Wasserstoff aus Erdgas
AFB I–IIDer Wasserstoff für die Ammoniaksynthese wird überwiegend aus Erdgas gewonnen. Im Reformer reagiert Methan bei etwa 800 °C und 30 bar an einem Nickelkatalysator mit Wasserdampf: \(\ce{CH4(g) + H2O(g) <=> CO(g) + 3 H2(g)}\). Anschließend wird das Kohlenstoffmonoxid bei 200–400 °C an einem zweiten Katalysator mit weiterem Wasserdampf umgesetzt (Konvertierung): \(\ce{CO(g) + H2O(g) <=> CO2(g) + H2(g)}\). Das Kohlenstoffdioxid wird danach ausgewaschen.
| Stoff | \(\ce{CH4(g)}\) | \(\ce{H2O(g)}\) | \(\ce{CO(g)}\) | \(\ce{CO2(g)}\) |
|---|---|---|---|---|
| \(\Delta_f H^\circ\) in \(\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) | −74,8 | −241,8 | −110,5 | −393,5 |
- Formulieren Sie die Gesamtgleichung für die Wasserstoffgewinnung aus Methan, wenn beide Reaktionen vollständig nacheinander ablaufen.
- Berechnen Sie die Reaktionsenthalpien beider Teilreaktionen und der Gesamtreaktion.
- Begründen Sie die hohe Temperatur im Reformer und geben Sie an, welcher Druck für die Lage des Reformer-Gleichgewichts günstig wäre.
- Erläutern, warum die Konvertierung bei deutlich tieferer Temperatur durchgeführt wird als die Reformierung.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{CH4 + H2O -> CO + 3 H2}\) und \(\ce{CO + H2O -> CO2 + H2}\) ergeben zusammen \(\ce{CH4 + 2 H2O -> CO2 + 4 H2}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Reformierung: \(\Delta_r H^\circ = -110{,}5 - (-74{,}8 - 241{,}8) = +206{,}1\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
Konvertierung: \(\Delta_r H^\circ = -393{,}5 - (-110{,}5 - 241{,}8) = -41{,}2\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\).
Gesamt: \(+206{,}1 - 41{,}2 = +164{,}9\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\) (Kontrolle: \(-393{,}5 - (-74{,}8 - 2\cdot241{,}8) = +164{,}9\)).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die Reformierung ist stark endotherm. Eine hohe Temperatur verschiebt das Gleichgewicht nach rechts (K steigt mit der Temperatur) und beschleunigt zugleich die Reaktion — Lage und Tempo profitieren gleichermaßen. Links stehen 2, rechts 4 Gasteilchen: Für die Lage wäre ein niedriger Druck günstig. (Man arbeitet trotzdem bei etwa 30 bar, weil das Gas für die Synthese ohnehin verdichtet werden muss und kleinere Apparate genügen.)
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Konvertierung ist exotherm (−41,2 kJ/mol). Bei hoher Temperatur würde K sinken und das Gleichgewicht nach links rücken — es bliebe viel CO übrig, und es entstünde weniger Wasserstoff. Bei tiefer Temperatur liegt das Gleichgewicht weit rechts; ein Katalysator sorgt dafür, dass die Reaktion trotzdem schnell genug abläuft. Die Gasteilchenzahl ändert sich nicht (2 → 2), der Druck spielt für die Lage keine Rolle. Deshalb wählt man hier — anders als beim Reformer — eine möglichst niedrige Temperatur.
„Grüner“ Ammoniak
AFB II–IIIDas Haber-Bosch-Verfahren gehört zu den größten Einzelquellen von Kohlenstoffdioxid in der chemischen Industrie. Als Alternative wird „grüner“ Ammoniak diskutiert: Der Wasserstoff stammt aus der Elektrolyse von Wasser mit Strom aus erneuerbaren Quellen, der Stickstoff aus einer Luftzerlegungsanlage. Die Wasserstoffgewinnung aus Erdgas lässt sich zusammenfassen zu \(\ce{CH4 + 2 H2O -> CO2 + 4 H2}\). \(M(\ce{NH3}) = 17{,}03\), \(M(\ce{CO2}) = 44{,}01\,\mathrm{g\,mol^{-1}}\).
| Größe | Wert (gerundet) |
|---|---|
| Weltproduktion Ammoniak | rund 185 Mio. t pro Jahr |
| \(\ce{CO2}\)-Ausstoß einer modernen Erdgas-Anlage (einschließlich Heizgas) | etwa 1,8 t \(\ce{CO2}\) je t \(\ce{NH3}\) |
| Elektrische Energie für die Elektrolyse | etwa 50 kWh je kg \(\ce{H2}\) |
| Wasserstoffbedarf | 178 kg \(\ce{H2}\) je t \(\ce{NH3}\) |
| Stromverbrauch Deutschlands | rund 500 TWh pro Jahr |
- Ermitteln Sie die Masse an Kohlenstoffdioxid, die bei der Wasserstoffgewinnung aus Erdgas je Tonne Ammoniak mindestens entsteht.
- Vergleichen Sie Ihr Ergebnis mit dem Wert aus M2 und erklären Sie die Differenz.
- Erklären, warum sich Reaktor, Katalysator und Kreislauf der Ammoniaksynthese beim Umstieg auf „grünen“ Wasserstoff nicht ändern müssen.
- Diskutieren Sie die vollständige Umstellung der weltweiten Ammoniakproduktion auf Elektrolyse-Wasserstoff.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Für 2 mol \(\ce{NH3}\) braucht man 3 mol \(\ce{H2}\); 4 mol \(\ce{H2}\) liefern 1 mol \(\ce{CO2}\). Also \(n(\ce{CO2}) = \tfrac{3}{8}\,n(\ce{NH3})\).
\(n(\ce{NH3}) = 1{,}00\cdot10^6\,\mathrm{g}/17{,}03\,\mathrm{g\,mol^{-1}} = 5{,}87\cdot10^4\,\mathrm{mol}\); \(n(\ce{CO2}) = 2{,}20\cdot10^4\,\mathrm{mol}\); \(m(\ce{CO2}) = 2{,}20\cdot10^4\,\mathrm{mol}\cdot44{,}01\,\mathrm{g\,mol^{-1}} \approx 0{,}97\,\mathrm{t}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Die tatsächliche Emission (etwa 1,8 t) ist fast doppelt so hoch wie das stöchiometrische Minimum (0,97 t). Die Reformierung ist stark endotherm (+206 kJ/mol) und läuft bei etwa 800 °C: Die nötige Wärme wird durch Verbrennen von zusätzlichem Erdgas erzeugt, das ebenfalls CO₂ freisetzt. Hinzu kommt Energie für Verdichter (bis 250 bar) und Kreislauf.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die Ammoniaksynthese braucht nur Stickstoff und Wasserstoff im Verhältnis 1 : 3 — woher der Wasserstoff stammt, spielt für die Reaktion keine Rolle. Gleichgewichtslage (abhängig von Temperatur, Druck, Konzentrationen), Aktivierungsenergie und Katalysatorwirkung bleiben gleich; deshalb gelten dieselben Kompromissbedingungen (etwa 450 °C, 200–300 bar, Eisenkatalysator, Kreislauf mit Ammoniakabtrennung). Es ändert sich nur die Herkunft der Rohstoffe. Ein Vorteil: Elektrolyse-Wasserstoff ist frei von Katalysatorgiften wie Schwefel- oder Kohlenstoffmonoxid-Spuren.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Strombedarf: \(178\,\mathrm{kg}\cdot50\,\mathrm{kWh\,kg^{-1}} \approx 8{,}9\,\mathrm{MWh}\) je t \(\ce{NH3}\); weltweit \(185\cdot10^6\cdot8{,}9\,\mathrm{MWh} \approx 1{,}6\cdot10^{9}\,\mathrm{MWh} = 1600\,\mathrm{TWh}\) pro Jahr — mehr als das Dreifache des gesamten deutschen Stromverbrauchs.
Pro: Die CO₂-Emission von rund 1,8 t je t Ammoniak (weltweit über 300 Mio. t CO₂ pro Jahr) entfiele weitgehend; Unabhängigkeit von Erdgas; die Synthese selbst bleibt unverändert. Contra: gewaltiger Bedarf an erneuerbarem Strom, der auch anderswo gebraucht wird; hohe Investitionskosten für Elektrolyseure; schwankendes Stromangebot passt schlecht zu einer Anlage, die im Dauerbetrieb bei konstantem Druck und konstanter Temperatur läuft (Speicher nötig).
Ergebnis: Eine schrittweise Umstellung, zuerst an Standorten mit viel billigem Wind- oder Solarstrom, ist sinnvoll; eine vollständige Umstellung ist nur langfristig und mit starkem Ausbau erneuerbarer Energien möglich.