Abitur BW Chemie 2026 · LK · Power-to-Gas

Power-to-Gas

Eine zentrale Herausforderung der Energiewende ist der Umgang mit den starken jahres- und tageszeitlichen Schwankungen der Stromerzeugung aus Wind und Sonne. Hier nimmt die Power-to-Gas-Technologie eine Vermittlerrolle ein.

1 Beschreiben Sie die räumliche Anordnung der Atome in einem Methan-Molekül und erklären Sie diese.

Benennen Sie den Bindungstyp.

2 Material

Material 1: Methanisierung von Wasserstoff – Sabatier-Reaktion [1] – [5]

Bereits zu Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelte der französische Chemiker und spätere Nobelpreisträger Paul Sabatier geeignete Metallkatalysatoren, um aus Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff Methan gemäß der nachfolgenden Reaktionsgleichung (Methanisierung) herzustellen.

$$\mathrm{CO_2(g) + 4\,H_2(g) \rightleftharpoons CH_4(g) + 2\,H_2O(g);\ \Delta H < 0}$$

Die Abbildung zeigt den Umsatz von Kohlenstoffdioxid zu Methan bei einem Druck von $p_1 = 5\text{ MPa}$ sowie einem weiteren Druck $p_2$ in Abhängigkeit von der Temperatur.

In der Praxis wird die Methanisierung bei $300\text{ bis }550\ ^\circ\text{C}$, bei $1\text{ bis }10\text{ MPa}$ sowie unter Einsatz eines Katalysators durchgeführt.

Material 2: Power-to-Gas-Technologie [1] – [5]

Bei der Stromerzeugung durch Wind-, Wasser- oder Solarkraftwerke kommt es zu „Stromüberschüssen“, das heißt, es wird mehr elektrische Energie erzeugt als zur gleichen Zeit verbraucht wird. Im Falle von Stromüberschüssen werden aktuell Wind- bzw. Wasserkraftwerke abgeschaltet. Sinnvoller wäre eine Speicherung der Energie, damit diese in Zeiten, in denen der Verbrauch an elektrischer Energie die Erzeugung übersteigt, genutzt werden kann.

Die Power-to-Gas-Technologie beschreibt eine Möglichkeit, mittels elektrischer Energie („Power“) brennbare Gase („Gas“) herzustellen. Diese finden in unterschiedlichen Bereichen Anwendung (siehe Abbildung 2).

Material 3: Thermodynamische Größen [6]

Tab. 1: Ausgewählte thermodynamische Größen (für $T = 298{,}15\text{ K}$ und $p = 101{,}325\text{ kPa}$)

Verbindung · $\text{CO}_2\text{ (g)}$ · $\text{H}_2\text{O (l)}$ · $\text{CH}_4\text{ (g)}$

$\Delta_\text{f}H^\circ\text{ in }\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$ · $-393{,}51$ · $-285{,}83$ · $-74{,}6$

Material 4: Energierückgewinnung durch Verbrennen [7]

Die Rückgewinnung der durch Power-to-Gas-Technologie gespeicherten Energie erfolgt u. a. über die Verbrennung des produzierten Wasserstoffs bzw. die Verbrennung des Methans.

Für die Verbrennung von Wasserstoff gilt (für $T = 298{,}15\text{ K}$ und $p = 101{,}325\text{ kPa}$):

$$2\,\mathrm{H_2 + O_2 \rightarrow 2\,H_2O(l);\ \Delta H = -571{,}66\text{ kJ}}$$

Material 5: Volumenbezogener Brennwert [6]

Der volumenbezogene Brennwert eines gasförmigen Stoffes ist der Betrag der Änderung der Enthalpie, der bei der Verbrennung abgegeben wird, bezogen auf das Volumen dieses Stoffes (bei $T = 298{,}15\text{ K}$ und $p = 101{,}325\text{ kPa}$). Dabei wird davon ausgegangen, dass sich die Reaktionsprodukte wieder auf Anfangstemperatur abkühlen.

Methan besitzt einen höheren volumenbezogenen Brennwert als Wasserstoff.

2 Beschreiben Sie die Power-to-Gas-Technologie auf der Grundlage von Abbildung 2 hinsichtlich Stoff- und Energieumwandlungen (M 1, M 2).

Skizzieren Sie ein beschriftetes Energiediagramm für den Verlauf der Methanisierung (M 1).

a)

b)

2 Material

Material 1: Methanisierung von Wasserstoff – Sabatier-Reaktion [1] – [5]

Bereits zu Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelte der französische Chemiker und spätere Nobelpreisträger Paul Sabatier geeignete Metallkatalysatoren, um aus Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff Methan gemäß der nachfolgenden Reaktionsgleichung (Methanisierung) herzustellen.

$$\mathrm{CO_2(g) + 4\,H_2(g) \rightleftharpoons CH_4(g) + 2\,H_2O(g);\ \Delta H < 0}$$

Die Abbildung zeigt den Umsatz von Kohlenstoffdioxid zu Methan bei einem Druck von $p_1 = 5\text{ MPa}$ sowie einem weiteren Druck $p_2$ in Abhängigkeit von der Temperatur.

In der Praxis wird die Methanisierung bei $300\text{ bis }550\ ^\circ\text{C}$, bei $1\text{ bis }10\text{ MPa}$ sowie unter Einsatz eines Katalysators durchgeführt.

Material 2: Power-to-Gas-Technologie [1] – [5]

Bei der Stromerzeugung durch Wind-, Wasser- oder Solarkraftwerke kommt es zu „Stromüberschüssen“, das heißt, es wird mehr elektrische Energie erzeugt als zur gleichen Zeit verbraucht wird. Im Falle von Stromüberschüssen werden aktuell Wind- bzw. Wasserkraftwerke abgeschaltet. Sinnvoller wäre eine Speicherung der Energie, damit diese in Zeiten, in denen der Verbrauch an elektrischer Energie die Erzeugung übersteigt, genutzt werden kann.

Die Power-to-Gas-Technologie beschreibt eine Möglichkeit, mittels elektrischer Energie („Power“) brennbare Gase („Gas“) herzustellen. Diese finden in unterschiedlichen Bereichen Anwendung (siehe Abbildung 2).

Material 3: Thermodynamische Größen [6]

Tab. 1: Ausgewählte thermodynamische Größen (für $T = 298{,}15\text{ K}$ und $p = 101{,}325\text{ kPa}$)

Verbindung · $\text{CO}_2\text{ (g)}$ · $\text{H}_2\text{O (l)}$ · $\text{CH}_4\text{ (g)}$

$\Delta_\text{f}H^\circ\text{ in }\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$ · $-393{,}51$ · $-285{,}83$ · $-74{,}6$

Material 4: Energierückgewinnung durch Verbrennen [7]

Die Rückgewinnung der durch Power-to-Gas-Technologie gespeicherten Energie erfolgt u. a. über die Verbrennung des produzierten Wasserstoffs bzw. die Verbrennung des Methans.

Für die Verbrennung von Wasserstoff gilt (für $T = 298{,}15\text{ K}$ und $p = 101{,}325\text{ kPa}$):

$$2\,\mathrm{H_2 + O_2 \rightarrow 2\,H_2O(l);\ \Delta H = -571{,}66\text{ kJ}}$$

Material 5: Volumenbezogener Brennwert [6]

Der volumenbezogene Brennwert eines gasförmigen Stoffes ist der Betrag der Änderung der Enthalpie, der bei der Verbrennung abgegeben wird, bezogen auf das Volumen dieses Stoffes (bei $T = 298{,}15\text{ K}$ und $p = 101{,}325\text{ kPa}$). Dabei wird davon ausgegangen, dass sich die Reaktionsprodukte wieder auf Anfangstemperatur abkühlen.

Methan besitzt einen höheren volumenbezogenen Brennwert als Wasserstoff.

3 Erklären Sie mithilfe der Stoßtheorie den Einfluss einer Druck- bzw. Temperaturerhöhung auf die Reaktionsgeschwindigkeit der Methanisierung (M 1).

Leiten Sie die Auswirkungen einer Temperaturerhöhung auf die Gleichgewichtskonstante bei der Methanisierung ab (M 1).

Schätzen Sie mithilfe der Abbildung 1 ab, ob $p_2$ größer oder kleiner als $p_1$ ist (M 1).

Diskutieren Sie anhand von zwei Argumenten, ob sich die in der Praxis gewählten Reaktionsbedingungen günstig auf die Produktion von Methan auswirken (M 1).

a)

b)

c)

$p_2 < p_1$ (kleiner)

$p_2 > p_1$ (größer)

d)

2 Material

Material 1: Methanisierung von Wasserstoff – Sabatier-Reaktion [1] – [5]

Bereits zu Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelte der französische Chemiker und spätere Nobelpreisträger Paul Sabatier geeignete Metallkatalysatoren, um aus Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff Methan gemäß der nachfolgenden Reaktionsgleichung (Methanisierung) herzustellen.

$$\mathrm{CO_2(g) + 4\,H_2(g) \rightleftharpoons CH_4(g) + 2\,H_2O(g);\ \Delta H < 0}$$

Die Abbildung zeigt den Umsatz von Kohlenstoffdioxid zu Methan bei einem Druck von $p_1 = 5\text{ MPa}$ sowie einem weiteren Druck $p_2$ in Abhängigkeit von der Temperatur.

In der Praxis wird die Methanisierung bei $300\text{ bis }550\ ^\circ\text{C}$, bei $1\text{ bis }10\text{ MPa}$ sowie unter Einsatz eines Katalysators durchgeführt.

Material 2: Power-to-Gas-Technologie [1] – [5]

Bei der Stromerzeugung durch Wind-, Wasser- oder Solarkraftwerke kommt es zu „Stromüberschüssen“, das heißt, es wird mehr elektrische Energie erzeugt als zur gleichen Zeit verbraucht wird. Im Falle von Stromüberschüssen werden aktuell Wind- bzw. Wasserkraftwerke abgeschaltet. Sinnvoller wäre eine Speicherung der Energie, damit diese in Zeiten, in denen der Verbrauch an elektrischer Energie die Erzeugung übersteigt, genutzt werden kann.

Die Power-to-Gas-Technologie beschreibt eine Möglichkeit, mittels elektrischer Energie („Power“) brennbare Gase („Gas“) herzustellen. Diese finden in unterschiedlichen Bereichen Anwendung (siehe Abbildung 2).

Material 3: Thermodynamische Größen [6]

Tab. 1: Ausgewählte thermodynamische Größen (für $T = 298{,}15\text{ K}$ und $p = 101{,}325\text{ kPa}$)

Verbindung · $\text{CO}_2\text{ (g)}$ · $\text{H}_2\text{O (l)}$ · $\text{CH}_4\text{ (g)}$

$\Delta_\text{f}H^\circ\text{ in }\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$ · $-393{,}51$ · $-285{,}83$ · $-74{,}6$

Material 4: Energierückgewinnung durch Verbrennen [7]

Die Rückgewinnung der durch Power-to-Gas-Technologie gespeicherten Energie erfolgt u. a. über die Verbrennung des produzierten Wasserstoffs bzw. die Verbrennung des Methans.

Für die Verbrennung von Wasserstoff gilt (für $T = 298{,}15\text{ K}$ und $p = 101{,}325\text{ kPa}$):

$$2\,\mathrm{H_2 + O_2 \rightarrow 2\,H_2O(l);\ \Delta H = -571{,}66\text{ kJ}}$$

Material 5: Volumenbezogener Brennwert [6]

Der volumenbezogene Brennwert eines gasförmigen Stoffes ist der Betrag der Änderung der Enthalpie, der bei der Verbrennung abgegeben wird, bezogen auf das Volumen dieses Stoffes (bei $T = 298{,}15\text{ K}$ und $p = 101{,}325\text{ kPa}$). Dabei wird davon ausgegangen, dass sich die Reaktionsprodukte wieder auf Anfangstemperatur abkühlen.

Methan besitzt einen höheren volumenbezogenen Brennwert als Wasserstoff.

4 Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die vollständige Verbrennung von Methan (M 4).

Berechnen Sie die Änderung der Enthalpie für diese Reaktion (M 3, M 4).

Begründen Sie mit der Änderung der Enthalpie den höheren volumenbezogenen Brennwert von Methan gegenüber Wasserstoff (M 4, M 5).

Beurteilen Sie die weitere Umwandlung von Wasserstoff zu Methan durch Methanisierung zur Energiespeicherung (M 1).

a)

b)

c)

d)