Franz Kappenberg

Energie aus Zuckerrüben

Biogas, Wasserstoff, alternative Energien, Bioreaktor, Gaschromatografie
Herstellung von Biowasserstoff

Franz Kappenberg

Herstellung von Wasserstoff und Nachweis durch Gaschromatografie

Die Themen „Erneuerbare Energien und „Gaschromatografie sind in vielen Bundesländern Bestandteile der Richtlinien für die Sekundarstufe II. In diesem Artikel wird beschrieben, wie aus Zuckerrüben und Gartenerde ein Gasgemisch mit hohem Wasserstoffgehalt entsteht, welches mithilfe der Gaschromatografie untersucht werden kann.
Fermentative Erzeugung von Biowasserstoff
Werden zucker- oder stärkehaltige Naturstoffe unter anaeroben Bedingungen abgebaut (z.B. in Sümpfen, Biogasanlagen), so entstehen über mehrfache Abbauschritte (Abb.1 ) letztendlich Kohlenstoffdioxid, Methan, Wasserstoff und Wasser (Biogas) [1].
Auf der Suche nach erneuerbaren Energiequellen sind diese natürlichen Abbauprozesse heutzutage Gegenstand intensiver Forschungen. Von großem Interesse ist dabei die Gewinnung von Biowasserstoff, denn Wasserstoff gilt als universeller und sauberer Energieträger und wird als Schlüssel für eine nachhaltige Energieversorgung angesehen. Besonders vielversprechend sind Ansätze, bei denen mithilfe thermophiler Bakterien der Gattung Clostridium bei Temperaturen um 60 °C organische Substrate (z.B. Maisstärke, Essensabfälle, Abwässer der Zuckerherstellung, Klärschlamm) fermentiert werden [2], (Abb.2 , oben). Die Gärrückstände der Wasserstoffproduktion können für die Erzeugung von Biogas (Methan) genutzt werden (Abb.2).
Herstellung von Biowasserstoff aus Zuckerrübenschnitzeln
Die Wasserstofferzeugung durch thermoanaerobe Bakterien bietet die Möglichkeit, im Unterricht exemplarisch Aspekte der nachhaltigen Energiewirtschaft zu erörtern. Darüber hinaus eignet sich der Kontext sehr gut, um im Anschluss an die Biogaserzeugung die Gaschromatografie als moderne Analysemethode zu thematisieren, denn erfahrungsgemäß sind die Schüler überzeugt davon, dass es sich bei dem entstandenen Biogas im Wesentlichen um Methan handelt.
In Material1 wird ein Experiment beschrieben, mit dem man unter schulischen Bedingungen Biowasserstoff gewinnen kann. Der Versuch basiert auf einer Jugend-forscht-Arbeit der beiden Schüler Lucas Jacob und Dennis Prinz und ihrem Betreuungslehrer Herrn Heinzelmann aus Baden-Württemberg im Jahre 2008/2009 [3, 4].
Zur Herstellung von Biowasserstoff im Schülerexperiment werden Zuckerrübenschnitzel mit Gartenerde, Kalk und heißem Wasser in einem selbstgebauten Bioreaktor (Bauanleitung s. [5]) gemischt. Die Gartenerde liefert die für die Gärung benötigten Bakterien, Kalk dient zur Pufferung des Gäransatzes. Nach zwei bis drei Tagen entsteht ein Gas, mit dem man ohne Filtern eine PEM-Brennstoffzelle betreiben kann. Mit dem erzeugten Strom bringt man einen Motor zum Laufen. Der Versuch ist ein schönes Beispiel, wie man Nebenprodukte der Zuckerherstellung zur Energiegewinnung nutzen kann.
Mithilfe der Gaschromatografie (vgl. Kasten1)kann das Gas qualitativ analysiert und belegt werden, dass es sich hier nicht um Methan, sondern eher um Wasserstoff handelt.
Information 1: Das Prinzip der Gaschromatografie
Information 1: Das Prinzip der Gaschromatografie
Die Gaschromatografie ist eine Trennmethode, die sich zur Trennung von Gasgemischen und flüssigen Stoffgemischen, die sich leicht verdampfen lassen, eignet (vgl. [6]). Sie basiert im Wesentlichen auf der Verteilung eines Stoffes zwischen einer stationären (unbeweglichen) Phase und einer mobilen (beweglichen) Phase (Verteilungschromatografie). Adsorption- bzw. Desorptionsprozesse (Adsorp-tionschromatografie) spielen eine wichtige Rolle, wenn die stationäre Phase aus einem Feststoff besteht.
Bei der Gaschromatografie besteht die stationäre Phase häufig aus einer hochsiedenden Flüssigkeit (z.B. Paraffinöl oder Siliconöl), die als dünner Film auf der Innenseite einer sehr dünnen Trennsäule oder dem Trägermaterial aufgebracht ist. Als mobile Phase benutzt man ein Gas (Trägergas), z.B. Wasserstoff, Helium oder Stickstoff. Das zu trennende...

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Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Chemie Nr. 157 / 2017

Reaktionen mit Gasen

Friedrich+ Kennzeichnung Experimente Schuljahr 10-12