Ammoniak als Schiffstreibstoff
AFB I–IIReedereien testen Ammoniak als kohlenstofffreien Treibstoff. Er lässt sich bei −33 °C oder bei Raumtemperatur unter etwa 9 bar flüssig lagern (\(\rho \approx 0{,}68\,\text{kg/L}\)). Für Brennstoffzellen wird Ammoniak an Bord wieder in Stickstoff und Wasserstoff gespalten („Cracken“, Ru- oder Ni-Katalysator). Flüssiger Wasserstoff hat bei −253 °C eine Dichte von 0,071 kg/L.
- Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für das Cracken mit Angabe der Reaktionsenthalpie.
- Erläutern Sie, welche Bedingungen das Cracken begünstigen.
- Berechnen Sie den Massenanteil des Wasserstoffs in Ammoniak und die Masse Wasserstoff in 1,0 L flüssigem Ammoniak. Vergleichen Sie mit flüssigem Wasserstoff.
- Beurteilen Sie Ammoniak als Schiffstreibstoff.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{2 NH3(g)} \rightleftharpoons \ce{N2(g) + 3 H2(g)}\); \(\Delta_r H^\circ = +92\,\text{kJ/mol}\) (endotherm, Umkehrung der Synthese).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Endotherm: hohe Temperatur vergrößert K. Aus 2 werden 4 Gasteilchen: niedriger Druck begünstigt die Spaltung. Der Katalysator ändert die Lage nicht, macht die Spaltung aber schnell genug (ca. 500–700 °C, wenige bar).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(w(\ce{H}) = 3 \cdot 1{,}008 / 17{,}03 = 17{,}8\,\%\). 1,0 L NH₃(l): \(680\,\text{g} \cdot 0{,}178 \approx 121\,\text{g}\) H₂ — mehr als in 1,0 L flüssigem Wasserstoff (71 g), und das ohne Kühlung auf −253 °C.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Pro: kein CO₂ bei der Nutzung (\(\ce{4 NH3 + 3 O2 -> 2 N2 + 6 H2O}\)), gut speicherbar, Infrastruktur aus dem Düngerhandel vorhanden. Contra: giftig und ätzend, Bildung von NOx und N₂O möglich, Energieverluste durch Synthese und Cracken. Klimavorteil nur, wenn der Wasserstoff für das Haber-Bosch-Verfahren aus Elektrolyse mit Ökostrom stammt („grüner Ammoniak“) statt aus Erdgas.
Methanol aus Synthesegas
AFB II–IIIMethanol ist Grundstoff für Formaldehyd, Kunststoffe und Kraftstoffe. Es wird aus Synthesegas hergestellt: \(\ce{CO(g) + 2 H2(g)} \rightleftharpoons \ce{CH3OH(g)}\), \(\Delta_r H^\circ = -91\,\text{kJ/mol}\). Moderne Anlagen arbeiten mit einem Kupfer-Zinkoxid-Katalysator bei 220–280 °C und 50–100 bar; pro Durchgang wird nur ein Teil umgesetzt, Methanol wird auskondensiert, das Restgas im Kreislauf geführt.
| ϑ in °C | p = 50 bar | p = 100 bar |
|---|---|---|
| 200 | 55,8 % | 69,9 % |
| 250 | 24,9 % | 43,2 % |
| 300 | 6,7 % | 18,1 % |
Stoffmengenanteil Methanol im Gleichgewicht, Einsatzgemisch CO : H₂ = 1 : 2 (berechnet für ideale Gase).
- Begründen Sie mit dem Prinzip von Le Chatelier, welche Bedingungen die Lage des Gleichgewichts begünstigen.
- Werten Sie die Tabelle im Hinblick auf Ihre Vorhersage aus.
- Berechnen \(K_p\) bei 250 °C aus dem Wert für 50 bar. Im Gleichgewicht betragen die Anteile von CO 25,0 % und von H₂ 50,1 %.
- Beurteilen Sie die technischen Bedingungen im Vergleich zum Haber-Bosch-Verfahren.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Exotherm: niedrige Temperatur vergrößert K. Aus 3 Gasteilchen wird eines: hoher Druck verschiebt zum Methanol.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Bei gleichem Druck sinkt der Methanolanteil mit steigender Temperatur stark (bei 50 bar von 55,8 % auf 6,7 %). Bei gleicher Temperatur steigt er mit dem Druck (bei 250 °C von 24,9 % auf 43,2 %). Beides bestätigt die Vorhersage; der Druckeinfluss ist bei hoher Temperatur relativ am größten.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(K_p = \dfrac{p(\ce{CH3OH})}{p(\ce{CO}) \cdot p^2(\ce{H2})} = \dfrac{0{,}249 \cdot 50}{(0{,}250 \cdot 50) \cdot (0{,}501 \cdot 50)^2}\,\text{bar}^{-2} = \dfrac{12{,}45}{12{,}5 \cdot 627{,}5}\,\text{bar}^{-2} \approx 1{,}6 \cdot 10^{-3}\,\text{bar}^{-2}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Wie bei Haber-Bosch ein Kompromiss: Die Lage wäre bei 200 °C besser, doch der Cu/ZnO-Katalysator arbeitet erst ab etwa 220 °C schnell genug. Er ist aktiver als der Eisenkontakt, daher reichen niedrigere Temperaturen als bei der NH₃-Synthese; das verbessert die Lage so weit, dass 50–100 bar genügen (geringere Verdichterkosten). Höhere Temperaturen würden zudem Nebenreaktionen (Methan, höhere Alkohole) und die Alterung des Kupferkatalysators fördern. Wie bei Haber-Bosch gleicht der Kreislauf mit Auskondensieren den geringen Umsatz pro Durchgang aus.