Erdöl, Erdgas und Biogas: Textaufgaben – Chemie Klasse 11

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Biogas vom Bauernhof

AFB I–II

Ein Milchviehbetrieb mit 200 Kühen betreibt eine Biogasanlage. In den Fermenter kommen täglich Gülle und Grassilage. Der Behälter ist luftdicht verschlossen und wird auf 40 °C beheizt. Eine Gasanalyse ergibt:

Methan	Kohlenstoffdioxid	Sonstige*
55 %	42 %	3 %

* Wasserdampf, Schwefelwasserstoff u. a.

Nenne die beiden Hauptbestandteile des Biogases und die Rohstoffe dieser Anlage.
Beschreibe die Vorgänge im Fermenter.
Begründe, warum Biogas zu den nachwachsenden Energieträgern gezählt wird, Erdgas dagegen nicht.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)

Lies die Tabelle und den Text genau.

Hinweis zu Aufgabe b)

Wer baut was unter welchen Bedingungen ab?

Hinweis zu Aufgabe c)

Vergleiche, wie lange die Neubildung jeweils dauert und woher der Kohlenstoff stammt.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Hauptbestandteile: Methan \(\ce{CH4}\) (55 %) und Kohlenstoffdioxid \(\ce{CO2}\) (42 %). Rohstoffe: Gülle und Grassilage.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Bakterien bauen die Biomasse (Gülle, Silage) unter Luftabschluss ab. Die Temperatur von etwa 40 °C ist für die Bakterien günstig. Dabei entsteht ein Gasgemisch aus Methan und Kohlenstoffdioxid, das sich über dem Substrat sammelt; zurück bleibt der Gärrest.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Das Gras der Silage (und das Futter der Kühe) ist innerhalb eines Jahres gewachsen und hat den Kohlenstoff kurz zuvor als CO₂ aus der Luft aufgenommen; der Rohstoff wächst ständig nach. Erdgas entstand über Jahrmillionen aus Plankton, seine Vorräte erneuern sich in menschlichen Zeiträumen nicht — es ist fossil.

Erdgas aus der Tiefe

AFB II–III

In Niedersachsen wird seit Jahrzehnten Erdgas aus Lagerstätten in etwa 3 bis 5 km Tiefe gefördert. Das Gas ist rund 250 Millionen Jahre alt und enthält etwa 90 % Methan. In Deutschland entspricht die Biogaserzeugung derzeit etwa einem Zehntel des Erdgasverbrauchs.

Abb. 1: Schnitt durch eine Erdgaslagerstätte

A Deckgestein · B Erdgas · C Speichergestein mit Wasser · D Muttergestein (nicht maßstäblich)

Erläutere mithilfe von Abb. 1, wie sich das Erdgas in der Lagerstätte angesammelt hat.
Vergleiche Erdgas und Biogas hinsichtlich Entstehung und Zusammensetzung.
Bewerte die Aussage: „Biogas kann das Erdgas in Deutschland schon bald vollständig ersetzen.“

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)

Gehe von D nach oben: Wo entstand das Gas, wo sammelte es sich, was hielt es auf?

Hinweis zu Aufgabe b)

Kriterien: Ausgangsstoff, Dauer, Bedingungen, Methananteil, Nebenbestandteile.

Hinweis zu Aufgabe c)

Denke an die Menge (Text), die Anbaufläche und die Konkurrenz zu Nahrungsmitteln.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Das Gas entstand im Muttergestein D aus Faulschlamm unter Druck und Wärme. Weil es eine geringere Dichte hat als Gestein und Wasser, stieg es durch die Poren des Speichergesteins C nach oben. Am höchsten Punkt der Gesteinswölbung hält das undurchlässige Deckgestein A es auf; dort sammelt es sich als Gaskappe B über dem Wasser.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Gemeinsam: Beide entstehen aus Biomasse unter Luftabschluss, Hauptbestandteil ist Methan. Unterschiede: Erdgas aus Meeresplankton über Jahrmillionen bei hohem Druck und Temperatur im Gestein; Biogas aus Gülle/Pflanzen in Wochen durch Bakterien bei etwa 40 °C. Erdgas enthält etwa 80–99 % Methan (hier 90 %), Biogas nur 50–75 %, dazu viel CO₂.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Pro: Biogas ist nachwachsend, lässt sich zu Biomethan aufbereiten und ins Gasnetz einspeisen, der Kohlenstoff bleibt im Kreislauf. Contra: Es deckt derzeit nur etwa ein Zehntel des Erdgasverbrauchs; eine Verzehnfachung bräuchte riesige Anbauflächen, die mit dem Anbau von Nahrungsmitteln konkurrieren; auch Methanverluste und Dünger belasten die Bilanz. Urteil: Biogas kann einen Beitrag leisten, ein vollständiger und schneller Ersatz ist unrealistisch — nötig sind zusätzlich Energiesparen und andere erneuerbare Quellen.