabelle 1 zeigt die chemische Zusammensetzung fester Brennstoffe. In den Tabellen 2 und 3 sind die weltweit bekannten Steinkohlenreserven der Erde in den Jahren 1955 und 1986 zu sehen.

 

Wasser-

Gehalt

%

Flüchtige Bestandteile  %

Brennbare Gase  %

Kohlenstoff 

(wasser- u. aschefrei)  %

Wasserstoff

(wasser- u. aschefrei)  %

Sauerstoff

(wasser- u. aschefrei)  %

Heizwert   kJ/kg

Holz

35 – 45

80 - 85

40 - 45

45 – 50

5 – 7

40 – 43

17000 – 20000

 

Braun-

 

kohle

Weichkohle

45 – 60

70 – 50

10 - 25

65 – 70

5 – 9

18 – 30

25100 – 26800

Hartkohle

(Pechkohle)

10 – 30

64 – 45

15 - 35

70 – 75

5 – 6

12 – 18

26800 – 28500

 

 

 

Stein-

 

 

 

kohle

Flammkohle

4 – 7

40 – 45

35 - 40

75 – 82

5,8 - 6,0

> 9,8

bis 32850

Gasflammkohle

3 – 6

35 – 40

30 - 35

82 – 85

5,6 - 5,8

9,8 - 7,3

bis 33900

Gaskohle

3 – 5

28 – 35

25 - 30

85 – 87

5,0 - 5,6

7,3 - 4,5

bis 35000

Fettkohle

2 – 4

19 – 28

17 - 24

87 – 89

4,5 - 5,0

4,5 - 3,2

bis 35400

Esskohle

2 – 4

14 – 19

12 - 15

89 – 90

4,0 - 4,5

3,2 - 2,8

35400

Magerkohle

1 – 3

10 – 14

  9 - 12

90 - 91,5

3,75 - 4,0

2,8 - 2,5

bis 35600

Anthrazit

< 2

  6 – 10

  5  -  9

> 91,5

< 3,75

< 2,5

bis 36000

Tabelle 1: Zusammensetzung fester Brennstoffe. Torf und Lignit liegen ihrer Zusammensetzung nach zwischen Holz und Braunkohle. Mit zunehmender Inkohlung steigt der Heizwert, der Kohlenstoffgehalt und sinken Wasser- und Sauerstoffgehalt und flüchtige Bestandteilen.

 

Steinkohlenreserven, Stand 1955

 

Reserve in Mio. T

Reserve in1015 J   

Europa

  339188

9836452

Asien

  547880

15888520

UdSSR

  947000

27463000

Afrika

    72370

2098730

Nordamerika

1608525

46647225

Südamerika

      4523

131167

Australien

    13650

395850

Total

3591346

1.04149034

Tabelle 2:  Welt-Steinkohlereserven, Stand 1955, Quelle: Új Magyar Lexikon, 1962

 

Steinkohlenreserven, Angaben in 1015 J, Stand 1986

 

Reserve

Förderung

Reserve / Förderung  [Jahr]

Nordamerika

  3782335

22174

170

Lateinamerika

      75552

    758

  99

Westeuropa

    970291

  8332

116

Naher Osten

 

      29

 

Afrika

  1833213

  4149

442

Asien u. Australien

  1186733

  9693

122

UdSSR

  3036608

15818

192

VR China

  4365124

22568

193

Osteuropa

    897083

14793

  61

Total

1.8146939

98315

184

Tabelle 3: Welt-Steinkohlereserven, Stand 1986, Quelle: The World Ressource Institute, 1988-89

Die Reserven haben sich trotz intensiver Förderung zwischen 1955 und 1985 beinahe verdoppelt, da mehr Kohle gefunden als verbraucht wurde.


 

 

Aufgabe 3: Welcher Anteil der gesamten Biomasse der Erde ist in Form von bekannten Welt-Steinkohlenreserven vorhanden? Entnehmen Sie die zu dieser Aufgabe benötigten Daten aus der Lösung der Aufgabe 1 und aus den Tabellen 2 und 3. Gehen Sie bei der Berechnung von einem Kohlenstoffgehalt der Steinkohle von 85 % aus (Mittelwert in Tabelle 1 für Steinkohle).

 

 

 

Aufgabe 4:  Warum neigt die Kohlenverbrennung zu Russbildung?

 

 

Aufgabe 5: Warum neigt die Holzverbrennung zu Formaldehydbildung?

 

 

Erdöl

 

Umrechnungen: Der Energieinhalt  von 1 t Erdöl  entspricht etwa  1270 Nm3 Erdgas  oder

1,5 t SKE bzw.  44×109 J. Die Mengenangabe erfolgt gelegentlich in Gallone (ca. 3,8 l) oder Barrel (Fass, ca. 159 l). Nach den bekannten „sicheren Reserven“ ist der weltweite Erdölbedarf etwa für 35 – 45 Jahre gedeckt. Die „Ressourcen„ d.h. geschätzten aber nicht nachgewiesenen Reserven liegen deutlich höher.

Auch Erdöl und Erdgas sind biogenen Ursprungs. Man vermutet, dass aus dem Meeresplankton und dem daraus entstandenen Faulschlamm unter Mithilfe von anaeroben Bakterien Kohlenwasserstoffverbindungen gebildet wurden. Unter dem Einfluss von hohem Druck und Erdwärme soll in Jahrmillionen Erdöl entstanden sein. Erdöl und Erdgas wurden schließlich in höhere Schichten verdrängt, bis sie an undurchlässige Ton- oder Salzschichten stießen.

 

Zusammensetzung: Erdöl (Petroleum, Rohöl, Steinöl, Bergöl) ist ein kompliziertes Gemisch von etwa 500 verschiedenen Kohlenwasserstoffen: Aliphaten, Naphthenen und Aromaten mit wechselnden Anteilen ungesättigter Kohlenwasserstoffe. Die Farbe ist wasserklar bis fast schwarz, grünlich fluoreszierend, sie sind viskos; Dichte zwischen 0,65 u. 1,02.   Aufgrund neuerer Forschungen wird angenommen, dass sich das Erdöl in vorgeschichtlicher Zeit hauptsächlich aus tierischen Substanzen (Kohlenhydrate, Fette u. Eiweiße), z.B. aus dem Plankton (Faulschlamm), gebildet hat.

 

Die chemische Zusammensetzung schwankt je nach Fundort sehr stark: Vorkommen u.A. in Russland (Sibirien), USA (Pennsylvania), Saudi-Arabien, Mexiko, China, Großbritannien, Venezuela, Irak, Iran, Kuwait, Libyen, Norwegen, Rumänien, Kanada, Indonesien, Nigeria u. Ägypten; geringe deutsche Vorkommen in  Niedersachsen (bei Hannover und im Emsland) und in Schleswig-Holstein. Aus dem Meeresboden und in Küstennähe erfolgt die Gewinnung von Bohrinseln aus. Das nach Anbohren der bis zu 6000 m tiefen erdölführenden Schichten entweder unter eigenem Druck an die Erdoberfläche tretende oder hochgepumpte Erdöl / Erdgas wird durch Pipelines zu den Raffinerien befördert und dort in oft vollautomatisch arbeitenden Anlagen einer fraktionierten Destillation unterworfen. Man destilliert dabei zunächst unter Normaldruck die bis etwa 200 °C siedenden Bestandteile ab, wobei Petrolether (Gasolin, Lösungsmittel) bei 40–70 °C, Leichtbenzin bei 70–90 °C, Petroleum (Schwerbenzin, für Düsenflugzeuge) bei 100–150 °C u. Ligroin (Lack-, Testbenzin) bei 100–180 °C gewonnen werden.


 

Der Rückstand wird im Vakuum destilliert, wobei man Leuchtpetroleum (Traktorentreibstoff) bei 200 bis 300 °C, Gasöle (Dieselöl, Haushaltsheizöl) bei 300–350 °C sowie Spindel-, Maschinen- u. Zylinderöle erhält. Die über 350 °C siedende Rückstände trennt man in Schmieröle, Vaseline, feste Paraffine u. Asphaltrückstände. Meist werden die höhersiedenden Öle durch einen gelenkten Crackprozess (katalytisches oder thermisches Cracken) in niedrigsiedende Bestandteile aufgespaltet, wodurch die Benzinausbeute größer wird.

 

Name der Fraktion

Siedebereich [°C]

Verwendung

Petrolether / Gasolin

40 - 70

Fleckenwasser / Lösungsmittel

Leichtbenzin

60 – 100

Vergaserkraftstoff

Schwerbenzin

100 – 150

Vergaserkraftstoff

Ligroin

120 – 150

Lösungsmittel/Waschbenzin

Petroleum/Kerosin

150 – 300

Beleuchtungsmittel

Gasöl

250 – 350

Dieselmotoren / Heizöl EL

Schmieröl

> 300

Maschinen-/Motorenöl

Bitumen

Rückstand

Straßenbau/Dachpappe

 

Tabelle 4: Die wichtigsten Erdölprodukte.

 

Man erkennt aus Tabelle 4, dass Dieselöl und Heizöl EL den gleichen Siedebereich aufweisen. Der unterschied zwischen diesen Brennstoffen besteht in einigen physikalischen (z.B. Viskosität, Stockpunkt) und chemischen Anforderungen (z.B. Schwefelgehalt).

 

Die Gefahren der Erdölproduktion und –Verbrauch sind:

a) 1 Liter Öl verseucht 1 Million Liter Wasser;

b) Ölschicht an der Wasseroberfläche ist luftundurchlässig;

c) Bodenverseuchung,

d) Feuer- und Explosionsgefahr.

 

Tabellen 5 und 6 zeigen die Welt-Rohölreserven und die Verfügbarkeit in den Jahren 1986 und 2000. In diesem Zeitraum stiegen die Reserven von 3,9 ×1021 Joule  auf   6,1 ×1021 Joule und die Verfügbarkeit von 32 auf 39 Jahre. Zwar zeigen die Reserven und die Verfügbarkeit einen steigenden Charakter. Es muss jedoch darauf hingewiesen werden, dass ca. 80 % der Welt-Rohölreserven im Nahen Osten, d.h. in einer politisch unsicheren Region liegen.

 

Erdölrserven, Angaben in 1015 J, Stand 1986

 

Reserve

Förderung

Verfügbarkeit:  Reserve / Förderung  [Jahr]

Nordamerika

  213537

23845

9

Lateinamerika

  519188

13834

38

Westeuropa

  100488

  8299

12

Naher Osten

2294476

26772

86

Afrika

  305651

10501

29

Asien u. Australien

  104675

  7449

14

UdSSR

  334960

25666

13

VR China

  100488

  5468

19

Osteuropa

    12561

    963

13

Total

3.986024

122796

32

 

Tabelle 5 : Welt-Rohölreserven, Stand 1986, Quelle: The World Ressource Institute, 1988-89


 

 

Erdölreserven, Angaben in Mio. Tonnen,  Stand 2000

 

Reserve

[Mio. Tonnen]

Förderung

[Mio. Tonnen]

Verfügbarkeit

[Jahr]

Reserve

[1015 J]

Nordamerika u. Mexiko

7.413

650,3

11

  326172

Südamerika

10.750

346,6

31

  473000

Europa (West)

2.272

332,9

  7

    99968

Naher Osten

90.369

1.112

81

3.976236

Afrika

8.113

360,7

22

  356972

Frühere UdSSR

7.754

394,5

20

  341176

VR China

3.288

160,8

20

  144672

Sonstige Länder

9.748

213,2

46

  428912

Total

139.707

3.571

39

6.147108

 

Tabelle 6: Welt-Rohölreserven, Stand 2000, Quelle: Mineralölwirtschaftsverband

(http://www.vebaoel.de/oel-welt/oel_fakten/oelreserven.html)

Ähnlich wie bei Kohle sind in der Vergangenheit die Reserven mit der Zeit ständig gewachsen

(siehe Abb. 5 und 6)

 

 

Aufgabe 6: 1 Liter Öl kann 1 Million Liter Wasser verseuchen. Wie ist es erklärbar,  wenn das Öl in Wasser unlöslich ist?

 

 

Aufgabe 7: Was ist die Folge, dass die Ölschicht an der Wasseroberfläche luftundurchlässig ist?

 

 

Aufgabe 8: Was ist der wesentliche Unterschied zwischen Dieselöl und Heizöl?

 

 

 

 

Erdgas und Flüssiggas

 

Umrechnungen: Energieinhalt von 1000 Nm3 Erdgas  » 0,79 t Öl » 1,18 t SKE » 34,6×109 J. Nach den bekannten „sicheren Reserven“ ist der weltweite Erdgasbedarf etwa für 60 – 70 Jahre gedeckt. Die „Ressourcen„ d.h. geschätzten aber nicht nachgewiesenen Reserven liegen deutlich höher.

Der Begriff Erdgas umfasst alle gasförmigen Kohlenwasserstoffverbindungen, die aus der Erde stammen und brennbar sind. Die Zusammensetzung von Erdgas kann variieren. Hauptbestandteile sind Methan (CH4), chemisch gesehen also eine organische Verbindung aus den Elementen Kohlenstoff ( C ) und Wasserstoff ( H ) mit  einem Volumenanteil von 80 – 99 % und Ethan  (C2H6) mit einem Anteil von 1 – 10 %. Weitere häufige Erdgaskomponenten sind: Stickstoff, Kohlendioxid, Propan(C3H8)  und Butan(C4H10). Propan und Butan sind bei Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck gasförmig, bei erhöhtem Druck sind sie flüssig (Flüssiggas).


 

Erdgas  aus Kohle: Aus den Ablagerungen höherer Pflanzen entstanden Kohleflöze (Inkohlungsprozess). Vereinzelt sackten diese Kohleflöze in größere Erdschichten ab. Durch den Tiefendruck und die hohen Temperaturen kam es zu einer "Nachinkohlung", wobei sich Kohlenstoff anreicherte und andere Gase, wie z. B. Sauerstoff, Wasserstoff und Methan, verdrängt wurden. Diese Gase sammelten sich an und bildeten riesige Vorkommen.


Erdgas  aus Ölschiefer: Durch hohe Temperaturen kann aus Ölschiefer in einer Art Crackprozess Erdgas entstehen. Heutzutage bleiben diese Vorkommen noch überwiegend unberücksichtigt, in der Zukunft können die Ölschiefervorkommen jedoch an Bedeutung gewinnen.

 

Erdgas  aus  Erdöl: Aus Erdöl entweicht nach der Druckentspannung Methan, Ethan, Propan und Butan. Dieses Gemisch wird auch als „Nassgas“ bezeichnet, im Gegensatz zu der Mischung aus Methan und Ethan (Trockengas). Durch technologische Trennung  gewinnt man aus dem Nassgas Trockengas und Flüssiggas (Propan, Butan oder eine Mischung aus Propan und Butan).

 

Erdgasreserven, Angaben in 1015 J, Stand 1986

 

Reserve

Förderung

Verfügbarkeit

Reserve / Förderung [Jahr]

Nordamerika

  310720

19654

  16

Lateinamerika

  213620

  2835

  72

Westeuropa

  240808

  6511

  36

Naher Osten

1013724

  2010

500

Afrika

  221388

  1792

130

Asien u. Australien

  217504

  3894

  54

UdSSR

1705076

25851

  66

China

    31072

    494

  65

Osteuropa

    15536

  2629

    6

Total

3.969448

65669

  60

 

Tabelle 7a : Welt-Erdgasreserven, Stand 1986, Quelle: The World Ressource Institute, 1988-89

 

Erdgasreserven,  Stand 1993

 

Reserve in Mrd. m³

      Reserve in 1015 J

UdSSR

  56500

1954900

USA

    4700

162620

Kanada

    2700

93420

Niederlande

    1900

65740

GB

      600

20760

Indonesien

    1800

62280

Algerien

    3600

124560

Saudi Arabien

    5300

183380

Norwegen

    2000

69200

Mexiko

    2000

69200

Venezuela

    3700

128020

Iran

  20700

716220

Argentinien

      800

27680

Deutschland

      300

10380

China

    1700

58820

Total

142000

4.913200

 

Tabelle 7b : Welt-Erdgasreserven, Stand 1993, Quelle: Brockhaus Enzyklopädie, 2001. Die Reserven sind ähnlich wie bei Kohle und Rohöl in der Vergangenheit ständig gewachsen.


 

Tabellen 7a und 7b zeigen die Entwicklung der Welt-Erdgasreserven. Energiebezogen sind die Welt-Erdgas und Welt-Erdölreserven in etwa gleich. Die Gasreserven sind jedoch territorial viel gleichmäßiger verteilt als die Ölreserven. Bezogen auf gleiche Kohlendioxidfreisetzung wird bei Erdgas mehr Energie freigestellt als bei allen anderen fossilen Brennstoffen.

 

Brennstoffvorräte

 

Die Tabellen 2, 3 und 5 – 7 zeigen, dass in der Vergangenheit die Energiereserven der Erde ständig zugenommen haben. Dies ist der Fall, wenn in einem Zeitraum mehr Lagerstätten  gefunden als verbraucht werden.  Bei den Lagerstätten fossiler Brennstoffe unterscheidet man zwischen Reserven (oft sichere Reserven genannt) und Ressourcen (unsichere Reserven)

 

Reserven: Die Brennstoffmenge der Reserven ist durch geologische Vermessungen genau bekannt. Nur solche Lagerstätten werden zu den Reserven gezählt, deren Abbau wirtschaftlich rentabel ist. Bei sinkenden Rohölpreisen sinkt die als Reserve definierte Brennstoffmenge, da durch die niedrigen Preise weniger Brennstoff wirtschaftlich abbaubar ist. Entsprechend steigt die Brennstoffmenge der Reserven bei steigenden Energiepreisen.

 

Ressourcen: Zu den Ressourcen zählen Lagerstätten, deren Abbau bei den aktuellen Brennstoffpreisen wirtschaftlich nicht rentabel ist, ferner solche, deren Brennstoffmenge nur geschätzt werden kann, weil zu einer genauen Mengenangabe noch nicht hinreichend viele Messbohrungen vorhanden sind. Bei allen fossilen Brennstoffen ist die als Ressource angegebene Brennstoffmenge ca. acht bis zehnmal höher als die der Reserven.

 

Verfügbarkeit [Reserve / (jährliche Förderung)]: In den vergangenen 100 Jahren haben sich sowohl die Reserven als auch die Ressourcen vervielfacht, da mehr Brennstoff gefunden als verbraucht wurde. Bei steigenden Reserven und steigender Förderung ergab sich im vorigen Jahrhundert eine etwa konstante oder langsam zunehmende Verfügbarkeit. Die auf die Weltreserven bezogene Verfügbarkeit beträgt für Rohöl gegenwärtig ca. 30 – 40 Jahre, für Erdgas ca. 80 Jahre und für Steinkohle ca. 200 Jahre. Da die Vermessung der Lagerstätten kostspielig ist, bleibt der Zeitraum der gesicherten Verfügbarkeit der fossilen Brennstoffe auf wenige Jahrzehnte beschränkt. Die Verknappung fossiler Brennstoffe ist weniger darin zu sehen, dass keine Lagerstätten mehr gefunden werden, sondern darin, dass Neufunde oft an geographisch schwer zugängigen Orten (z.B. Tiefsee, Polargebiet) oder an politisch unstabilen Regionen (z.B. Naher Osten) liegen.

 

 

 

Aufgabe 9: Warum sind die Welt-Rohölreserven während des Zweiten Weltkrieges  gesunken und während des Arabisch-Israelischen-Krieges 1973 gestiegen?

 

 

 

 

Der Trend, dass immer mehr Reserven an fossilen Brennstoffen gefunden als verbraucht werden, ist in den vergangenen Jahrzehnten umgekippt. Die globale Versorgung ist zwar für Jahrzehnte gesichert, die neuen Funde sind jedoch zunehmend schwer abbaubar.

 

 

Abbildung 1: Weltweite Ölreserven und –verbrauch; Quelle: Oil & Gas J., Stand 2001

 

Aus heutigem Stand können in den kommenden Jahrzehnten die weltweiten Ölreserven knapp werden. Die Gasversorgung scheint etwas längerfristig gesichert zu sein. Der sicherste fossile Energieträger bleibt jedoch die Kohle. (Abb. 2.)

 

 

 

 

Abbildung 2: Fossile Energiereserven; Quelle: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, 1963


 

 

 

Abbildung 3: Warnung von einer Unterversorgung an flüssigen Kohlenwasserstoffen aus europäischer Sicht; Quelle: Endbericht Vorstudie im Auftrag des Deutschen Bundestages, Büro für Technikfolgenabschätzung (TAB); D-85521 Ottobrunn, Jörg Schindler,  Werner Zittel, 2001

 

 

Abbildung 4: Zunehmende Anstrengungen für Aufrechterhaltung der Energieversorgung; Quelle: siehe Abbildung  3.


 

Für die kommenden Jahrzehnte scheint die Versorgung an fossilen Brennstoffen gesichert zu sein. Eine eventuelle Verknappung kann eher bei flüssigen Brennstoffen auftreten. Als größte Unsicherheit wird durch die politische Unstabilität der Förderländer angesehen (Abb. 5)

 

Abbildung 5

 

Quelle siehe Abbildung 3.

 

 

Aufgabe 10: Zeigen Sie anhand der Abbildungen dieses Kapitels, dass für die Kommende Generation eine Verknappung fossiler Brennstoffreserven zu befürchten ist.

 

 

 

Nachwachsende Brennstoffe

 

 

Die Anwendung erneuerbaren oder regenerativen Energien belastet nicht die Atmosphäre mit Treibhausgasen. Als erneuerbare Energien werden a) Geothermische Energie, b) Windenergie, c) Sonnenenergie, d) Wasserkraft und e) Bioenergie bezeichnet. Die zukünftige Bedeutung der Bioenergie steigt eher aus umweltpolitischen Gründen als wegen der tatsächlichen Erschöpfung der Vorräte steigen. Nachwachsende Brennstoffe belasten deutlich geringer die Umwelt mit Kohlendioxid als fossile Brennstoffe.

Schon heute könnte der gesamte Energiebedarf durch regenerative Energien gedeckt werden. Wie Tabelle 8 zeigt, hat die Sonnenenergie hierbei das höchste Potential.


 

Energieform

mögliche Deckung

heute technisch nutzbar

 

Die Zahlen geben das x-Fache des Weltenergiebedarfs an.

direkte Sonnenenergie

2.850

3,8

Windenergie

200

0,5

Biomasse

20

0,4

Erdwärme

5

1,0

Meeresenergie

2

0,05

Wasserkraft

1

0,15

Gesamt:

3.078

5,9

Tabelle 8: Mögliche Deckung des Weltenergiebedarfs durch erneuerbare Energien.  Quelle: Forschungsverbund Sonnenenergie (FVS/Berlin)

Aus Tabelle 8 ist zu entnehmen, dass der gesamte Weltenergiebedarf 3.078 Mal durch regenerative Energiequellen gedeckt werden kann. In Deutschland wurde 1999 neun Prozent des Strombedarfs erneuerbare Energie abgedeckt.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abbildung 6: Aufkommen biogener Rest- und Abfallstoffe in Deutschland im Jahr 1999; Quelle: L. Lieble, Biomasse als Energieträger, BWK 11/2003

 

Abbildung 6 zeigt Aufteilung des Bioenergieaufkommens in Deutschland im Jahr 1999. Etwa ein Fünftel dieser Energiequelle ist der Brennholz.


 

Für den Einsatz von Brennholz als Energieträger liegen mangels ausreichender statistischer Grundlage keine zuverlässigen Mengenangaben vor. Die EU-Kommission kündigt an, den Anteil erneuerbarer Energien am Primärenergieverbrauch in der EU von derzeit etwa 6 % (davon Biomasse ca. 3 %) bis zum Jahr 2010 zu verdoppeln. In Deutschland soll bis zum Jahr 2010 der Anteil erneuerbarer Energien am Primärenergieverbrauch von heute  2 % auf 4 % verdoppelt werden. Bis zum Jahr 2050 sollen 50 % der Primärenergie regenerativ erzeugt werden.

 

Eine Prognose über das potentielle Rohholzaufkommen in Deutschland bis zum Jahr 2020 der Bundesforschungsanstalt für Forst- und Holzwirtschaft (BFH) hat gezeigt:

In unseren Wäldern sind genügend Ressourcen vorhanden, um nachhaltig Rohholz in steigendem Umfang bereitzustellen. Die Gesamtmenge des nachhaltig verfügbaren Rohholzaufkommens wird auf jährlich ca. 58 Mio. m3 geschätzt. Bisher wurden davon nur rund 70 % eingeschlagen. Selbst bei Ausschöpfung des errechneten nachhaltigen Gesamtaufkommens ergäbe sich wegen der Einhaltung eines Sicherheitsabstands zur maximalen Holzproduktion in den Wäldern noch eine Vorratsanreicherung von durchschnittlich ca. 1,5 m3 pro ha und Jahr.  Der gegenwärtige Holzverbrauch beträgt etwa 1,1 m3 Pro ha und Jahr. (Quelle: Bundesforschungsanstalt für Forst- und Holzwirtschaft, BML 532)

 

 

Maßeinheiten für Brennholz

1 Festmeter (fm)        =         1 m³ feste Holzmasse

1 Raummeter (rm)     =         1 m³ geschichtete Holzteile inkl. Luftzwischenräume

1 Schüttraummeter (Srm) =1 m³ geschüttete Holzteile (Stückholz, Hackgut, usw.)

Tabelle 9: Umrechnung der Maßeinheiten für Brennholz. Quelle: Bundesforschungsanstalt für Forst- und Holzwirtschaft, BML 532


 

 

Feuchte [%]

Fichte

Laubholz

Schlagbaum

100

450 - 550 kWh/Sm3

800 - 900 kWh/Sm3

350 - 500 kWh/Sm3

  75

500 - 600 kWh/Sm3

850 - 950 kWh/Sm3

400 - 550 kWh/Sm3

  50

550 - 650 kWh/Sm3

900 - 1’000 kWh/Sm3

450 - 600 kWh/Sm3

  25

600 - 700 kWh/Sm3

950 - 1'050 kWh/Sm3

500 - 650 kWh/Sm3

Sm3 = Schnitzelkubikmeter  (Schüttraummeter);

100 % Feuchte entspricht dem „waldfrischen“ Holzschlag

 

Tabelle 10: Heizwert von Brennholz. Quelle: Bundesforschungsanstalt für Forst- und Holzwirtschaft, BML 532

 

 

 

Aufgabe 11:  Die Gesamtmenge des nachhaltig verfügbaren Rohholzaufkommens wird auf jährlich ca. 58 Mio. m3 (Festmeter) geschätzt. Bisher wurden davon nur rund 70 % eingeschlagen.  Rund 38 Millionen Tonnen leichtes Heizöl sind 1996 in Deutschland verbraucht worden. Wie viel von diesem Heizöl könnte durch Brennholz ersetzt werden, wenn man das ganze verfügbare Holzaufkommen einschlägt und die Hälfte davon als Brennholz verbraucht? Gehen Sie aus einem Mix von 1/3 Fichte,  1/3 Laubholz und 1/3 Schlagbaum bei je 50 % Feuchte aus.  Gehen Sie bei den Umrechnungen aus

Festmeter – Schüttraummeter bei Stückholz,

Heizwert von Heizöl 10  kWh/Liter  und

Heizöldichte von 830 kg/m3 aus.

 

 

 

Aufgabe 12: Stellen sie die Reihefolge auf, welche Heizung den Treibhauseffekt mehr verstärkt bei einem Stromverbrauch mit Heizstrom-Mix gemäß Tabelle 11.

A)     Wärmepumpe mit Umgebungsluft als Wärmequelle, Jahresleistungszahl 2,5;

B)      Wärmepumpe mit Grundwasser als Wärmequelle, Jahresleistungszahl 5,0;

C)     Ölzentralheizung, Jahresnutzung 0,7, Stromverbrauch 3 % der Heizwärme;

D)     Ölbrennwertnutzung, Jahresnutzung 0,95, Stromverbrauch 7 % der Heizwärme;

E)      Gasheizung (Erdgas H), Jahresnutzung 0,7, Stromverbrauch 2 % der Heizwärme;

F)       Gasbrennwertnutzung, Jahresnutzung 0,95, Stromverbrauch 7 % d. Heizwärme;

G)    Holzpelletsheizung, Jahresnutzung 0,7, Stromverbrauch 5 % der Heizwärme;

H)     Brennholzheizung, Jahresnutzung 0,6, kein Stromverbrauch.

1) Vorgelagerte Kette für die Endenergie bis Übergabe im Gebäude inkl. Materialaufwand für Wärmeerzeuger, ohne Hilfsenergie im Haus    2) Bezugsgröße: unterer Heizwert Hu       3) Stromgutschrift für Kohlestrom      4) Der regenerative Anteil beinhaltet auch sekundäre Ressourcen, z.B. Restholz und Müll;  Fernwärmeversorgung durch Steinkohle-Kondensationskraftwerk(=Anteil KWK) + Heizöl-Spitzenkessel; Nahwärmeversorgung durch Erdgas-BHKW (=Anteil KWK) + Erdgas-Spitzenkessel

 

 Tabelle 11: Vergleich des kumulativen Energieaufwands verschiedener Energieträger. Quelle: IWU Institut Wohnen und Umwelt, Marc Großklos

 

 

 

 

Aufgabe 13: Folgende Tabelle zeigt die Kohlendioxid-Emission für Brennholz- und Heizölfeuerung. Berechnen Sie die fehlenden Angaben in der Tabelle unter der Voraussetzung, dass der Wärmebedarf wahlweise  mit Holz und/oder mit Heizöl abgedeckt wird. Der Bezugswert für den Wärmebedarf ist die Energie, die bei der Verbrennung von 1000 kg Holz verwertet werden kann. Der  Kohlenstoffgehalt  des Heizöls ist 86 %. Die CO2-Emission der Brennstoffaufbereitung beider Brennstoffe beträgt 1 kg CO2  je kWh Energiebedarf. Die anzuwendenden Atom- und Molekulargewichte sind: C = 12, O2 = 32.

 

Material

Holz

Heizöl

vergleichbare Brennstoffmenge

1000                                     kg

a                                  kg

Heizwert

11,9                            MJ / kg

42,7                        MJ / kg

Wirkungsgrad: η

70                                       %

85                                   %

Energiebedarf der Aufbereitung

0,34                    MJ / kg Holz

10,9              MJ / kg Heizöl

CO2-Emission je kg Brennstoff           ohne Aufbereitung

0                   kg CO2 aus Holz                 (regenerative Energie!!)

b             kg CO2 aus Heizöl      

CO2-Emission  der  Aufbereitung

c                       kg CO2 / kg Holz

d            kg CO2 / kg Heizöl

CO2-Emission je kg Brennstoff         incl. Aufbereitung

e                       kg CO2 / kg Holz

f             kg CO2 / kg Heizöl

CO2-Emission je MJ Nutzenergie      incl. Aufbereitung 

g       kg CO2 / MJ Nutzenergie

h   kg CO2 / MJ Nutzenergie

CO2-Emission äquivalent zu  1000 kg Brennholz,                 incl. Aufbereitung 

j                                   kg CO2

k                              kg CO2

 


 

Aufgabe 14: Berechnen Sie aus folgender Abbildung den Brennstoffanteil für Heizung und Warmwasserbereitung unter der Annahme, dass der 1-%-Anteil für (Kohle/Holz) sich

a)      lediglich auf Kohlenfeuerungen (Steinkohle nach Tabelle 11), und

b)      lediglich auf Holzfeuerungen (Brennholz nach Tabelle 11) bezieht.

 

 

           

Quelle: Stadt Gütersloh, FB Umweltschutz; Bearbeitet durch ©UMBLICK, September 2000

 

 

Aufgabe 15 Die Rohstoffreserven sind eine variable Größe. Weshalb?

 

 

 

Aufgabe 16 Die Primärenergieversorgung der Welt wird heute zu etwa 80% von

3 Energieträgern getragen. Diese sind

1. ..................................... 2. ................................... 3. .......................................

 

Aufgabe 17  Erdgas bildet sich oft zusammen mit Erdöl, es kann aber auch durch die Entgasung  von ....................................-lagerstätten entstehen.

 

Aufgabe 18  Voraussetzungen die erfüllt sein müssen, damit Kohlenlagerstätten entstehen können.

1. .....................................................................................................................

2. .....................................................................................................................

3. .....................................................................................................................

 

Aufgabe 19  Steinkohlen sind in der Regel               jünger, härter,             

energiereicher, wasserhaltiger              als Braunkohlen.          (Streichen Sie die falschen Angaben!)


 

 

Brennstoffchemie

 

Aliphatische Verbindungen  (aliphos  = fett) sind kettenförmige Kohlenwasserstoffe.

Alkane  oder Paraffine (parum affine  =  geringe Affinität) sind gesättigte Aliphaten. Der Paraffingehalt von Heizöl liegt bei ca.  60 – 80 %. Olefine (Alkene, Alkine) sind hingegen ungesättigte aliphatische Verbindungen. Der Olefingehalt von Heizöl liegt in der Regel unter 5 %.

 

Naphtene oder alizyklische Kohlenwasserstoffe sind ringförmige Kohlenwasserstoffe. Der Naphtengehalt vom Rohöl liegt in der Regel bei 5 %, beim russischen Öl liegt er häufig darüber, bei amerikanischem darunter. Naphtene haben in der Molekularstrucktur eine höhere Bindungsspannung als Paraffine und besitzen daher einen höheren Heizwert.

 

Aromaten oder Zyklische  Kohlenwasserstoffe sind Verbindungen, deren Molekülstruktur sich vom Benzol ableitet. Der Aromatengehalt von Heizöl liegt in der Regel unter

30 %. Polyaromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) zählen ebenfalls zu den Aromaten. Der PAK-Gehalt von Rohöl liegt in der Regel unter 10 %. Die angegebenen Gehalte schwanken von Lagerstätte zu Lagerstätte. Der Aromaten- und PAK -Gehalt von Steinkohle, insbesondere der von Sapropelkohle, liegt deutlich höher als  der von Rohöl.

 

Alkane  (Methan, Ethan, Propan, Butan, Pentan, Hexan, Oktan, etc.); Summenformel: CnH2n+2  Die gesättigten Aliphaten sind die Hauptkomponente von Erdöl und Erdgas. Sie haben eine hohe Zündtemperatur, niedrige Flammengeschwindigkeit, bei guter Aufbereitung und richtigem Temperaturmanagement ermöglichen sie eine sehr gute Verbrennung. Die   C – C – C –Bindung  der Alkane weist einen Tetraederwinkel von 109,5 ° auf. Dieser „ideale Tetraederwinkel“ hat eine Auswirkung auf die physikalischen und chemischen  Stoffdaten wie Verbrennungswärme, Schmelzpunkt, Wärmeausdehnungskoeffizient, etc.

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Methan CH4                Ethan C2H6                      Propan C3H8                                       Butan C4H10

 

 

 

 

 


Pentan            C5H12                    Hexan C5H12                                              Heptan C6H14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Oktan (Noramal-Oktan) C8H18                                 Isooktan (2,2,4 Trimetilpentan) C8H18

 

Das Isooktan-Molekül ist viel kompakter als das Oktanmolekül, daher kann es schwerer aufgespaltet und gezündet werden. Dies führt zur Erhöhung der Zündtemperatur:

Noramal-Oktan  = 206 °C,              Isooktan = 417 °C,

Normal-Heptan  = 285 °C,              Benzol    = 498 °C.  

 

Alkene sind Olefine, die eine ungesättigte Verbindung, eine Doppelbildung aufweisen. In der Regel senkt eine Doppelbildung die Zündtemperatur, hebt die Flammengeschwindigkeit und erhöht die Neigung zur Russbildung.  (Ethen, Propen, Buten, Penten, Hexen, Okten, etc.); Summenformel: CnH2n Alkene sind in geringer Konzentration im Rohöl vorhanden. Alkene entstehen bei Krackprozessen und bei der Pyrolyse; Alkene haben einen niedrigeren Zündpunkt als Paraffine. Bei der Verbrennung neigen sie zu Polymerisation und dadurch zu Russbildung. Alkene (Olefine) haben eine C=C- Doppelbildung, welche bei der Verbrennung  die  Russbildung fördert. Die C=C- Doppelbildung ist sehr reaktionsfreudig, daher haben Alkene eine niedrigere Zündtemperatur als Alkane. Die Reaktionsfreudigkeit bedeutet jedoch nicht automatisch eine gute Verbrennung: An die Stelle mit Doppelbildung können sich andere Kohlenwasserstoffketten anlagern (Polymerisation). Die so gebildeten Riesenmoleküle können äußerst stabil sein (z.B. Russ) und die Feuerungsanlage als unverbrannte Kohlenwasserstoffe verlassen.

C2H4                                                                           Ethen  (Ethylen)

C3H6                                                                           Propen (Propylen)

C4H8                                                                           Buten (Butylen)

            C5H10                                                                          Penten

            C6H12                                                                          Hexen


 

Alkine sind Olefine, die eine so genannte Dreifachbildung aufweisen. In der Regel senkt eine Dreifachbildung die Zündtemperatur, hebt die Flammengeschwindigkeit und erhöht die Neigung zur Russbildung noch stärker als eine Doppelbildung. (Ethin [Acetylen], Propin, Butin, Pentin, Hexin, Oktin, etc.) Summenformel: CnH2n-2 Alkine sind gelegentlich in geringer Konzentration im Rohöl vorhanden. Alkine entstehen bei Krackprozessen und bei der Pyrolyse; Sie haben einen hohen Heizwert, sehr niedriger Zündpunkt und weisen eine sehr starke Neigung zur Russbildung auf. Alkine haben eine CºC- Dreifachbildung. Die CºC-Bindung ist noch reaktionsfreudiger als die C=C- Doppelbildung. Daher haben Alkine eine besonders niedrige Zündtemperatur und

neigen extrem stark zur Russbildung.

 

C2H2                CHºCH                                  Ethin   (Azetylen)       Russbaustein !

C3H4                CHºC-CH3                             Propin (Ethylazetylen)

C4H6                CHºC-CH2 -CH3                    Butin   (Propylazetylen)

C5H8                CHºC-(CH2)2-CH3                  Pentin (Butylazetylen)

C6H10               CHºC-(CH2)3-CH3                  Hexin  (Pentylazetylen)

 

 

Alizyklische Verbindungen (zyklisierte aliphatische Verbindungen, Naphtene);

Summenformel: CnH2n.  Cycloparaffine oder Cycloalkane sind in ihren Verbrennungseigenschaften den aliphatischen Paraffinen sehr ähnlich. Im Erdöl kommen Fünf- und Sechsringe sehr häufig vor, insbesondere im irakischen, iranischen und kaukasischen Erdöl. Alizyklische Verbindungen besitzen die gleiche Summenformel wie Alkene (CnH2n). Ihre chemischen Eigenschaften und damit ihre Verbrennungseigenschaften gleichen jedoch denen der Alkane mit der Summenformel  (CnH2n+2). Bei der Bildung der alizyklischen Moleküle treten Spannungen auf. Diese Spannung ist am geringsten bei den Molekülen mit 5 – 8 Kohlenatomen. In der Natur kommen nur die 5 – 8-kettigen Moleküle vor. Die Bindungsspannung erhöht den Brennwert. Die Brennwerterhöhung kann je nach der Bindungsspannung 10 % erreichen.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Die alizyklischen C-C-Bindungen haben einen kleineren Bindungswinkel als die Alkane. Die Verkleinerung der Bindungswinkel erzeugt eine Spannung, die Spannungsenergie erhöht die Verbrennungswärme und verändert einige physikalische Eigenschaften. So ist z.B. die massebezogene Verbrennungswärme von Cyklopropan um ca. 10 % höher als die von Propen, bzw. um ca. 6 % höher als die von Cyklohexan.


 

Aromatische Verbindungen Summenformel: CnHm  mit   m £ n. Beispiele: Benzol und Benzolderivate, Aromatische Verbindungen sind Bestandteile von Rohöl und  Sparopel-Kohle. (Sapropelkohlen entstanden durch Verkohlung von Faulschlamm, sie bilden meist Einlagerungen von Humuskohlen). Die Aromaten neigen bei der Verbrennung besonders stark zur Russbildung.

 


Die Umwandlung von Ethin in Benzol:

3 Ethin     =    1 Benzol

3 (C2H2)   Þ   C6H6                                                                                                  

 

 

Die häufigsten Schreibweisen für Benzol  sind:

 

 


                                                                                                                                            

 

 

 

 

Aus Benzol entstehen durch Polymerisation polyzyklische Verbindungen, die bei der Verbrennung noch stärker zur Russbildung neigen als einfache Aromaten. Benzolmoleküle sind Russbausteine:

 

Russ

Fulleren (Fußballmolekül) sind reine Kohlenstoffmoleküle, die die

Form einer Kugel, Röhre oder eines Ringes aufweisen. Ähnliche

Strukturen können Russmoleküle annehmen. Sie beinhalten einige

hundert bis tausend Kohlenstoffatome und wenige Wasserstoffatome.

 

 


Graphitkristall. Ähnliche Struktur  weisen Russmoleküle auf.

 

 

Russmoleküle sind Riesenmoleküle mit der Summenformel CnHm   mit    m << n.

Sie entstehen durch Polymerisation von Alkenen, Alkinen und Aromaten.

Entstehung von Ethylradikalen bei Kracken, Pyrolyse und Luftmangelverbrennung:

- [CH2 – CH2]n -           Þ        n (CH2 = CH2)             Þ        n H2  +  n (CH º CH)

 

Russbildung und Russabbau:  Zyklische Verbindungen sind Bausteine für Polyzyklische Verbindungen. Russmoleküle sind in der Regel  polyzyklische Moleküle. Bei Pyrolyse und bei Luftmangelverbrennung  von zyklischen Verbindungen verläuft die Russbildung oft schneller als die Oxidation selber.  Hat sich einmal bei der Verbrennung Russ gebildet, wird für den Russabbau in der Flamme bei hoher Flammentemperatur und Verweilzeit ein hoher  Luftüberschuss benötigt. Bei Ethinverbrennung (Schweißflamme) ist die Russbildung gewollt, um den Karbongehalt der Schweißnaht zu steigern. Zur Vermeidung der Russbildung müssen in der Flamme auch lokale Luftmangelbereiche vermieden werden. Daher fördert die Stufenverbrennung (z.B. zur Vermeidung der NO-Bildung) aromathaltiger  Brennstoffe  die Russbildung.


 

Heterozyklische Verbindungen

Eine oder einige C-Atome sind in den Kohlenstoffringen durch andere Atome wie Stickstoff (N), Sauerstoff (O), Phosphor (P) oder Schwefel (S) ersetzt. Diese werden „organisch gebundener“ Stickstoff, Sauerstoff etc. genannt. Brennstoffstickstoff erhöht die Neigung der Stickoxidbildung bei der Verbrennung. Chemisch gebundener Sauerstoff erhöht die Neigung zur Formaldehydbildung, insbesondere bei der Verbrennung mit hohem Luftüberschuss. Brennstoffschwefel führt bei der Verbrennung zu Schwefeldioxidbildung. Stickoxide und Schwefeloxide tragen zu Versauerung von Niederschlägen und Böden bei. Die organischen Naturstoffe sind heterolzyklische Verbindungen.

 

Organische Naturstoffe sind heterozyklische Verbindungen

Die organischen Naturstoffe sind Kohlenhydrate (Zucker, Stärke, Cellulose),  Lignin (Holz ist eine Mischung aus Zellulose, Lignin u.A.), Alkohole, Öle, Fette, organische Säuren, Eiweiß, etc. Sie bestehen aus Aliphaten, Aromaten, azyklischen und heterozyklischen Verbindungen.  Die biologische Masse ist die Summe der organischen Naturstoffe, während die fossilen Brennstoffe die Umwandlungsprodukte früherer biologischer Massen darstellen. Alkohole sind gesättigte oder ungesättigte organische Verbindungen mit vergleichsweise niedriger Viskosität, die wenigstens eine OH-Gruppe aufweisen. Bei der Verbrennung mit hohem Luftüberschuss  neigen sie zu Formaldehydbildung. Fette sind organische Verbindungen, die wenigstens eine COOH-Gruppe aufweisen, und derer Schmelzpunkt unterhalb der Raumtemperatur liegt. Bei der Verbrennung neigen sie zur Russbildung.  Organische Öle unterscheiden sich von den Fetten lediglich in ihrem niedrigeren Schmelzpunkt, daher sind sie als Flüssigbrennstoff besser geeignet als Fette. Wegen hohem Anteil an ungesättigten Bestandteilen neigen Pflanzenöle bei der Verbrennung zur Russbildung. Pflanzenöle haben eine höhere Viskosität als Heizöl EL. Dies führt zu Schwierigkeiten bei der Zerstäubung, was die höhere Neigung zur Russbildung zusätzlich verstärkt. Kohlenhydrate  (Zucker, Stärke, Cellulose, Lignin, etc.) Bei kleineren Molekülen (z.B. Zucker) neigen sie zur Formaldehydbildung, bei größeren Molekülen (z.B. Cellulose und Lignin) zur Russbildung. Zucker und Stärke werden meist in Alkohole umgewandelt für die Verbrennung.

 

Metallanteil von Brennstoffen und Öladditive

Bei festen Brennstoffen können die mineralischen Bestandteile, darunter auch Metalloxide, die Zehnprozentgrenze übertreffen. Bei der Verbrennung bilden sie Asche. Der Aschengehalt der flüssigen Brennstoffe ist im Bereich 0,1 – 0,5 %. Die metallischen Bestandteile beeinflussen die Verbrennung wie folgt: Einige Metalle (z.B. Vanadium) dienen als Katalysator und beschleunigen die Oxidation. Dadurch können sie die Russbildung reduzieren und die Stickoxidbildung fördern. Sie bewirken ferner, dass ein erhöhter Anteil des Brennstoffschwefels zu Schwefeltrioxid (anstatt zu –Dioxid) verbrennt. Die gleiche Wirkung zeigen Additive, die zwar die Russbildung reduzieren, dafür aber als Nebenwirkung die Anlagenkorrosion beschleunigen.

 

 

Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung der wichtigsten festen Brennstoffe. Aus Tabelle 12 ist die Zusammensetzung  der im Verbundnetz am häufigsten zum Einsatz kommenden Gase zu entnehmen.  Die Tabellen 13 und 14 zeigen die Zusammensetzung  und Kennzahlen der wichtigsten flüssigen und gasförmigen Brennstoffe.


 

 

 

Verbund-Erdgas Nord

~ Erdgas H

Russisches Erdgas

~ Erdgas H

Erdgas L

Methan CH4

Vol.-%

90,02

97,25

81,8

Ethan C2H6

Vol.-%

4,80

1,25

2,8

Propan C3H8

Vol.-%

0,74

0,48

0,4

Butan C4H10

Vol.-%

0,21

0,09

0,2

Kohlendioxid CO2

Vol.-%

1,03

0,06

0,8

Stickstoff N2

Vol.-%

3,13

0,85

14

Brennwert Hs,n

kWh/m³

11,21

11,18

10,3

Heizwert Hi,n

kWh/m³

10,12

10,08

9,3

Dichteverhältnis

-

0,61

0,57

0,638

oberer  Wobbeindex

kWh/m³

14,32

14,78

12,9

 

Tabelle 12 Zusammensetzung  der am häufigsten zum Einsatz kommenden Brenngase

 

 

 

Zusammensetzung

Heizöl

Erdgas L

Erdgas H

Gew.-%

Vol.-%

Vol.-%

Kohlenstoff (C)

86

 

 

Wasserstoff (H)

13

 

 

Stickstoff (N)

0,5

14

1

Schwefel (S)

0,3

 

 

Methan (CH4)

 

82

93

Kohlenwasserstoffe (CxHy)

 

3

5

 

Tabelle 13 Elementaranalyse der wichtigsten flüssigen und gasförmigen Brennstoffe  

 

 

 

 

Heizöl

Erdgas L

Erdgas H

Brennwert     kWh/kg (Heizöl)
                     kWh/m³ (Erdgas)

12,6

 

 

9,8

 

11,5

Heizwert       kWh/kg (Heizöl)
                     kWh/m³ (Erdgas)

11,9

 

 

8,8

 

10,4

Kondenswassermenge maximal
                    kWh/kg (Heizöl)
                    kWh/m³ (Erdgas)

 

1,1

 

 

1,4

 

 

1,7

Brennwert/Heizwert

1,063

1,107

1,107

Wasserdampftaupunkt °C   λ = 1,3

 46

56

56

Wasserdampftaupunkt °C   λ = 1,0

 51

61

61

Luftbedarf         λ = 1,0

m³ /kg (Heizöl)
m³ / m³ (Erdgas)

 11,2

8,6

9,6

 

Tabelle 14 Kennzahlen der wichtigsten flüssigen und gasförmigen Brennstoffe

 

 

 

Aufgabe 20: Warum hat das aus russischem Rohöl gewonnene Heizöl einen überdurchschnittlich hohen Heizwert?

 

 

Aufgabe 21: Warum erhöht sich beim Ottomotor die Klopffestigkeit mit der Erhöhung der Oktanzahl? 

 

 

Aufgabe 22: Warum erhöht sich die Neigung zur Russbildung mit Zunahme des Olefingehalts des Heizöls?

 

 

Aufgabe 23: Warum muss bei der Alkoholverbrennung hoher Luftüberschuss gemieden werden?

 

 

Aufgabe 24: Was ist der Nachteil von russunterdrückenden Additiven?

 

 

Aufgabe 25: Warum bevorzugt man Ethin (Azetylen) beim Schweißen?

 

 

Aufgabe 26: Warum ist die Neigung zur Russbildung einer Brennstoffkomponente verbunden mit einem Anstieg der NO-Konzentration im Abgas?


Lösung der Aufgaben

 

Aufgabe 1: Berechnen Sie anhand Gl. (1) den Kohlenstoffgehalt der gesamten Biomasse der Erde unter der Annahme, dass sowohl die organische Kohlenstoffmasse als auch die Sauerstoffmasse in der Atmosphäre durch die Photosynthese entstanden ist. Die Sauerstoffmasse der Atmosphäre beträgt ca. 1,2 ×109 Millionen Tonne. Vergleichen sie die errechnete Kohlenstoffmasse mit der Masse der Biosphäre in Abbildung 4 der Vorlesung „Feuerungen und Umwelt“.

 

6 CO2              +  6 H2O    +    Lichtenergie     Þ       C6H12O6     +      6 O2               

                                    C6H12O6     +      6 O2                                                        Þ        6 C            +      6 O2    

 

612 kg     +    6 32 kg

 

   12 / 32 = X / (1,2∙109 Mio.t)             Þ                    X = 4,5 108 Mio. t = 4,51014  t  C

 

Manuskript Feuerungen u. Umwelt, Abbildung 4: Biomasse 2000 Gt C = 21012  t  C; d.h. die gesamte Biomasse der Erde ist ca. Kohlenstoffmasse der Biosphäre.

 

 

Aufgabe 2: Zeigen Sie anhand der Reaktionen nach den Gleichungen (1) und (2), dass die Verbrennung fossiler Brennstoffe die Umwandlung von der Sonnenenergie in Wärme bedeutet.

 

6 CO2  +  6 H2O    +    Lichtenergie    =          C6H12O6     +      6 O2                                      

+          C6H12O6    +   6 O2                   =          6 CO2       +     6 H2O     +  Verbrennungswärme

6CO2+6H2O+C6H12O6 +6O2+Lichtenergie   =  C6H12O6+6O2+6CO2+6H2O+Verbrennungswärme                             Lichtenergie       =          Verbrennungswärme

           

Aufgabe 3: Welcher Anteil der gesamten Biomasse der Erde ist in Form von bekannten Welt-Steinkohlenreserven vorhanden? Entnehmen Sie die zu dieser Aufgabe benötigten Daten aus der Lösung der Aufgabe 1 und aus den Tabellen 2 und 3.

 

Kohlenstoffmasse:    4,5*1014 t C

Steinkohle: 4,5*1014 (tC) / 0,85 (tC/t Steinkohle) = 5,3 * 1014 t Steinkohle

Tab. 2,            1955:              3,59*1012 / (5,3*1014) =  0,0068 = 0,68 %

Tab. 3,            1986:              3,59*1012 *(1,815/1,041)/ (5,3*1014) =  0,0118 = 1,18 %

 

Aufgabe 4:  Warum neigt die Kohlenverbrennung zu Russbildung?

Bei der Steinkohle liegen nur 10% des Kohlenstoffs frei vor; der Rest ist in einem Verbindungsgemisch enthalten, das vor allem aus aliphatischen und aromatischen Kohlenwasserstoffen besteht. Bei der Verbrennung aromatischer Kohlenwasserstoffe entsteht Russ.

 

Aufgabe 5: Warum neigt die Holzverbrennung zu Formaldehydbildung?

 

Organisch gebundener Brennstoffsauerstoff neigt zu Formaldehydbildung bei der Verbrennung. Brennholz enthält sehr viel chemisch gebundenen Sauerstoff (Tab. 1)


 

Aufgabe 6: 1 Liter Öl kann 1 Million Liter Wasser verseuchen. Wie ist es erklärbar,  wenn das Öl in Wasser unlöslich ist?

 

Öl und Wasser bildet ein Zweiphasengemisch (Suspension) mit einer sehr großen Phasen-Grenzfläche. Die zwei Stoffe des Zweiphasensystems sind sehr schwer voneinander zu trennen.

 

Aufgabe 7: Was ist die Folge, dass die Ölschicht an der Wasseroberfläche luftundurchlässig ist?

 

Wenn die Wasseroberfläche mit einem Ölteppich bedeckt wird, kann kein Sauerstoff ins Wasser diffundieren; Lebwesen ersticken unter dem Ölteppich.

 

Aufgabe 8: Was ist der wesentliche Unterschied zwischen Dieselöl und Heizöl?

 

Dieselöl und Heizöl sind sich chemisch und physikalisch sehr ähnlich, sie haben die gleiche Dichte, den gleichen Siedebereich u.A. Schwefelgehalt im Dieselöl ist oft niedriger als im Heizöl. Viskosität und Stockpunkt des Dieselöls sind niedriger.

 

Aufgabe 9: Warum sind die Welt-Rohölreserven während des Zweiten Weltkrieges  gesunken und während des Arabisch-Israelischen-Krieges 1973 gestiegen?

 

1) Während des Zweiten Weltkrieges  wurden viel Öl und Ölprodukte verbraucht aber nur wenig Lagerstätten entdeckt worden. 2) Während des Arabisch-Israelischen-Krieges 1973 stiegen drastisch die Ölpreise, d.h. viele Ressourcen wurden zu Reserven erklärt.

 

Aufgabe 10: Zeigen Sie anhand der Abbildungen dieses Kapitels, dass für die Kommende Generation eine Verknappung fossiler Brennstoffreserven zu befürchten ist.

Abbildung 3: Unterversorgung an flüssigen Kohlenwasserstoffen im Jahr 2020

Abbildung 4: Die durchschnittliche Größe der Gasneufunde nimmt ab

Abbildung 5: Die Abhängigkeit vom Mittleren Osten wird größer

 

Aufgabe 11:  Die Gesamtmenge des nachhaltig verfügbaren Rohholzaufkommens wird auf jährlich ca. 58 Mio. m3 (Festmeter) geschätzt. Bisher wurden davon nur rund 70 % eingeschlagen.  Rund 38 Millionen Tonnen leichtes Heizöl sind 1996 in Deutschland verbraucht worden. Wie viel Prozent von diesem Heizöl könnte durch Brennholz ersetzt werden, wenn man das ganze verfügbare Holzaufkommen einschlägt und die hälfte davon als Brennholz verbraucht? Gehen Sie aus einem Mix von 1/3 Fichte, 1/3 Laubholz und 1/3 Schlagbaum bei je 50 % Feuchte aus. Gehen Sie bei den Umrechnungen aus

Festmeter – Schüttraummeter bei Stückholz; Heizwert von Heizöl 1Liter =  10 kWh  und

Heizöldichte von 830 kg/m3 aus.

 

0.5*58 Mio. fm=2,9*107 fm = 5,8*107 Sm  (Tab. 9)

((550+650)/2+(900+1000)/2+(450+600)/2)/3 = 692 kWh/Sm  (Tab. 10)

5,8*107 Sm * 692 kWh/Sm = 4,012*1010 kWh = 4,012*109 l Heizöl =

4,012*109 l Heizöl = 3,33*109 kg Heizöl = 3,33 Millionen Tonne Heizöl

3,33 / 38 = 0,0876 = 8,76 %

 


 

Aufgabe 12: Stellen sie die Reihefolge auf, welche Heizung den Treibhauseffekt mehr verstärkt bei einem Stromverbrauch mit Heizstrom-Mix gemäß Tabelle 11.

A)     Wärmepumpe mit Umgebungsluft als Wärmequelle, Jahresleistungszahl 2,5;

B)      Wärmepumpe mit Grundwasser als Wärmequelle, Jahresleistungszahl 5,0;

C)     Ölzentralheizung, Jahresnutzung 0,7, Stromverbrauch 3 % der Heizwärme;

D)     Ölbrennwertnutzung, Jahresnutzung 0,95, Stromverbrauch 7 % der Heizwärme;

E)      Gasheizung (Erdgas H), Jahresnutzung 0,7, Stromverbrauch 2 % der Heizwärme;

F)       Gasbrennwertnutzung, Jahresnutzung 0,95, Stromverbrauch 7 % d. Heizwärme;

G)    Holzpelletsheizung, Jahresnutzung 0,7, Stromverbrauch 5 % der Heizwärme;

H)     Brennholzheizung, Jahresnutzung 0,6, kein Stromverbrauch.

 

Aus Tabelle 11            930 g CO2 /kWh

 

A         930 / 2,5                                 =          372      g CO2 /kWh Wärmeenergie

B          930 / 5                                    =          186

C         (311 / 0,7) + 0,03*930            =          472

D         (311 / 0,95) + 0,07*930          =          392

      E          (247 / 0,7) + 0,02*930            =          371

      F          (247 / 0,95) + 0,07*930          =          325

      G         (43 / 0,7)   + 0,05*930            =          108

      E          6 / 0,6                                     =            10

     

          Die höchste CO2-Belastung wird von der Ölheizung verursacht.

          Ölbrennwertnutzung ist etwa gleichwertig mit einer normalen Gasheizung und einer

            schlechten Wärmepumpe (ca. 25 % günstiger als Ölheizung).

          Die Gasbrennwertnutzung ist ca. 10 % günstiger als Ölbrennwertnutzung.

          Eine gute Wärmepumpe liegt ca. 50 % günstiger als die Gasbrennwertnutzung.

          Bei Holzpelletsheizung liegt die  CO2-Belastung 50 % günstiger als bei einer guten

            Wärmepumpe.

          Die einfache Holzheizung ist bezogen auf die CO2-Belastung ca. 90 % günstiger als die

            Holzpelletsheizung.


 

Aufgabe 13: Folgende Tabelle zeigt die Kohlendioxid-Emission für Brennholz- und Heizölfeuerung. Berechnen Sie die fehlenden Angaben in der Tabelle unter der Voraussetzung, dass der Wärmebedarf wahlweise  mit Holz und/oder mit Heizöl abgedeckt wird. Der Bezugswert für den Wärmebedarf ist die Energie, die bei der Verbrennung von 1000 kg Holz verwertet werden kann. Der  Kohlenstoffgehalt  des Heizöls ist 86 %. Die CO2-Emission der Brennstoffaufbereitung beider Brennstoffe beträgt 1 kg CO2  je kWh Energiebedarf. Die anzuwendenden Atom- und Molekulargewichte sind: C = 12, O2 = 32.

 

 

Material

Holz

Heizöl

1

vergleichbare Brennstoffmenge

1000                                     kg

a                                  kg

2

Heizwert

11,9                               MJ / kg

42,7                            MJ / kg

3

Wirkungsgrad: η

70                                          %

85                                       %

4

Energiebedarf der Aufbereitung

0,34                       MJ / kg Holz

10,9                  MJ / kg Heizöl

5

CO2-Emission je kg Brennstoff                        ohne Aufbereitung

0                      kg CO2 aus Holz                  (regenerative Energie!!)

b              kg CO2 aus Heizöl      

6

CO2-Emission  der  Aufbereitung

c                       kg CO2 / kg Holz

d             kg CO2 / kg Heizöl

7

CO2-Emission je kg Brennstoff                           incl. Aufbereitung

e                       kg CO2 / kg Holz

f              kg CO2 / kg Heizöl

8

CO2-Emission je MJ Nutzenergie                        incl. Aufbereitung 

g          kg CO2 / MJ Nutzenergie

h    kg CO2 / MJ Nutzenergie

9

CO2-Emission äquivalent zu 1000 kg Brennholz,    incl. Aufbereitung 

j                                      kg CO2

k                            kg CO2

 

CO2-Emission der Brennstoffaufbereitung

1 kg CO2 / kWh    1 kg CO2 / 3600 kJ    0,278 kg CO2 / MJ

 

0,86 kg C / kg Heizöl    0,86∙(12+32) /12 = 3,15 kg CO/ kg Heizöl  

 

            a          Holzheizung

(1000 kg Holz) (11,9 MJ/kg Holz) = 11900 MJ wird frei.

                        Wirkungsgrad 70 %  in der Wohnung bleibt 0,7 11900 MJ = 8330 MJ

                        Ölheizung

                        In der Wohnung bleibt 8330 MJ

                        Wirkungsgrad 85 % →        durch Ölverbrennung freiwerdende Energie

                                                                       8330 MJ / 0,85 = 9800 MJ

                        (9800 MJ) / (42,7 MJ / kg Heizöl) = 229,5 kg Heizöl

                                                                                                                                            

 

b          0,86∙(12+32) /12                              kg CO/ kg Heizöl                b = 3,15

                        kWh – MJ – Umrechung

 

c          0,278∙0,34 = 0,0944                       kg CO/ kg Holz                   c = 0,0944

0,278 (kg CO2 / MJ)∙0,34 (MJ/kg Holz)

Zeile 4


 

            d          0,278∙10,9 = 3,03                            kg CO/ kg Heizöl                d = 3,03     

Zeile 4

 

e          0,0944                                               kg CO/ kg Holz                   e = 0,0944

                e = c

 

f           3,03 + 3,15 = 6,18                           kg CO/ kg Heizöl                f = 6,18

 

g          0,0944 / (0,7*11,9) = 0,01133       kg CO/ MJ Nutzenergie      g = 0,01133

                e/(Heizwert*Wirkungsgrad)

 

h          6,18 / (0,85*42,7) = 0,1703            kg CO/ MJ Nutzenergie      h = 0,1703

                               f / (Heizwert*Wirkungsgrac)

 

            j           0,0944∙1000 = 94,4                        kg CO2                                                                      j = 94,4

                               e * Brennstoffmenge

            k          6,18 ∙229,5 = 1418,6                      kg CO                                  k = 1418,6

                               f* Brennstoffmenge

 

Aufgabe 14: Berechnen Sie aus folgender Abbildung den Brennstoffanteil für Heizung und Warmwasserbereitung unter der Annahme, dass der 1-%-Anteil für (Kohle/Holz) sich     a) lediglich auf Kohlenfeuerungen (Steinkohle nach Tabelle 11), und  b) lediglich auf Holzfeuerungen (Brennholz nach Tabelle 11) bezieht.

            Quelle: Stadt Gütersloh, FB Umweltschutz; Bearbeitet durch ©UMBLICK, September 2000

 

 

Strom

Gas

Heizöl

Kohle

Anteil an CO2-Belastung  [%]

20

12

67

1

g CO2 / kWh   (Tab. 11)

930

247

311

439

Anteil              [ kWh / g CO2]

0,2 / 930 =

2,15E-4

0,12/247=

4,86E-4

0,67/311=

2,03E-3

0,01/439=

2,28E-5

Gesamt            [kWh / g CO2]

2,75E-3

Anteil an kWh                  [%]

7,82

17,7

73,1

0,83

 

Strom

Gas

Heizöl

Brennholz

g CO2 / kWh   (Tab. 11)

930

247

311

25 (Mittelwert)

Anteil an CO2-Belastung  [%]

20

12

67

1

Anteil              [ kWh / g CO2]

0,2 / 930 =

2,15E-4

0,12/247=

4,86E-4

0,67/311=

2,03E-3

0,01/25

4E-4

Gesamt            [kWh / g CO2]

3,13E-3

Anteil an kWh                  [%]

6,87

15,5

64,7

12,8

 


 

Aufgabe 15 Die Rohstoffreserven sind eine variable Größe. Weshalb?

 

Die Einstufung Ressource – Reserve hängt von vielen Faktoren ab, die sich täglich ändern Können (z.B. Energiepreis).

 

 

Aufgabe 16 Die Primärenergieversorgung der Welt wird heute zu etwa 80% von

3 Energieträgern getragen. Diese sind

 

1. ....................Kohle................. 2. ............Öl....................... 3. ...............Gas........................

 

 

 

Aufgabe 17  Erdgas bildet sich oft zusammen mit Erdöl, es kann aber auch durch die Entgasung  von ......Kohlelagerstätten  …..  entstehen.

 

 

Aufgabe 18  Voraussetzungen die erfüllt sein müssen, damit Kohlenlagerstätten entstehen können.

1. ..............Sauerstoffabschluss.................................................................................................

2. ..............Hoher Druck......................................................................................................

3. ..............Hohe Temperatur.....................................................................................................

 

 

Aufgabe 19   Steinkohlen sind in der Regel   jünger (nein!),   härter (ja!),           

energiereicher (ja!),       wasserhaltiger (nein!)   als Braunkohlen.           (Streichen Sie die falschen Angaben!)

 

 

Aufgabe 20: Warum haben hat das aus russischem Rohöl gewonnene Heizöl einen überdurchschnittlich hohen Heizwert?

Das russische Rohöl besitzt einen überdurchschnittlich hohen Gehalt an Naphtenen, die wegen der höheren Bindungsspannung  in der Molekularstruktur einen höheren Heizwert aufweisen als die paraffinhaltigen Öle.

 

 

Aufgabe 21: Warum erhöht sich beim Ottomotor die Klopffestigkeit mit der Erhöhung der Oktanzahl? 

Die Oktanzahl bedeutet einen hohen Gehalt an Isooktan bzw. damit vergleichbaren Kraftstoffkomponente. Isooktan wiederum hat wegen der kompakten Molekularstruktur eine überdurchschnittlich hohe Zündtemperatur und somit eine verminderte Neigung zur Selbstzündung.

 

Aufgabe 22: Warum erhöht sich die Neigung zur Russbildung mit Zunahme des Olefingehalts des Heizöls?

Olefine weisen Doppel- und Dreifachbindungen auf. Diese Bindungen neigen bei der Pyrolyse zur Polymerisation und sind damit „Russbausteine“.

 


 

Aufgabe 23: Warum muss bei der Alkoholverbrennung hoher Luftüberschuss gemieden werden?

Alkohole zeigen wegen des chemisch gebundenen Sauerstoffatoms erhöhte Neigung zur Formaldehydbildung. Die Formaldehydbildung verstärkt sich bei der Verbrennung mit hohem Luftüberschuss.

 

 

Aufgabe 24: Was ist der Nachteil von russunterdrückenden Additiven?

Russunterdrückende Additive haben eine oxidierende katalytische Wirkung. Damit erhöht sich der Schwefeltrioxidanteil im Abgas, d.h. das Abgas wirkt sehr korrosiv.

 

 

Aufgabe 25: Warum bevorzugt man Ethin (Azetylen) beim Schweißen?

Die Azetylenflamme ist sehr russhaltig. Die erhöhte Russkonzentration der Flamme lässt bei der Schmelze Kohlenstoff in den Stahl diffundieren. Der erhöhte Kohlenstoffgehalt reduziert die Sprödigkeit der Schweißnaht.

 

 

Aufgabe 26: Warum ist die Neigung zur Russbildung einer Brennstoffkomponente verbunden mit einem Anstieg der NO-Konzentration im Abgas?

Brennstoffe mit erhöhter Neigung zur Russbildung können nicht im Luftmangelbereich verbrannt werden. Die gestufte Verbrennung, eine Maßnahme zu Reduzierung von NO-Bildung,  ist wegen der erhöhten Neigung zur Russbildung nicht optimal anwendbar.