Wasserstoff und Brennstoffzellen. Sven Geitmann
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Verbrennungsprodukte. Bei diesen Produkten muss es sich nicht von vornherein um Schadstoffe handeln. Solange eine vollständige Verbrennung von Kohlenwasserstoffen stattfindet (s. Formel), werden lediglich unschädliche Reaktionsprodukte erzeugt. Inwieweit Kohlenstoff-Dioxid als schädlich oder unschädlich bezeichnet werden kann, wird im nachfolgenden Kapitel behandelt.
Vollständige Verbrennung von Kohlenwasserstoffen:
CnHm + (m + n/4) O2
Weil jedoch nicht nur die Kohlenwasserstoffe als Reaktionspartner für Sauerstoff zur Verfügung stehen, sondern auch große Mengen Stickstoff (79 % der Umgebungsluft sind Stickstoff), entstehen auch Stickstoff-Oxide, die als Schadstoffe angesehen werden.
Problematischer wird es, wenn es zum Beispiel bei Sauerstoff-Mangel zu einer unvollständigen Verbrennung kommt, so dass außerdem Kohlenstoff-Monoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Schwefeloxid und Ruß entstehen. In der Realität sieht es so aus, dass eigentlich nie eine vollständige Verbrennung stattfindet. Demzufolge entstehen tatsächlich bei jeder Verbrennung von fossilen Energieträgern gewisse Mengen an Schadstoffen, limitierte und nichtlimitierte Emissionen.
2.4.1 Limitierte Emissionen
Kohlenwasserstoffe (CnHm): Bezeichnung für organische Verbindungen, die nur aus verschiedenen Anteilen Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen.
Kohlenstoff-Monoxid (CO): Reiz-, farb- und geruchsloses Gas, das bei der unvollständigen Verbrennung von organischen Verbindungen entsteht. Es wirkt gesundheitsgefährdend, da es die Sauerstoff-Aufnahme des Blutes behindert.
Stickstoff-Oxide (NOx): NOx umfassen Stickstoff-Oxid (NO) und Stick-stoff-Dioxid (NO2). Speziell NO greift die Schleimhäute der Atmungsorgane an und begünstigt Atemwegserkrankungen. In der Luft reagieren die Oxide in Verbindung mit Wasser zu Salpeter-Säure und sind für den sauren Regen mitverantwortlich. Stickstoff-Oxide tragen außerdem zur Smog-Bildung bei.
Ruß (C): reiner, unverbrannter Kohlenstoff. Er wird vornehmlich in Diesel-Aggregaten erzeugt. Am Ruß können polyzyklische, aromatische Kohlenwasserstoffe angelagert sein, denen eine karzinogene (krebserzeugende) Wirkung nachgesagt wird.
2.4.2 Nichtlimitierte Emissionen
Schwefel-Dioxid (SO2): SO2 ist ein farbloses, stechend riechendes Gas. Es entsteht überwiegend als unerwünschtes Nebenprodukt bei der Verbrennung schwefelhaltiger, fossiler Energieträger wie Kohle oder Öl. Reagiert Schwefel-Dioxid mit dem in der Atmosphäre enthaltenen Wasserdampf, entsteht schwefelige Säure (H2SO3), die zur Bildung von saurem Regen führt, der für das Waldsterben mitverantwortlich ist.
Kohlenstoff-Dioxid (CO2): Farbloses, nicht brennbares, geruchloses und ungiftiges Gas, das mit etwa 0,03 Prozent natürlicher Bestandteil der Erdatmosphäre ist.
Polyzyklische, aromatische Kohlenwasserstoffe (PAH): Einige besitzen karzinogene und auch mutagene Eigenschaften (Krebs und Mutationen auslösend).
Benzol, Toluol, Xylol (BTX): leicht flüchtige, aromatische Einzelkohlenwasserstoffe in ringförmiger chemischer Anordnung, Benzinbestandteile. Benzol gilt als krebserzeugend, Toluol kann in erhöhter Konzentration Schleimhautreizungen, Störungen des Nervensystems sowie Schädigungen an Leber, Niere und Gehirnzellen verursachen.
Formaldehyd (HCHO oder CH2O): wasserlösliches, sehr reaktionsfreudiges, säuerlich-stechend riechendes, farbloses Gas, karzinogen. Es gehört zur Gruppe der Aldehyde und kommt meist in 35%iger wässriger Lösung als Formalin in den Handel. Es entsteht als Nebenprodukt bei fast allen Verbrennungsprozessen.
2.4.3 Schadstofffreisetzung
Je nach Energiewandler und Einsatzgebiet werden unterschiedliche Energieträger verwendet. Folglich unterscheiden sich dementsprechend auch die Menge sowie die Zusammensetzung der Emissionen (Abb. 4).
Für den Straßenverkehr werden vorrangig Otto- und Diesel-Motoren eingesetzt, die Benzin beziehungsweise Dieselöl verbrauchen. In Kraftwerken können je nach Bauart Braun- oder Steinkohle, Erdgas und auch Erdöl in großen Turbinen verfeuert werden. In der Industrie kommt es zu einer Ansammlung verschiedener Energiewandlungsprozesse, während es in privaten Haushalten entweder Kohleöfen gibt oder Brennkessel, die bisher meist mit Öl und inzwischen zunehmend mehr mit Gas befeuert werden.
ABB. 4: EMISSIONEN IN UNTERSCHIEDLICHEN WIRTSCHAFTSZWEIGEN
Emissionen unterteilt nach Sektoren in Deutschland.
Quelle: Bundesministerium für Wirtschaft
Im gesamten Verkehrssektor (Straßen-, Schienen-, Wasser- und Luftverkehr) werden über 60 Prozent der NOx-Emissionen abgegeben. Etwa 20 Prozent werden in Kraftwerken erzeugt und weitere 10 Prozent entstehen durch Industriefeuerung. Der Verkehr ist darüber hinaus für über 55 Prozent der CO-Emissionen verantwortlich.
Etwas mehr als 20 Prozent Kohlenstoff-Monoxid emittieren die privaten Haushalte und etwas weniger als 20 Prozent die Industrie. Mehr als ein Drittel aller Kohlenstoff-Dioxid-Emissionen wird in Kraftwerken erzeugt und jeweils ein Sechstel im Straßenverkehr, in den Haushalten und durch die Industriefeuerung.
2.5 Kohlenstoff-Dioxid
Beim Thema Kohlenstoff-Dioxid gehen die Meinungen auseinander, ob diese Substanz als Schadstoff angesehen wird, als Treibhaus-Gas oder lediglich als ganz natürliches Umweltgas.
Kohlenstoff-Dioxid (CO2) ist ein ungiftiges Gas und natürlicher Bestandteil der Erd-Atmosphäre. Für die Pflanzenwelt ist es unverzichtbar. Es wird von den Pflanzen bei der Photosynthese in energiereichere Kohlenhydrate umgewandelt, wobei Sauerstoff frei wird. Für diesen Vorgang sind lediglich Sonnenenergie und Wasser notwendig. Der auf diese Weise produzierte Sauerstoff bildet die Lebensgrundlage für alle Säugetiere (inkl. Mensch).
Die außerdem bei der Photosynthese erzeugten Kohlenhydrate werden von tierischen Organismen bei deren Stoffwechsel aufgenommen (Pflanzenfresser essen Grünzeug). Während des Verdauungsvorganges werden die Pflanzen wieder zu CO2 und Wasser abgebaut und anschließend über die Atmung an die Außenluft abgegeben beziehungsweise in Biomasse umgewandelt.
Somit schließt sich ein Kreislauf, in dem Kohlenstoff-Dioxid nichts weiter ist als ein lebensnotwendiges Umweltgas.
Kohlenstoff-Dioxid hat jedoch auch Auswirkungen auf das Klima und wird in diesem Zusammenhang als Klimagas bezeichnet: Die Erd-Atmosphäre ist weitestgehend durchlässig für einfallendes, sichtbares Sonnenlicht. Die Rückstrahlung von langwelliger Infrarot-Strahlung wird hingegen teilweise verhindert. Dafür sind verschiedene Klimagase verantwortlich, von denen Wasserdampf in hohen Luftschichten den größten Einfluss hat.
TAB. 5: WIRKPOTENTIAL VERSCHIEDENER KLIMAGASE
Damit verhält sich die Atmosphäre ähnlich wie das Glasdach eines Treibhauses,