Nützliches CO2 für Gewächshäuser und die Chemische Industrie

von Dr. Ludwig Lindner
Vortrag bei der Tagung des Vereins Bürger für Technik am 31.10.2016 in Mannheim

1. Nutzung des CO2 durch Photosynthese     

Die Photosynthese ist die natürliche Erzeugung von energiereichen Biomolekülen aus energieärmeren Stoffen mithilfe von Lichtenergie. Sie wird von Pflanzen, Algen und einigen Bakterien betrieben. Bei diesem biochemischen Vorgang wird zunächst mit Hilfe des lichtabsorbierenden Farbstoffes ( Chlorophyll) Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt. Diese wird dann unter anderem zum Aufbau energiereicher organischer Verbindungen – sehr oft Kohlenhydrate (Summenformel CH2O) genutzt. Die Gesamtreaktion der Photosynthese mit Wasser als Reduktionsmittel kann durch die folgende allgemeine, vereinfachte Summengleichung formuliert werden:

C O 2 + 2 H 2 A   → L i c h t < C H 2 O > +   2 A + H 2 O {displaystyle mathrm {CO_{2}+2;H_{2}A {xrightarrow {Licht}}{}<!CH_{2}O!>+ 2;A+H_{2}O} }      CO2 + H2O   =  <CH2O> + O2.        Reaktion unter Einfluß von Licht  oder:

           6 CO2 + 6 H2O = C6H12O6 + 6 O2    + 2870 KJ/mol

Oder in Worten:

 Aus Kohlenstoffdioxid und Wasser entsteht – durch Energiezufuhr (Licht; Chlorophyll) – Traubenzucker (Glucose) – C6H12O6  und Sauerstoff. 3)

Alle Algen und grünen Landpflanzen verwenden ausschließlich Wasser (H2O) als Reduktionsmittel.  Der im Wasser gebundenen Sauerstoff wird als Oxidationsprodukt des Wassers bei der sogenannten oxygenen Photosynthese als  molekularer Sauerstoff (O2) freigesetzt. Der gesamte in der Erdatmosphäre und Hydrosphäre vorkommende Sauerstoff wird durch oxygene Photosynthese gebildet.

2. CO2-Inventar in der Atmosphäre 2)

Auf der Erde gibt etwa 75 Billiarden (=Millionen Milliarden) Tonnen Kohlenstoff.            99,8 % davon befindet sich im Gestein, fast alles als Karbonate im Kalkstein.                        Weiterer Kohlenstoff befindet sich in fossilen Brennstoffen( Kohle, Erdöl, Erdgas):         4.100 Mrd. t  Kohlenstoff.                                                                                                                       Im Wasser: 38.000  Mrd. t Kohlenstoff    = 0,05 % des gesamten Vorkommens                       Im Boden: 1.580 Mrd. t Kohlenstoff  = 0,002 % des gesamten Vorkommens.                                          In Lebewesen: 800 Mrd. t Kohlenstoff = 0,001 % des gesamten Vorkommens.                         In der Luft:  820 Mrd: t Kohlenstoff = 0,001 % des gesamten Vorkommens.

In der Atmosphäre sind somit insgesamt etwa 3.000 Mrd. t CO2 enthalten.

3. Wirkungsgrad  und Produktivität der Photosynthese.3)

  • Die für die Synthese von einem Mol Glucose benötigte Lichtenergie beträgt je nach Wellenlänge zwischen 1430 kJ (Blau) und 8064 kJ (Rot)
  • Die Freie Reaktionsenthalpie für die Bildung von Glucose aus CO2 und H2O beträgt unter Standardbedingungen 2862 kJ/mol.
  • Das ergibt einen Wirkungsgrad von 20,0 Prozent für blaues und 35,5 Prozent für rotes Licht.

gesamte Erde        Fläche 0,51 x 1015 m2        80  x 109 t pro Jahr (100 %)

 

 

davon Ozeane       Fläche 0,36 x 1015 m2             28  x 109 t pro Jahr (35,4 %)

 

 

davon Land            Fläche 0,15 x 1015 m2        52 x 109 t pro Jahr (64,6 %)             

4. Anwendung von CO2 in Gewächshäusern 4)

Der normale CO2-Gehalt der Luft von 320 bis 360 vpm CO2 stellt für viele Pflanzen keinen optimalen Wert für die Photosynthese dar. Als für die Pflanzen optimale Werte werden CO2-Konzentrationen zwischen 600 bis 1600 vpm CO2 angegeben. Gemüsepflanzen verlangen tendenziell etwas höherer Werte als Zierpflanzen [

Sofern für die jeweilige Kultur keine Angaben zu optimalen CO2-Konzentrationen vorhanden sind, wird als Faustzahl ein Wert von 600 vpm CO2 angegeben, mit dem der Gärtner zunächst beginnen sollte. Begrenzt wird die maximal einstellbare CO2-Konzentration auch durch die maximale Konzentration am Arbeitsplatz, die zum Schutz der Arbeitskräfte eingehalten werden muss. Diese liegt bei 5000 vpm CO2.

5.Großtechnische Anwendung von CO2 in  Gewächshäusern 5,6)

5.1. Raffinerie- CO2 für 550 Gewächshäuser in den Niederlanden 5,)

CO2CCCO2 für Gewächshäuser: 350.000 t CO2 strömen in den Niederlanden von der Shell-

ÖlraffÖlRaffinerie bei Rotterdam über eine 85 km lange Transport-Pipeline und ein 300 km            langesVlanges Verteilungsnetz an mehr als 550 Gewächshäuser. CO2 wird für die Photosynthese der

Pflanzeder Pflanzen benötigt. Mit dem CO2 wird das Wachstum von Tomaten, Gurken und Salaten gefördert.

1.C5.O2

1.CO5.25.2. Luther-Tomate Wittenberg 6)

Im Jahre 2014  entstand in Wittenberg eine einzigartige Komposition – die Luther-Tomate. Die      Idee, die  Idee,die  Gewächshäuser direkt neben die SKW Stickstoffwerke Piesteritz zu platzieren,       entstammt einem effizienten Gedanken: Bei der Produktion im Werk entstehen wichtige      Abfallprodukte, wie CO2 und Wärme, die sonst ungenutzt  in die Umwelt abgeschieden werden würden können  jetzt genutzt werden.. Diese werden über Pipelines zu den Gewächshäusern               transportiert. Ende des Jahres 2013  wurden fast 600.000 Tomatenstauden gepflanzt. /

6. Beispiele für die CO2-Nutzung in der Chemischen Industrie 

 

6.1. Harnstoffsynthese: 7)

2 Stufen – Reaktion:  2 NH3 + CO2   =  NH2– CO-NH+H2O  (Harnstoff + Wasser)

Die industrielle Produktion von Harnstoff in einem Hochdruckverfahren geht auf Carl  Bosch und Wilhelm Meiser zurück. Die BASF nahm 1922 die erste Produktionsanlage in Betrieb, bei der sich in einem Hochdruckreaktor im ersten Schritt bei 150 bar aus Ammoniak und Kohlenstoffdioxid in einer mit −117 kJ/mol exothermen Reaktion Ammoniumcarbamat (NH4CO2NH2) bildete, das in einer endothermen Reaktion mit +15,5 kJ/mol weiter zu Harnstoff und Wasser reagiert.

Eine industrielle Verwendungsmöglichkeit von Harnstoff ist die Herstellung von Melamin, das z. B. mit Formaldehyd zu Kunstharzen verarbeitet wird, und von Harnstoff-Formaldehyd-Harzen (Harnstoffharz, so genannte UF-Harze), die z. B. zur Produktion von Spanplatten eingesetzt werden. Harnstoff ist ein viel genutzter Stickstoffdünger und Ausgangsstoff für die chemische Industrie, etwa für die Herstellung von Harnstoffharzen, die als Klebstoff, zur Imprägnierung oder Isolierung eingesetzt werden. Harnstoff dient als Grundlage für die Synthese von Barbitursäure, Koffein, Hydrazin und weiteren Chemikalien.                                                                                                                                         Mit einem Produktionsvolumen von etwa 200 Millionen Tonnen pro Jahr ist Harnstoff eine der meisthergestellten Chemikalien.

6.2.  Salicylsäure 8)9)

Durch Umsetzung von CO2 mit Natrium-Phenolat wird mit der Kolbe-Schmitt-Reaktion Salicylsäure gewonnen.[

       Salicylsäure

 

Durch Umsetzung von Salicylsäure mit Essigsäureanhydrid wird Aspirin erhalten.

        Aspirin                                                                           

Salicylsäure dient zur Herstellung von Farb- und Riechstoffen und der Acetylsalicylsäure (ASS, besser bekannt unter dem Markennamen Aspirin), die als schmerzstillender, entzündungshemmender und gerinnungshemmender Arzneistoff Verwendung findet.

6.3. Methanol   aus Synthesegas10)

Die Dampfreformierung von Erdgas und die partielle Oxydation sind  der Hauptlieferant für Synthesegas (CO,CO2 + H2 ).In Nordamerika und Europa wird meist Erdgas als Rohmaterial genutzt, in China und Südafrika basiert die Synthesegasherstellung auf Kohle oder Braunkohle. 2005 hat China 5,4 Millionen Tonnen Methanol erzeugt, davon 65 % oder 3,5 Millionen Tonnen auf Kohle basierend. Für die Bildung von Methanol aus Synthesegas können die folgenden Gleichungen formuliert werden:

CO + 2 H2  = CH3OH     und      CO2 + 3 H2  = CH3OH + H2O  C O 2 + 3 H 2 ⇌   C H 3 O H + H 2 O ;   Δ H ( 300 K ) = − 49 , 5 k J / m o l {displaystyle mathrm {CO} _{2}+3;mathrm {H} _{2}rightleftharpoons mathrm {CH} _{3}mathrm {OH} +mathrm {H} _{2}mathrm {O} ; Delta H(300;mathrm {K} )=-49{,}5;mathrm {kJ} /mathrm {mol} }  SHAPE  * MERGEFORMAT

Wegen ökonomischer Vorteile bei niedrigen Synthesedrücken und niedrigen Temperaturen wird Methanol größtenteils im Niederdruck-Verfahren produziert.

Methanol hat einen großen Anwendungsbereich.. Mit 45 Millionen Tonnen Jahresproduktion (Stand: 2008) ist Methanol eine der meisthergestellten organischen Chemikalien. In der chemischen Industrie dient es insbesondere als Ausgangsstoff bei der Produktion von Formaldehyd (HCHO), Ameisensäure (HCOOH) und Essigsäure. (CH3COOH) Methanol und seine Folgeprodukte werden neben der stofflichen Verwendung auch als Energieträger eingesetzt. Mit der Technologie Methanol to Gasoline wird aus Methanol Kraftstoff. Methanol wird auch bei der Synthese von Biodiesel und dem Anti-Klopfschutzmittel  MTBE (Methyl-t butylether, hergestellt aus Methanol + Isobuten) benötigt. In Brennstoffzellen kann Methanol als Wasserstofflieferant dienen.

6.4. Carbon2Chem von Evonik 11)

Evonik zusammen mit mit 7 Partnern aus Industrie , Wissenschaft und Forschung  wollen 20 Mio. t CO2 aus der Stahlbranche wirtschaftlich nutzbar machen für  Dünger , Kraft- und Kunststoffe. Evonik bringt seine Katalysekompetenz in das Projekt ein, das vom Bundeswirtschaftsministerium mit über 60 Mio € gefördert wird.

6.5. Klimagas CO2 wird zu Weichschaum 12)13)

In Dormagen wurde eine Anlage der Firma Covestro  in Betrieb genommen, die rund 20 Gew.% CO2 aus Abgasen des Chemieparkes in ein Vorprodukt von Polyurethan-Weichschaum einbaut. Die 15 Mio € teure Prototyp-Anlage ist für  5000t Polyöl pro Jahr ausgelegt. Bereits 2010 hat das Bundesforschungsministerium ein Projekt mit 4,5 Mio € gefördert  für die Nutzung von CO2 aus dem Rauchgas der Braunkohlekraftwerke.. Im Innovationszentrum beim Braunkohlekraftwerk Niederaußem  betreibt RWE eine Pilotanlage zur CO2-Wäsche ,die das Kohlendioxid aus dem Rauchgas abtrennt. 

Mit diesen Ausführungen ist dargelegt,  daß die Verteufelung von CO2 als Klimagas falsch und eine Lüge ist. COist vielmehr ein wichtiger Rohstoff für die Pflanzen, die Landwirtschaft und auch für die Chemie . Deshalb ist es zu begrüßen, daß es jetzt mehrere Initiativen zur CO2-Anwendung mit staatlicher Unterstützung gibt.

Literatur

1.https://de.wikipedia.org/wiki/Photosynthese 

2.http://www.oekosystem-erde.de/html/kohlenstoffkreislauf.html 

3. http://.chemie.de/lexikon/Photosynthese.html 

4.www.hortipendium.de/CO2-Düngung  Nov.2013

5. http://www.the-linde-     group.com/de/clean_technology/clean_technology_portfolio/co2_applications/greenhouse_supply/index.html

6.http://wittenberg-gemuese.de/unternehmen/  

7. https://de.wikipedia.org/wiki/Harnstoff#Herstellung

8. https://de.wikipedia.org/wiki/Kohlenstoffdioxid#Verwendung

9.  https://de.wikipedia.org/wiki/Salicyls%C3%A4ure#Eigenschaften_und_Verwendung

10.. https://de.wikipedia.org/wiki/Methanol                                                                                                                                                       

11.Zeitschrift Folio (Evonik) Sept.2016, S.7

12.. Klimagas CO2 wird zu Weichschaum VDI-Nachr. 17.6.2016, S.16

13 www.rwe.com Pressemitteilung 15.9.2010..

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6 Kommentare

  1. Herr Kowatsch,
    Sie können alles höchtwissenschaftlich analysieren, blos das nützt nix.
    Fakt:
    Pflanzen sind Geschöpfe der Erde, gefangen wie wir, in unsere Atmosphäre.
    Sie atmen, sie leben, sie sind einzigartig, genau so wie wir.

    Co² zb. ist für mich ein Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatome.
    Ich stelle mir das alles einfach vor.
    Die zwei Sauerstoffatome verbinden sich mit dem Sauerstoff in der Athmosphäre wie 2 Wassertopfen die aufeinander treffen, deshalb schwer nachweisbar.
    Früher hat man Co² nur im Labor im Reagenzlas versucht nachzuweisen.

    Übrig bleibt Kohlenstoff in subatomaren Partikeln, die wiederum für das Leben auf der Erde von Bedeutung ist. Denn das ist der Stoff des Lebens….

    ÄÄH.. ich bin kein Wissenschaftler, selbst wenn ich unrecht habe.

    Die Pflanzen atmen Luft, die brauchen Luft wie Du und Ich…Ich schwör.

    ENDE

  2. Lieber Herr Fontana
    Die Versuche sind sehr interessant und wissenschaftlich gut durchgeführt. Aber: Da hat zwar einer tolle Experimente gemacht, gut beobachtet, aber oft die falschen Schlussfolgerungen gezogen, z.B. findet sich in einem Erklärungstext zu den Versuchen folgendes: „….Bis heute wissenschaftlich völlig unbekannt, dass Pflanzen kein CO2 aufnehmen, sondern dass sie aus dem Nitrat-Stickstoff Kohlendioxid abgeben…“ Für einen Chemiker ist dieser Satz der reinste Unsinn. Hier müsste in Form einer Rektionsgleichung erklärt sein wie aus Nitrat-Stickstoff Kohlendioxid entstehen soll. Für Reaktionsveränderungen gilt grundsätzlich, dass Kohlenstoff bereits in Nitrat-Stickstoff in irgendeiner Form enthalten sein müsste. Diese notwendige Erklärung bleibt Herr Enger schuldig. Aus nichts können grundsätzlich keine neuen Elemente bei chemischen Reaktionen entstehen. Außerdem ist bekannt, dass in den Pflanzen, bzw. in deren organischen Verbindungen Kohlenstoff enthalten ist, was auch nicht angezweifelt wird. Dieser Kohlenstoff muss grundsätzlich irgendwo her gekommen sein, woher denn, wenn nicht aus dem CO2 der Luft. Also bitte: Woher kommt das C-atom sonst, denn aus dem Nitrat-Stickstoff kann es nicht entstanden sein?
    Biosphäre 2 ist gescheitert, weil gleichzeitig oxidative Verrotungsprozesse stattfinden, meist im oder auf dem Erdboden, chemische Reaktionen, die wiederum Sauerstoff benötigen und CO2 freigesetzt wird. Auch ist es denkbar, dass in unseren Wäldern bisweilen mehr CO2 freigesetzt wird als die Bäume durch Fotosynthese herstellen.
    Insgesamt einen Dank an den Autor des EIKE-Artikels für die Bedeutung und Erklärung der Fotosynthese für das Leben auf der Erde.

  3. @Ketterer
    Schreiben Sie doch nicht so ein Schmarrn.
    Die Pflanzen verbrauchen Sauerstoff. Die ersticken, wenn sie luftdicht eingesperrt sind.
    Die geben kein Sauerstoff ab…Wie denn?
    Testen Sie es selbst.

    Schauen Sie sich diese Seite an.Da hat sich einer die Mühe gemacht, diese Mär hinterfragt und Experimente durchgeführt.

    http://tinyurl.com/hszzakc

    Biospäre 2 ist durch dem Irrtum der Schulweisheit gescheitert.

  4. #2: Peter Fontana sagt:
    „[…]Kann man den nicht mal von der blöden Schulweißheit [sic!] abrücken?[…]“
    ##############
    Auch wenn Pflanzen/Algen auch Sauerstoff benötigen, diese produzieren ihn auch (mehr als sie verbrauchen).
    Also die Schulweisheit ist nicht blöde. Die Mechanismen, die sie in Wikipedia beschrieben finden, sind wissenschaftlich bestätigt, Einschließlich der Tatsache, woher das O2 kommt, das die Pflanzen abgeben.

  5. Zitat:
    Alle Algen und grünen Landpflanzen verwenden ausschließlich Wasser (H2O) als Reduktionsmittel. Der im Wasser gebundenen Sauerstoff wird als Oxidationsprodukt des Wassers bei der sogenannten oxygenen Photosynthese als molekularer Sauerstoff (O2) freigesetzt. Der gesamte in der Erdatmosphäre und Hydrosphäre vorkommende Sauerstoff wird durch oxygene Photosynthese gebildet.
    Zitat Ende:

    Kann man den nicht mal von der blöden Schulweißheit abrücken? Planzen brauchen Sauerstoff ohne wenn und aber. Es sind Geschöpfe der Erde.
    Sperrt doch mal eine Pflanze in eine luftdichten Behälter. Die verreckt.

    Nochmal für euch alle Wissenschaftler, der Sauerstoff kommt aus den Weltmeeren.

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