Kohle als Energie- und Rohstoffquelle

Heute im Chemieunterricht: | Inkohlung und Kohlearten. Die Zerlegung der Kohle. Der Steinkohlenteer - eine ergiebige Rohstoffquelle.

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92. Kohle als Energie- und Rohstoffquelle

Inkohlung und Kohlearten

Grundlagen für die Bildung der Kohlelager waren die Urwälder früherer Erdperioden. Kohle (von altgerm. kolo = „Kohle“) ist ein schwarzes oder bräunlich-schwarzes, festes biogenes Sedimentgestein, das zu mehr als 50 Prozent des Gewichtes und mehr als 70 Prozent seines Volumens aus Kohlenstoff besteht. Steinkohle wird wie Erdöl auch "Schwarzes Gold" genannt. Das Ausgangsmaterial von Kohle ist hauptsächlich pflanzlichen Ursprungs wie beispielsweise Farne (Baumfarne).

Im Karbon, der erdgeschichtlichen Entstehungszeit der Steinkohle, herrschte ein sehr warmes und feuchtes Klima mit einem ausgeprägten Pflanzenwachstum. Wenn die Pflanzen abstarben, versanken sie im Sumpf und konnten sich so nicht mehr zersetzen. Es entstand Torf. Bei Meereseinbrüchen wurden diese Sümpfe mit Sedimenten bedeckt. Unter dem wachsenden Druck und der erhöhten Temperatur begann der Prozess der Inkohlung. Im Laufe dieses Inkohlungsprozesses wurden die ursprünglich mit dem Kohlenstoff verbundenen Elemente immer stärker beseitigt, wie die Tabelle zeigt.


 
Wie sind Kohlelager entstanden? Worin unterscheiden sich Braunkohle und Steinkohle?
 
Kohle hat in den letzten Jahrzehnten an Bedeutung verloren. Warum ist das so?
 
Als Inkohlung bezeichnet man die Bildung von Kohle aus Pflanzenmassen früherer Erdzeitalter unter Sauerstoffabschluß und unter Einfluß von hohen Temperaturen und Drücken

Kohlereserven

Die förderfähigen Reserven wurden 2004 auf weltweit 783,1 Mrd. t SKE Kohle geschätzt. Davon entfallen 27 % auf die USA, 16 % auf Russland, 12 % auf China, 12 % auf Indien, 7 % auf die Europäische Union und ebenfalls 7 % auf Australien. Bei gleich bleibendem Verbrauch (2004: 3,8 Mrd. t SKE Kohle) könnte der Bedarf noch für etwa 206 Jahre gedeckt werden [1].

In Deutschland lagern derzeit etwa 77 Milliarden Tonnen  Braunkohle, von denen 53 % (ca. 41 Mrd. t) mit dem Stand der heutigen Technologie gewinnbar wären. Damit würden die Vorräte bei konstanter Förderung (2004: 181,9 Mill. t) noch für 225 Jahre ausreichen. Von den deutschen Steinkohlevorräten gelten rund 24 Milliarden Tonnen als gewinnbar. Angesichts einer aktuellen Förderquote von 25,7 Millionen Tonnen (2004) könnte der Vorrat noch über über 900 Jahre ausreichen [2].


 
 
Erhitze zerkleinerte Steinkohle in einem schwer schmelzbaren Reagenzglas. Leite die dabei entweichenden Gase in ein mit Wasser gekühltes Reagenzglas, das mit einem Stopfen verschlossen ist, aber eine Öffnung hat. Zünde das Gas an, sobald es aus der Öffnung entweicht.
Bild 1. Destillation von Steinkohle unter Luftabschluß.
 

Die Zerlegung der Kohle

Wenn man Steinkohle unter Luftabschluß erhitzt, dann zersetzt sie sich, wie die Versuche 3 und 4 zeigen. Dabei entweichen brennbare Gase (Entgasung) und dampfförmige Produkte, die sich in der Vorlage als Teer abscheiden. Der feste Rückstand ist Koks. In großem Maßstab gehört dieser als ,Verkokung‘ bezeichnete Prozess zu den Verfahren der Kohleveredlung. Koks brennt mit einer nahezu unsichtbaren blauen Flamme. Es entstehen dabei keinerlei Ruß oder sichtbares Rauchgas. Koks wird als Brennstoff und als Reduktionsmittel bei der Eisenproduktion in Hochöfen eingesetzt. Er hat eine stumpf-graue Farbe und ist dabei hart und porös.


 
 
Erhitze zerkleinerte Steinkohle in einem schwer schmelzbaren Reagenzglas mit aufgesetzter Glasdüse. Zünde die entweichenden Gase und Dämpfe an.
 
Kohle ist ein Vielstoffgemisch aus vielen aromatischen Kohlenwasserstoffverbindungen
 
Kohleentgasung: Koks, Teer, Leucht- und Heizgas

Ähnlich wie in unseren Versuchen werden in Kokereien die flüchtigen Bestandteile der Kohle entfernt, indem sie in einem Ofen unter Luftausschluss bei mehr als 1000 °C erhitzt wird, so dass der feste Kohlenstoff und die verbleibende Asche verschmelzen. Als Nebenprodukt fällt Koksofengas und Steinkohlenteer an.


Steinkohlenteer ist eine bedeutende Rohstoffquelle

Zusammensetzung und Heizwert von Kohlearten.
Kohlearten Elemente (Gew. -%) Heizwert
kJ (pro kg)
  C H O N  
Braunkohle
Steinkohle
Anthrazit
65 - 75
75 - 90
90 - 94
5 - 6
4 - 6
3 - 4,5
20 - 30
  5 - 18
  3 - 5,5
1 - 2
0,5 - 1,5
Spuren
25000-30000
30000-34000
34000-38000

Steinkohlenteer war zunächst ein Abfallprodukt bei der Leuchtgasherstellung. Als es im 19. Jahrhundert gelang, aus Steinkohlenteer durch Destillation wichtige organische Verbindungen herzustellen, beispielsweise organische Farbstoffe, wuchs schlagartig das Interesse an diesem Rohstoff. Wissenschaftler wie Friedlieb Ferdinand Runge, August Wilhelm Hofmann und William Henry Perkin legten hierbei die Grundlagen für die Teerfarbenindustrie, die mit Namen wie Farbwerke von Meister, Lucius und Brüning in HöchstFarbenfabrik von Fr. Bayer & Co. in Elberfeld und Badische Anilin- und Sodafabrik in Ludwigshafen verbunden war.

Heute werden aus Steinkohlenteer auch viele aromatische Verbindungen wie Phenole und Naphthalin gewonnen. Die Zahl der möglichen Verbindungen kann man kaum abschätzen, man glaubt aber, dass es mehr als 10.000 verschiedene Verbindungen des Steinkohlenteers gibt. Die meisten von ihnen dürften aber nur in sehr geringen Mengen vorkommen, denn die heute bekannten Verbindungen machen bereits 50% des Teers aus.


Was aus Steinkohlenteer alles gewonnen werden kann
Bild 2. Oben: Schema der Teerdestillation. Unten: Beispiele für aromatische Verbindungen des Steinkohlenteers.
Benzol Toluol Xylol Phenol Kresol

Naphthalin Anthracen Pyridin Chinolin

Alte Teerfarbstoffe
Erste brauchbare Teerfarbstoffe Bild: public domain

Die Aufarbeitung des Steinkohlenteers erfolgt durch fraktionierte Destillation (zum Teil durch  Vakuumdestillation) mit nachfolgender  Kristallisation und Extraktion, dabei werden unterschiedlicheFraktionen gewonnen:

Bild 2 gibt einen Überblick über den Verlauf der Destillation des Teers und über die Verwertung seiner wichtigsten Inhaltsstoffe.

 
Steinkohlenteer ist ein Stoffgemisch, das überwiegend aromatische Verbindungen enthält

[1]T-1176461894.pdf (application/pdf-Objekt). www.rag-deutsche-steinkohle.de

[2] Webseite des RWE: Braunkohle