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Regenerative Energiequelle "Holz" |
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Übersicht
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0. Didaktische Anmerkungen zum Thema "Holz" Seit der Erkenntnis, dass im Allgemeinen Rohstoffe auf der Erden nur begrenzt zur Verfügung stehen, gewinnt Holz immer mehr Bedeutung als nachwachsender Rohstoff bzw. als regenerative Energiequelle. Dabei ist wesentlich, dass die Kohlenstoffdioxid-Billanz innerhalb eines kurzen Zeitrahmens (Jahr bis Jahrzehnte) ausgeglichen ist. Bei der Verbrennung von Holz entsteht die gleiche Menge von Kohlenstoffdioxid wie zur Bildung von Holz benötigt wird. Außerdem ist die Energiebilanz relativ günstig, da der Prozess der Bildung von Holz im Prinzip vollständig ohne technische Prozesse abläuft, die ihrerseits auch Energie benötigen. Holz wurde in Form von Holzkohle seit dem Beginn der Eisenzeit zur Reduktion von Eisenerzen benötigt, da Holzkohle mit höheren Temperatur verbrennt. Dazu benutzte man sog. Rennöfen, deren Temperatur wohl zum Schmelzen der Schlacke, nicht aber zur Eisenschmelze ausreicht. Dadurch blieb das Eisen zum Schmieden geeignet. - Später wurde dann Kokskohle zur Reduktion der Eisenerze verwendet, wodurch Gusseisen entstand. Die Herstellung von Koks und Holzkohle ähnlen einander sehr, so dass man die Herstellung von Holzkohle im Schulunterricht durchaus als typisches Pyrolyse-Produkt ansehen kann.
Holzkohle
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1. Zusammensetzung von Holz Holz ist ein Pflanzenmaterial, das von den Holzgewächsen im Bereich des sogenannten Kambiums nach innen gebildet wird. Es ist chemisch und vom Aussehen her uneinheitlich. Das frisch geschlagene Holz enthält etwa 40-60% Wasser, das beim lufttrockenen Holz nur noch etwa 20% ausmacht. Wegen des hohen Sauerstoffanteils ist der Wärmegehalt nicht so groß wie bei anderen Heizmaterialien, so besitzt trockenes Holz zwischen 15500 und 17000 KJ/kg.
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2. Verbrennung und Pyrolyse Erhitzen: Beim Erhitzen von Holz verdampfen zunächst die flüchtigen Bestandteile. Das sind vor allen Dingen Wasser und Öle. Bei steigender Temperatur bis cirka 200°C zersetzen sich die organischen Bestandteile des Holzes, im Wesentlichen ist es die Cellulose. Dabei wird aus der Cellulose Wasser abgespalten und zurück bleibt ein brauner bis schwarzer Feststoff, der zu einem großen Teil aus Kohlenstoff besteht. Verbrennen: Beim Erhitzen an der Luft zünden die verdampfenden Öle und brennen mit einer leuchtenden Flamme ab. Anschließend zündet auch der Kohlenstoff und verglüht ohne große Flamme zu Kohlenstoffdioxid und anorganische Bestandteile, sogenannte Asche, bleibt zurück. Pyrolysieren: Das Erhitzen von Holz unter Ausschluss von Luft wird Pyrolyse genannt, die ältere Bezeichnungen sind Brenzen und trockene Destillation. Erhitzt man Buchenholz unter Luftabschluss auf etwa 350°C, so erhält man etwa 19% brennbares Holzgas, etwa 25% Holzgeist, zurück bleibt die Holzkohle.
Bei der technischen Zur Pyrolyse gibt es ein Halbmikro-Experiment.
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3. Holzgas Als Holzgas bezeichnet man die gasförmigen Bestandteile nach der Zersetzung von Holz. Das Holzgas wurde nach dem 2. Weltkrieg aus Mangell an Benzin und Diesel als Treibstoff für Ottomotore genutzt. |
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4. Holzgeist Holzgeist ist eine ältere Bezeichnung der flüssigen Bestandteile der Pyrolyse. Der Holzgeist war vor der synthetischen Herstellung von Methanol die wichtigste Quelle für Methanol. (entsprechende Wortbildung Weingeist-> Ethanol) Als Carbolineum (Steinkohlenteer) bezeichnet man die flüssigen Bestandteile, die bei der Herstellung von Koks aus Kohle anfallen. |
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5. Holzkohle Holzkohle ist ein kompliziertes Gemisch organischer Verbindungen, mit einem Hauptbestandtteil an Kohlenstoff. Holzkohle zündet leicht und brennt ohne Flamme. Im Haushalt findet Holzkohle beim Grillen Verwendung, weil es weitgehend rauchlos ohne Flamme brennt und kein Holzteer mehr absondert. Da das Gemisch weitgehend frei ist von Schwefelverbindungen ist, kann man damit leicht schwefelfreies Eisen herstellen. |
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6. Kohlmeiler, Köhlerei Bis zur Verhüttung von Eisenerz mit Steinkohlen-Koks hatte der Köhler die Aufgabe übernommen, in sogenannten Meilern im Wald Holzkohle herzustellen. Wie viele andere Berufsbezeichnugen ist auch Köhler und Kohl für Familiennamen verwendet worden. Der Köhler schichtete Holz in großen Haufen auf (Abb. Vordergrund), deckte den Haufen mit Erde und evt. Grasplatten ab und füllte anschließend in die Mitte von oben Holzglut ein. Durch Öffnungen am Boden des Meilers ließ er zunächst noch Luft zur Glut hinzutreten bis eine ausreichende Hitzeentwicklung in Gang gekommen war. Danach verschloss er die Luftzutrittslöcher und ließ die Schwelgase nach oben (Abb. Hintergrund) abziehen. Das Austreiben von Holzgeist und Holzgas dauerte mehrere Tage und währenddessen mussten die Meiler fortwährend beobachtet werden, um das Verbrennen der Holzkohle bei Luftzutritt zu verhindern.
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Bild: elemente Chemie NRW 7; Klett-Verlag (Hahn, Bopfingen) (1988); S.7 Abb. 7.3 |
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7. Schülerübungen zum Thema "Holz-Verkokung" schülerexperiment: |
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Zersetzung von Holzspänen im Halbmikromaßstab
Flash-Animation zur prinzipiellen Arbeitsweise beim Aufbau von Apparaturen
