Holzvergasung - Gymnasium Ettenheim

Schüler- Experiment zum Thema:
Chemische Eigenschaften von Holz.
(Klasse 8-11)
Holz ist ein klassischer, seit Jahrtausenden genutzter nachwachsender Rohstoff. Er wird nicht nur im Bau- und
Konstruktionsbereich eingesetzt, sondern dient auch als wichtiger Energieträger. Normalerweise denkt man in
diesem Zusammenhang nur an die Verbrennung von Holz. Mit Hilfe der Pyrolyse*, (d.h. Erhitzung unter
Sauerstoff-Abschluss = “trockene Destillation“) kann man jedoch ebenfalls die Energie, die im Holz steckt nutzen.
Diese „Holzverflüssigung“ liefert sowohl ein „Bio-Öl“, das sich zu Heizzwecken oder als chemischer Rohstoff
verwenden lässt als auch „Bio-Gase“, die man zur Verbrennung und als Antrieb für Motoren nutzen kann. Übrig
bleibt Holzkohle/Holzteer.
Biologisch ist Holz ist ein Pflanzenmaterial, das von den Holzgewächsen im Bereich des so genannten Kambiums
nach innen gebildet wird. Es dient der Wasserleitung und der Stabilität des Stammes. Das frisch geschlagene Holz
enthält etwa 40-60% Wasser, das beim lufttrockenen Holz nur noch etwa 20% ausmacht.
Chemisch ist Holz ein Verbund-Biopolymer. Es besteht im Wesentlichen aus der fasrigen Gerüstsubstanz
Cellulose und dem harzigen Bindemittel Lignin. Holz ist also deshalb so druck- , zug- und biegefest, weil es wie
z.B. Karbonfaser verstärkter Kunststoff aus zugfesten Fasern und einem druckfesten Harz besteht. Holz wandelt
sich bei Pyrolyse-Temperaturen im Bereich von 300–600 °C um, wobei die Riesenmoleküle in kleinere, einfacher
gebaute Moleküle umgewandelt werden.
*Pyrolyse ist eine aus dem griechischen abgeleitete Bezeichnung für die thermische Zersetzung zusammengesetzter Stoffe (Pyro: Feuer und
lysis: auflösen). Wichtig dabei ist, dass kein Sauerstoff zugegen ist, da sonst eine Verbrennung stattfinden würde.
Versuch: Pyrolyse von Holz
 Holzstückchen (z.B. Erdnuss-Schalen) zersetzen sich beim Glühen unter
Luftabschluss zu Holzkohle, Holzteer und Holzgas.
Versuchsaufbau:
1 Bunsenbrenner
2 großes Reagenzglas
3 großes Reagenzglas (Kühlfalle)
4 Glasrohr als Verbindungsstück
5 Gasableitungsrohr mit Düse
6 Holzspäne
7 Kondensat
8 Kupferspäne gegen Flammen-Rückschlag
9 Holzgas-Flamme
10 Stativmaterial
Die Apparatur besteht aus zwei hitzefesten Reagenzgläsern , Gummistopfen und zwei Glasrohren. Die entstehenden Gase sollen die Apparatur
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am Gasableitungsrohr verlassen. Da ein brennbares Gasgemisch erwartet wird, sollte das Glasrohr mit einer Rückschlagsicherung
(Kupferspäne oder Eisenwolle) in (5) versehen sein. Für das Zünden der Gase reicht ein Feuerzeug oder Streichholz.
Durchführung: Man erhitzt das Reagenzglas mit der rauschender Brennerflamme.
Beobachtung: Es entwickelt sich zunächst ein weißlicher Rauch, der intensiv nach verschweltem Holz riecht.
Die Sägespäne verändern ihre Farbe über braun nach schwarz. Es bildet sich ein weißlich gelber Qualm, der mit
leuchtender Flamme verbrennt, wenn er entzündet wird. Zurück bleiben in der Kühlfalle eine gelbliche, übel
riechende Flüssigkeit und im Reagenzglas schwarze Holzkohle-Krümel. Die Flüssigkeit erweist sich nach Zugabe
einiger Tropfen Universalindikator als saure Lösung.
Deutung: Reaktionsgleichung
(stark vereinfacht):
Cellulose {C,O,H}x  Holzgase z.B. CO, CO2, {C,H}x (z.B. Ethen) , H2 + Holzgeist z.B. H2O,
{C,O,H}x (z.B. Methanol und Essigsäure), + Holzkohle/Holzteer
In Worten: Holz lässt sich unter Luftausschluss durch Zufuhr von Wärmeenergie in gasförmige, brennbare
Bestandteile (=Holzgas), flüssige Stoffe (=Holzgeist) und Holzkohle zersetzen.
Fragen: (zu beantworten durch eigene Beobachtungen, die Materialien im Anhang und durch Recherche im Buch oder Internet)
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Welche der Stoffe, die in der Gleichung auftauchen sind brennbar? Siehe auch Tabelle 2 und 3.
Erkläre mit diesem Experiment, warum Holzscheite im Lagerfeuer manchmal kleine Stichflammen,
„Knackser“ und sogar kleine Explosionen erzeugen.
Informiere Dich im Schulbuch über die Strukturformel der Stoffe in Tab. 1, 2 und 3.
Holzgas ist zum Heizen viel zu wertvoll. Welche Verwendungen wären möglich?
Im entstehenden Qualm sind viele Zersetzungsprodukte des Holzes enthalten, die für Mikroorganismen
wie Pilze und Bakterien giftig sind. Erkläre die Wirkung von „Räucherung“ für bestimmte Lebensmittel
(Fisch, Wurst..).
Warum brennt Holzkohle nicht mehr mit sichtbarer Flamme? Erkläre den Vorteil gegenüber Holz beim
Grillen.
Worin besteht der chemische Unterschied zwischen Holz und anderen Pflanzenprodukten wie Stroh, Schilf
und Papier?
Der Energiegehalt und damit die Wärmeausbeute von Holz ist nur halb so groß wie bei Heizöl oder
Steinkohle. Begründe mit der Tabelle 1 zur Zusammensetzung der Brennstoffe.
Worin besteht der Vorteil der Pyrolyse von Holz? Warum nicht gleich verbrennen?
Begründe mit dem Material zum Holzteer, warum bei der Durchführung des Versuchs jeder Hautkontakt
mit dem Teer vermieden werden muss.
Informiere Dich über die Bedeutung und Verwendung von Methanol .
Beurteile, ausgehend von der Ähnlichkeit der Vorgänge die Giftigkeit von Tabakqualm. (Hinweise auf einer
Zigarettenschachtel lesen!)
Beurteile, ausgehend von der Ähnlichkeit der Vorgänge die Genießbarkeit von angekohlten Grillprodukten
und Toastprodukten.
Beurteile, ausgehend von der Ähnlichkeit der Vorgänge die Diskussion um den Ruß-Ausstoß von
Dieselfahrzeugen
Holzgas wurde/wird in Zeiten von Benzinmangel als Antrieb für Autos und Lastwagen benutzt. Wie müsste
so ein „Holzvergaser“ aufgebaut sein? (siehe Materialien)
„Pech gehabt“: Holzteer wurde im Mittelalter gegen Angreifer von der Burgmauer gekippt. Außerdem
wurde es als Klebemittel genutzt und zum Abdichten von Holzschiffen, Holzfässern oder Wassereimern.
Welchen chemischen Hintergrund vermutest Du für die Redewendung: „wie Pech und Schwefel
zusammenhalten“? siehe Text 4
Ebenfalls aus dem Mittelalter stammt der Ausdruck: „Pechvogel“. Damals wurden nämlich Singvögel mit
Pech gefangen, damit sie den Rittern ihre Liedchen vorsingen konnten. Begründe diese Fangtechnik mit
den Eigenschaften des Holzteers.
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(für Klasse 11): Informiere Dich über den chemischen Aufbau von Cellulose und Lignin
Materialien:
Tab.1:
Zusammensetzung von Holz und anderen Brennstoffen
Brennstoff
C(%)
H(%)
O(%)
N+S(%) Heizwert kJ/kg
Holz
(lufttrocken)
50,0
6,0
44,4
–
15 100
Torf
(lufttrocken)
59,0
6,0
33,0
2,0
14 700
Braunkohle
74,0
5,5
18,5
2,0
16 800
Steinkohle
88,5
4,2
5,1
2,2
30 400
Erdöl
84,0
13,0
3,0
–
42 000
Spiritus
52,0
13,0
35,0
–
27 000
Dieselöl
87,0
13,0
–
–
41 800
Benzin
85,0
15,0
–
–
42 600
Heizöl
86,0
14,0
Tab.2: Zusammensetzung von Holzgas
Kohlenstoffdioxid
49%
Kohlenstoffmonooxid
34%
Methan
13%
Ethylen
2%
Wasserstoff
2%
–
–
43 000
Tab.3:
Zusammensetzung
von Holzgeist
Wasser
Essigsäure
Methanol
Aceton
Holzteer
82%
10%
2,5%
0,4%
Erhitzt man Buchenholz unter Luftabschluss auf etwa 350°C, so erhält man etwa 19% brennbares Holzgas, etwa
25% Holzgeist, zurück bleibt die Holzkohle. Holzgeist war vor der synthetischen Herstellung von Methanol die
wichtigste Quelle für Methanol.
Schema 1:
Text 1: (http://www.bfafh.de/bibl/frp/frp_1-99_bfh.pdf)
WARUM NICHT GLEICH VERBRENNEN?
Biomasse wird von Pflanzen durch den Prozess der Photosynthese gebildet. Sie ist gleichsam ein
Speichermedium für Sonnenenergie und kann daher als ein nachwachsender, erneuerbarer Energieträger
bezeichnet werden. Ihre energetische Nutzung durch Verbrennung ist bekannt und technisch annähernd
ausgereift. Dagegen ist die Verflüssigung mittels Pyrolyse eine innovative Technologie in der Entwicklungsphase.
Die Verflüssigung bietet den großen Vorteil, dass die Erzeugung des Energieträgers räumlich und zeitlich von
seiner Verwendung entkoppelt werden kann; das Öl lässt sich Raum sparend speichern und transportieren. Für die
Stromerzeugung aus Pyrolyseöl können Dieselmotoren und Gasturbinen eingesetzt werden, so dass sich nach
Berechnungen niederländischer Fachleute ein Gesamtwirkungsgrad von 35 % ergibt. Das ist deutlich mehr als
man durch Verbrennung erzielen kann (20–30 %). Über die energetische Verwertung hinaus ist das Pyrolyseöl
eine Quelle für chemische Rohstoffe. Diese zusätzliche Nutzungsalternative erhöht die Anwendungsbreite des
Verfahrens und steigert seine Wirtschaftlichkeit.
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Text 2:
Holzteer ist ein öliges, wasserunlösliches brennbares, braunrotes, teerig riechendes Gemisch aus SteinkohlenteerBestandteilen; es enthält u.a. Anthracen, Phenanthren, Phenole, Kresol, Naphthalin, Chrysen usw. Man bezeichnet
es auch als Carbolineum. C. ist stark hautreizend und wie Steinkohlenteer bei längerer Einwirkung carcinogen*, die
Dämpfe reizen die Atemwege. Es wirkt Fäulnis hemmend und desinfizierend und wird daher als konservierendes
Anstrichmittel für Eisenbahnschwellen, Telegraphenstangen, Pfähle, Mauern usw. benutzt. Da es auch für
Pflanzenschädlinge giftig ist, wird C. durch Zusatz von Seifen, Soda, Laugen etc. emulgierbar gemacht u. nach
dem Laubfall als Spritzmittel gegen Moos- u. Flechtenwuchs, Pilzschädlinge, Insektenlarven etc. eingesetzt.
(*Krebs auslösend)
Text 3:
Holzgas als Antriebsenergie für Fahrzeuge:
Man kann aus Holz und anderen Pflanzen auch durch Erhitzen und teilweise Verbrennung ein Gas herstellen. Dieses
Gas heißt Holzgas oder Generatorgas. Holzgas kann zum Antrieb von Fahrzeugen per Holzvergaser mit Luftmangelverbrennung (Gleichstrom-Vergaser eingesetzt werden. Bis in die frühen 1950er Jahre waren in Deutschland mit
Sonderführerschein etliche Kleinlastwagen mit Buchenholzscheiten im Einsatz.
Holzgas-Antrieb
(Sendemitschrift von http://www.kabeleins.de/auto/abenteuer_auto/themen/artikel/03349/)
04.02.06
Hohe Kraftstoffpreise verleiden derzeit Autofahrern die Freude am Fahren. Auch alternative Antriebsenergien
Foto: © kabel eins
haben ihren Preis - selbst Salatöl beim Discounter um die Ecke. Doch es gibt noch Zeitgenossen, die fast zum
Nulltarif unterwegs sind. Ein Waldstück im Fürstentum Liechtenstein. Fast täglich trifft man hier auf Dieter Grätz,
Zum Video
denn bei ihm dreht sich alles ums Holz. Kein Versprecher – Sie haben richtig gehört: Dieter Grätz tankt Holz!
Nachteil: der Vergaser seiner 21 Jahre alten S-Klasse wiegt schlappe 450 Kilogramm und muss auf einem
speziellen Hänger transportiert werden. Vorteil: Holzgas ist eine preiswerte Alternative zum herkömmlichen Kraftstoff.
"Man kann sich ja die teuren Spritpreise nicht mehr leisten. Und ich fahre meine 100 Kilometer ungefähr so
für einen Euro fünfzig." Allerdings muss auch alle 100 Kilometer “nachgetankt“ werden - der Kessel benötigt eine
neue Füllung mit 16 Kilogramm Kleinholz.
Der Weg zum Motor: Sobald die Sauerstoffzufuhr gestoppt wird, verschwelt das Holz. Dabei entstehen
Kohlenmonoxid, Methan und Wasserstoff als brauchbare Bestandteile. Aber auch Teer, Essigdampf, Stickstoff
und Wasserdampf bilden sich bei diesem Prozess. 200 Filtertüten trennen Gas und Reststoffe. Über einen
Schlauch strömt das gekühlte Holzgas zum Motorraum, wo es erneut gefiltert wird. Über Mischbatterie und
Ansaugbrücke gelangt es dann in den Motor.
Schadstoff-Klasse: Doch zuvor kontrolliert Grätz noch die Qualität – gutes Holzgas brennt rauchlos. Sonst ist zuviel Teer drin –das würde eine
Motorblockreinigung bedeuten. Mit Holzgas bringt der Motor rund ein Drittel weniger Leistung als mit Benzin. Statt 250 PS hat der Schwabe jetzt nur
noch 160 unter der Haube. Dafür hat der Holzgas-Antrieb andere Qualitäten. Dieter Grätz: "Der Unterschied ist: Benzin ist ein hartes Fahren. Der Motor
läuft wesentlich ruhiger wenn er mit Holzgas fährt. Und ein Nachzünden das gibt es bei Holzgas gar nicht. Holzgas zündet 15 Grad früher wie Benzin.
Aber Zündpunkte hin, Leistungsverlust her: wo immer Dieter Grätz mit seinem Gespann auftaucht, ist ihm Aufmerksamkeit sicher. Und wie steht es mit der
Umweltverträglichkeit? Da er keinen Kat hat, dürfte der CO-Ausstoß des Schwaben bei 3,5 Volumenprozent liegen. Der Abgas-Experte ist skeptisch.
Doch dann die Überraschung: 0,13 – sogar besser als die Euro II Norm!
Der Ursprung: Holzgas-Anlagen gibt es genauso lange wie Benzin-Motoren. Durchsetzen konnten sie sich zwar nie, aber immer wenn Sprit knapp und
teuer ist, erleben sie eine Renaissance. Inzwischen sammelt der 67-jährige Unternehmer alle mobilen Raritäten, die mit Holzgas betrieben werden.
Merkmal der Holzgasautos: große Kessel die dort montiert werden wo eben Platz ist - zur besseren Gewichtsverteilung auf Front und Heck verteilt.
Das Holz reist fast immer auf dem Dach mitflott unterwegs. Dieter Grätz: "Der Benzinpreis kann so hoch gehen wie er will, umso mehr freue ich mich, und
ich habe die modernsten Anlagen, die es gibt. Und ich fahre steuerfrei, ich zahle keine 68 Prozent des Treibstoffes an den Staat." Aktuelle Autos sind für
Holzgas ungeeignet. Motormanagement und Einspritzanlage würden die schwankende Gasqualität nicht verkraften. Bei älteren Modellen sollte man rund
1.200 € Umbaukosten für das Material einkalkulieren und außerdem genügend Zeit mitbringen. Unter 150 Arbeitsstunden ist der Umbau kaum zu schaffen.
Text 4:
Die ersten Rezepturen, die dem Schwarzpulver ähneln stammen aus der Antike. So sollen die Assyrer bereits im 6. Jahrhundert v.Chr.
bengalisches Feuer eingesetzt haben, welches neben Pech und Schwefel auch Salpeter enthielt und somit dem Schwarzpulver bereits sehr
ähnlich war. Das Schwarzpulver, wie wir es heute kennen, stammt aus China, wo es im 9. Jahrhundert in Feuerwerkskörpern und ab dem 12.
Jahrhundert als Raketentreibstoff verwendet wurde. Von dort gelangte es dann in andere Länder, z.B. in die Mongolei, wo bereits im 13.
Jahrhundert die ersten Kanonen gebaut wurden. Nach Europa gelangte es im 14. Jahrhundert. Hier wurden erstmals im Jahre 1326 Kanonen
verwendet, also 36 Jahre bevor Berthold Schwarz das nach ihm benannte Pulver angeblich erfunden haben soll. In Wirklichkeit dürfte er die
Rezeptur von Mönchen erhalten haben, die es von Missionarsreisen aus Asien mitbrachten.
Hinweise auf die gesetzlichen Bestimmungen:
Der Versuch zur Pyrolyse von Holz unterliegt Umgangsbeschränkungen gemäß SiNTU I 3 . Werden jedoch geeignete Schutzmaßnahmen
ergriffen, so können diese Versuche, bei denen krebserregende Stoffe als Reaktionsprodukte entstehen, in Schülerübungen durchgeführt
werden. Chemikaliengesetz ChemG ( html - Dokument ) Gefahrstoffverordnung GefStoffV ( html - Dokument ) Richtlinie "Sicherheit im
naturwissenschaftlich-technischen Unterricht" SiNTU : ( html - Dokument ) ( Word-Dokument )
Literatur:http://www.muenster.org/uiw/fach/chemie/lexikon/inhalt/holz_i.htm
http://www.kabeleins.de/auto/abenteuer_auto/themen/artikel/03349/
http://www.agriserve.de/Holzgas.html
http://www.bfafh.de/bibl/frp/frp_1-99_bfh.pdf
http://www.holzvergasung.info/
Scheffel Gymnasium Lahr
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Zum Thema Pech und Teer: http://www.holzvergasung.info/WWW/UMSICHT/Produkte/ET/pdf/uebersichtsbeitrag_teere_unger_ising.pdf
http://www.archlsa.de/funde-der-monate/01.05/index.htm
http://www.holzland.de/nxs/347/holzinfo/1c5d686a23cc70dfe2a1ebb09b480867/holzland/8/infothekeinzelnalt/holz_schwelen__pech_haben__ko
hle_scheffeln.htm
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