CO₂ nachhaltig umwandeln in Methanol

Wie verhält es sich um die vielerorts diskutierte globale Erwärmung?

Unabhängig davon, ob der Ausstoß von Kohlenstoffdioxid (CO₂) zur globalen Erwärmung unserer Erde beiträgt oder nicht ist es unstrittig, dass menschliches Handeln enorme Emissionen an Kohlenstoffdioxid versucht.

Hierbei stellt sich die Frage, wieviel Kohlenstoffdioxid (CO₂) insgesamt in die Umwelt gelangt und wieviel Kohlenstoffdioxid davon das Ergebnis menschlicher Handlungen darstellt.

Wieviel Kohlenstoffdioxid kann unsere Erde verkraften, wenn es darum geht, Kohlenstoffdioxid auf natürlichen Wege abzubauen oder durch Fotosynthese in Sauerstoff und Biomasse umzuwandeln. Die Kenntnis über Entstehungsquellen von Kohlenstoffdioxid und deren zeitlich anfallende Mengen lässt sicherlich Schlussfolgerungen zu, ob die vielerorts diskutierte globale Erwärmung hauptsächlich das Ergebnis menschlicher Handlungen darstellt.

Fakt ist, dass wir in den letzten Jahrzehnten Klimaveränderungen beobachten, welche es ernst zu nehmen gilt, will der Mensch den Lebensraum auf unserer Erde langfristig und nachhaltig erhalten.

Betrachtet man den in der Natur bei Pflanzengewächsen natürlich ablaufenden Prozess der Photosynthese, welche vereinfacht dargestellt Kohlenstoffdioxid in Sauerstoff und Biomasse umwandelt, so erscheint die Bewahrung von Pflanzengewächsen als eine der wichtigsten Maßnahmen der Menschheit.

Wie lässt sich jedoch die Entstehung von Kohlenstoffdioxid vermeiden oder auf ein verträgliches Maß reduzieren?

Gibt es Verfahren, mittels welchen sich Kohlenstoffdioxid umwandeln lässt?

Dieser Blogbeitrag behandelt ein Verfahren zur chemischen Umwandlung von Kohlenstoffdioxid zu Methanol, welches nachfolgend als „Methanolsynthese“ bezeichnet wird. „Methanolsynthese“ ist ein Verfahren, mittels welchem sich unter anderem Kohlestoffdioxid durch Reaktion mit Wasserstoff sowie Verwendung geeigneter Katalysatoren zu Methanol umwandeln lässt.

Methanol selbst stellt einen wichtigen Grundstoff der Chemieindustrie dar, aus welchem sich zahlreiche hochwertige Chemieprodukte herstellen lassen. Zudem lässt sich Methanol als alternativen Kraftstoff verwenden.

Die Installation einer Methanolsynthese-Anlage bietet sich an in unmittelbarer Nähe zu Emissionsquellen für Kohlenstoffdioxid. Dies trifft zu beispielsweise für Kraftwerksanlagen, Chemie- und Petrochemische Anlagen, Industrieanlagen. Diese Anlagen erfordern i.d.R. einen hohen Wärmeenergiebedarf, welcher größtenteils durch die Verbrennung fossiler oder nachwachsender Rohstoffe gedeckt werden muss.

Der für die Kohlenstoffdioxidumwandlung erforderliche Wasserstoff könnte mittels Wasserelektrolyse erzeugt werden. Der für die Wasserelektrolyse wiederum erforderliche elektrische Strom lässt sich mittels überschüssiger regenerativer Energie (Wind, Wasser, Sonne) gewinnen.

Somit ließe sich Methanol nachhaltig herstellen.

Nachfolgende Reaktionsgleichung beschreibt den Prozess der Wasserelektrolyse, welche Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet. Die zweite Reaktionsgleichung beschreibt den Prozess der Methanolsynthese, bei welchen Methanol aus Kohlenstoffdioxid and Wasserstoff hergestellt wird. Die Reaktion der Methanolherstellung läuft exotherm (unter Wärmeabgabe) ab.

2H₂O → 2H₂ + O₂
CO₂ + 3H₂ ↔ CH₃OH + H₂O

Unter Berücksichtigung der Molekulargewichte zuvor genannter Reaktionsgleichungen und bei vollständiger Umwandlung der Edukte zu Reaktionsprodukten würden für die Erzeugung von 1 kg Wasserstoff (H₂) 9 kg Wasser (H₂O) erforderlich. Als Nebenprodukt würden 8 kg Sauerstoff (O₂) anfallen.

Die Herstellung von 1 kg Methanol (CH₃OH) würde theoretisch 1,3750 kg Kohlenstoffdioxid (CO₂) sowie 0,1875 kg Wasserstoff (H₂) erfordern. Gleichzeitig würden 0,5625 kg Wasser (H₂O) als Nebenprodukt anfallen.

Zur besseren Veranschaulichung wird in einem 1. Beispiel eine Heizungsanlage für ein Mitte der 80 Jahre in Deutschland errichtetes Eigenheim betrachtet, welche einen jährlichen Heizölbedarf von ca. 3.000 Litern hat und für Heizzwecke und zur Warmwassergewinnung genutzt wird.

Es wird „Heizöl EL“ zugrunde gelegt. „Heizöl EL“ besteht zu 86 … 88 Gew. % aus Kohlenstoff (C) und 12 … 14 Gew. % aus Wasserstoff (H). Geringe Anteile an Schwefel (S) oder aber Stickstoff (N) werden vernachlässigt. Die durchschnittliche Dichte von „Heizöl EL“ beträgt bei 15 °C ca. 840 kg/m³.

Damit entsprechen 3.000 Liter „Heizöl EL“ gleich 3,00 m³ oder aber 2.520 kg.

Unter Berücksichtigung zuvor genannter Zusammensetzung würde „Heizöl EL“ somit 2.192 kg chemisch gebundenen Kohlenstoff (C) und 328 kg chemisch gebundenen Wasserstoff (H) enthalten.

Nachfolgende Reaktionsgleichungen repräsentieren die Oxidation von Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid sowie von Wasserstoff zu Wasser, was der Verbrennung von „Heizöl EL“ theoretisch gleichkommt.

C + O₂ → CO₂
H₂ + ½ O₂ → H₂O

2.192 kg Kohlenstoff (C) erfordern 5.845 kg Sauerstoff (O₂) und erzeugen 8.037 kg Kohlenstoffdioxid (CO₂).

328 kg Wasserstoff (H₂) erfordern 2.624 kg Sauerstoff (O₂) und erzeugen 2.952 kg Wasser (H₂O).

Würde man die durch die Verbrennung von 3.000 Liter „Heizöl EL“ erzeugte Menge an Kohlenstoffdioxid (8.037 kg) in Methanol umwandeln, so könnten hieraus theoretisch 5.845 kg Methanol hergestellt werden.

Vorgenanntes Beispiel veranschaulicht, wieviel Kohlenstoffdioxid jährlich durch die Verbrennung von „Heizöl EL“ durch ein Eigenheim verursacht wird.

Im Vergleich hierzu kann ein Baum (z.B. Buche) jährlich durchschnittlich nur 12,5 kg Kohlenstoffdioxid binden. Somit sind 643 Bäume (Buche) erforderlich, um den jährlichen Kohlenstoffdioxidausstoß eines einzelnen Eigenheims zu kompensieren. Man stelle sich die Waldfläche vor, welche die Besitzer eines Eigenheims bepflanzen und pflegen müssten, um die von ihrer Heizungsanlage erzeugten Kohlenstoffdioxidemissionen zu kompensieren.

Ein 2. Beispiel betrachtet eine Anlage zur Prozeßwärmeversorgung eines Unternehmens mit einer Wärmeübertragungsleistung von 3.000 KW (entspricht 3,0 MW).

Es wird von einem Feuerungswirkungsgrad von ca. 90 % ausgegangen, so dass die Feuerungswärmeleistung 3.333 KW entspricht. Zur Wärmeerzeugung soll wiederum „Heizöl EL“ Verwendung finden. „Heizöl EL“ besitzt einen unteren Heizwert (Hu) von 42.000 kJ/kg.

Geht man von einem vollkontinuierlichen und stabilen Anlagenbetrieb und 8.000 Betriebsstunden im Jahr aus, so erfordert eine derartige Anlage zur Prozeßwärmeversorgung ca. 285,71 kg/Std. bzw. 2.288.714 kg/Jahr (entspricht 2.288,7 Tonnen/Jahr).

Unter Berücksichtigung der stofflichen Zusammensetzung von „Heizöl EL“ gemäß Beispiel 1 würde die mit der Verbrennung von „Heizöl EL“ jährlich an die Umwelt ausgestoßene Menge an Kohlenstoffdioxid 7.301 Tonnen betragen. Hieraus ließen sich bei vollständiger Umsetzung des Kohlenstoffdioxids (CO₂) durch Methanolsynthese 5.310 Tonnen Methanol (CH₃OH) herstellen.

Zum Abbau dieser Kohlenstoffdioxidmenge ist ein Baumbestand von 584.080 Bäumen erforderlich, geht man davon aus, dass ein Baum (z.B. Buche) jährlich ca. 12,5 kg Kohlenstoffdioxid umwandeln kann.

Ein 3. Beispiel soll den Kohlenstoffdioxidausstoß des Menschen beim Ausatmen veranschaulichen. Die Menge des in der Ausatemluft anteilig enthaltenen Kohlenstoffdioxids liegt bei ca. 4 Vol.%. In Abhängigkeit der menschlichen Aktivität (Ruhephase, Normalphase oder Hochleistungsphase) variiert die Menge dessen Ausatemluft von ca. 5 … 50 L/min. An einem normalen Tag, welcher Ruhephase, Normalphase und Hochleistungsphase des Menschen berücksichtigt bedeutet dies ca. 30.000 Liter Ausatemluft, welche 4 Vol.% Kohlenstoffdioxid beinhaltet. Dies repräsentiert 1.200 Liter Kohlenstoffdioxid, was bei einer Dichte von 1,77 kg/m³ (@ 30 °C Ausatmungstemperatur) einer Masse von 2,124 kg Kohlenstoffdioxid-Ausstoß des Menschen an einem Tag gleichkommt. Betrachtet man ein Jahr, so werden durch einen Menschen ca. 775 kg Kohlenstoffdioxid an die Umwelt ausgestoßen.

Zum Abbau dieser Kohlenstoffdioxidmenge ist ein Baumbestand von 62 Bäumen erforderlich, geht man davon aus, dass ein Baum (z.B. Buche) jährlich ca. 12,5 kg Kohlenstoffdioxid umwandeln kann.

Zuvor genannte Beispiele verdeutlichen, welche Mengen an Kohlenstoffdioxid durch die jeweiligen Emissionsquellen an die Umwelt abgegeben werden. Die Beispiele lassen sich endlos fortsetzen und belegen die seitens der Menschen verursachten Kohlenstoffdioxid-Emissionen an unsere Umwelt.

Eine Zunahme der durchschnittlichen Erderwärmung um 1,5 Grad sollte ähnlich betrachtet werden, wie eine erhöhte Temperatur beim Menschen (38,5 Fieber). Wie fühlt man sich in diesem Fall?

Dieser Blogbeitrag überlässt es der Fantasie des Lesers, mit welchen Auswirkungen und Herausforderungen sich der Mensch in Zukunft auseinandersetzen muss, wenn er so weiter verfährt wie bisher.

Wir brauchen unsere Erde – Braucht unsere Erde uns?

Der nächste Blogbeitrag behandelt die Nutzung von Wasserstoff mittels Brennstoffenzellentechnik, welche nicht nur als zukünftige Antriebskonzepte zur Aufrechterhaltung emissionsfreier Mobilität Verwendung finden kann, sondern ebenfalls als eine Art „Blockheizkraftwerk“ in Gebäuden. Dies würde sich besonders in Verbindung mit installierten Fotovoltaik-Anlagen kombinieren lassen, bei welcher überschüssige Elektroenergie zur Herstellung von Wasserstoff verwenden lässt.