Aufgabe 4 · Abitur NRW Chemie GK · „Grüne Wärme“ aus chemischer Reakti 2026

„Grüne Wärme“ aus chemischer Reaktion

Die Verwendung von Calciumoxid im Bauwesen ist eine jahrhundertealte Praxis und als solche bis heute unverzichtbar. Während in der Bauchemie das Reaktionsprodukt im Zentrum des Interesses steht, zielt eine neue Technologie speziell auf die Nutzung des Wärmeumsatzes dieser chemischen Reaktion.

Material 1: Der technische Kalkkreislauf [1], [2]

Stoffkreisläufe kann man als Abfolge chemischer Reaktionen beschreiben, die wieder zu den Ausgangsstoffen führen. Beim technischen Kalkkreislauf werden drei Reaktionen durchlaufen (Abb. 1).

Calciumcarbonat (Kalk) wird in Reaktion (1) unter Abgabe von Kohlenstoffdioxid zu Calciumoxid umgesetzt. Diese Reaktion wird als „Kalkbrennen“ bezeichnet und erfordert Brenntemperaturen von 900–1200 °C. In Reaktion (2) wird Calciumoxid mit Wasser zu Calciumhydroxid umgesetzt. Dieser Vorgang ist als „Kalklöschen“ bekannt. Der Kreislauf schließt sich mit Reaktion (3), bei der Calciumhydroxid mit Kohlenstoffdioxid zu Calciumcarbonat und Wasser reagiert. Diese Reaktion ist das sogenannte „Abbinden“.

Material 2: „Grüne Wärme“ aus der Reaktion von Calciumoxid mit Wasser [3]

In einer Berliner Pilotanlage wurde ein dreijähriger Probebetrieb zur neuartigen Erzeugung von Fernwärme auf Basis der chemischen Reaktion von Calciumoxid mit Wasser Erfolg versprechend beendet. Pilotanlagen haben zum Ziel, neue Verfahren hinsichtlich ihrer Rentabilität und technischen Realisierbarkeit zu testen. Gelingt ein solcher Probebetrieb, dann ist dies ein Durchbruch zur Markteinführung. Das getestete Verfahren gründet auf der gleichen Reaktion, die im technischen Kalkkreislauf als Kalklöschen (Reaktion (2), Abb. 1) bekannt ist. Jedoch ermöglicht erst die Kombination der Reaktion des Kalklöschens mit deren Umkehrreaktion die für den Betrieb der Anlage nötigen Lade- und Entladevorgänge.

Das Versetzen des Calciumoxids mit Wasser (Kalklöschen) bezeichnet man als „Entladen“ und die Umkehrreaktion (Austreiben des Wassers aus dem Calciumhydroxid) als „Laden“. Eine Beschichtung der Calciumoxid-Partikel ermöglicht hinreichend viele Zyklen, auch „Ladezyklen“ genannt. Die im „geladenen Zustand“ gespeicherte Energie lässt sich sogar verlustfrei vorhalten, bis sie benötigt wird.

Das Herzstück der Anlage ist der Reaktionsraum mit dem Calciumoxid. In der Berliner Pilotanlage wurden darin 30 Kubikmeter Calciumoxid zur Reaktion gebracht, neu konzipierte Anlagen in Schweden sind noch größer dimensioniert. Das Calciumoxid befindet sich in geschlossenen Röhren. Vor Inbetriebnahme der Anlage wird die in den Röhren enthaltene Luft abgesaugt.

Um den Reaktionsraum werden Rohrleitungen in engen Schlaufen geführt. Diese dienen als Wärmeaustauscher. So lässt sich die zum „Laden“ notwendige Wärme über die Rohrleitungen an den Reaktionsraum leiten und die beim „Entladen“ freiwerdende Wärme aufnehmen und abtransportieren.

Die zum „Laden“ notwendige Wärme wurde bereits in der Berliner Pilotanlage unter Einsatz von Strom aus Windkraft- oder Solaranlagen generiert. Die in das Berliner Fernwärmenetz eingespeiste Wärme aus der Pilotanlage bezeichnete man daher als „grüne Wärme“. Die noch bessere Verfügbarkeit von Strom aus Wasserkraft begründet die Standortwahl der neuen Anlagen in Schweden.

Material 3: Simulation der Energiespeicherung im Schülerexperiment [4]

Die Umkehrbarkeit von Wärmespeicherung und Wärmefreisetzung bei der Reaktion von Calciumoxid mit Wasser beschäftigte Lernende eines Chemiekurses. Sie führten nachfolgende Experimente durch.

Schülerexperiment 1 zur Herstellung des benötigten Calciumoxids:

Um die Chemikalie Calciumoxid frisch herzustellen, wurde eine abgewogene Masse von 0,50 g Calciumcarbonat in ein Reagenzglas gegeben und das Kalkbrennen durch minutenlanges starkes Erhitzen des Reagenzglases mit einem schulüblichen Gasbrenner simuliert. Es ist davon auszugehen, dass der Reagenzglasinhalt dabei auf maximal 600 °C erhitzt wurde.

Das entweichende Gas Kohlenstoffdioxid wurde aufgefangen und dessen Volumen bestimmt. Daraus ließ sich die Masse des unter den beschriebenen Versuchsbedingungen gebildeten Calciumoxids berechnen. Gebildet wurden lediglich 0,03 g Calciumoxid. Demnach blieb ein Großteil des im Reagenzglas vorgelegten Calciumcarbonats bei der Simulation des Kalkbrennens unverändert.

Schülerexperiment 2 zur Energiespeicherung:

Zum abgekühlten Versuchsansatz aus Schülerexperiment 1 wurden wenige Tropfen Wasser gegeben. Es wurde ein Temperaturanstieg von ca. 5 K beobachtet. Das hier simulierte Kalklöschen markierte den Abschluss eines ersten Zyklus.

Für die Simulation eines zweiten Lade-Entlade-Zyklus der Energiespeicherung wurde der erhaltene Versuchsansatz erneut erhitzt und nach dem Erkalten mit Wasser versetzt. Allerdings blieb hier eine Temperaturänderung aus.

a)

Berechnen Sie die beim Schülerexperiment 1 zu erwartende Masse an Calciumoxid bei vollständigem Stoffumsatz (M 3).

b)

Beurteilen Sie die Eignung der beschriebenen Schülerexperimente zur Simulation der Energiespeicherung unter Betrachtung des in beiden Zyklen zur Reaktion gebrachten Calciumoxids (M 1, M 2 und M 3).