Aufgabe 1 · Abitur NRW Chemie LK · Energieträger für Fahrzeuge 2025

Energieträger für Fahrzeuge

Im Zuge der Entwicklung klimafreundlicherer Antriebe werden aktuell verschiedene Energieträger mit besserer Kohlenstoffdioxid-Bilanz als erdölbasierte Treibstoffe erforscht. Insbesondere Methanol tritt in den Mittelpunkt vieler solcher Forschungsvorhaben.

Material 1: Methanol-Synthese aus Wasserstoff und verschiedenen Kohlenstoffoxiden [1]

Methanol ist eine wichtige Grundchemikalie, die auch direkt als Treibstoff verwendet werden kann. Methanol wird großtechnisch über zwei Synthesewege produziert. Bei der konventionellen Synthese wird Methanol aus Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff bei einer Temperatur von 200–300 °C und einem Druck von 5–10 MPa hergestellt. Beim Hochdruckverfahren (15–25 MPa), das z. B. das Unternehmen BASF anwendet, wird statt Kohlenstoffmonooxid Kohlenstoffdioxid verwendet und es entsteht als Nebenprodukt Wasser (BASF-Prozess). Die Temperatur liegt hierbei zwischen 300–360 °C.

Material 2: Umsetzung des Synthesegases [1]

In beiden Fällen wird die Produktausbeute durch die Wahl der Reaktionsbedingungen beeinflusst.

Material 3: Thermodynamische Größen [2]

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

Verbindung · $\text{CO}\,(\text{g})$ · $\text{CO}_2\,(\text{g})$ · $\text{H}_2\text{O}\,(\text{l})$ · $\text{H}_2\text{O}\,(\text{g})$ · $\text{CH}_3\text{OH}\,(\text{g})$ · $\text{CH}_3\text{OH}\,(\text{l})$

$\Delta_\mathrm{f}H^\circ\text{ in }\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$ · $-110{,}53$ · $-393{,}51$ · $-285{,}83$ · $-241{,}83$ · $-201{,}00$ · $-239{,}2$

Material 4: Großtechnischer Prozess zur Methanol-Synthese [3]

Die Methanol-Ausbeute ist bei allen Synthesemethoden durch die Lage des chemischen Gleichgewichts begrenzt. Um die Ausbeute zu erhöhen, werden in diesem Fall die Produkte mithilfe eines Lösungsmittels kontinuierlich entfernt. Bei der Auswahl des Lösungsmittels muss unter anderem die Siedetemperatur berücksichtigt werden.

Die Siedetemperatur von Methanol beträgt $\vartheta_\mathrm{V} = 64{,}7\text{ }^\circ\text{C}$.

Tab. 2: Zur Verfügung stehende Lösungsmittel [2]

Lösungsmittel · Siedetemperatur $\vartheta_\mathrm{V}\text{ in }^\circ\text{C}$ bei $p = 101{,}325\text{ kPa}$ · Skelettformel

n -Hexan · 69

Tetraethylenglycol · 315

Material 5: Treibstoffe [4]

Methanol ($M(\text{CH}_3\text{OH}) = 32{,}0\text{ }\frac{\text{g}}{\text{mol}}$) kann in speziellen Verbrennungsmotoren direkt als Treibstoff verwendet werden oder lässt sich im sogenannten MtG-Verfahren, Methanol to Gasoline (Methanol zu Benzin), zu MtG-Benzin verarbeiten. Bei diesem energieaufwendigen Verfahren entsteht ein Gemisch, das zum größten Teil Alkane wie z. B. Isomere des Octans ($M(\text{C}_8\text{H}_{18}) = 114{,}0\text{ }\frac{\text{g}}{\text{mol}}$) enthält.

Die Einsatzmöglichkeiten eines Treibstoffs hängen unter anderem von der volumetrischen und gravimetrischen Energiedichte ab (Abb. 4). Diese Größen geben an, wie viel Energie in einem bestimmten Volumen (volumetrische Energiedichte) bzw. einer bestimmten Masse (gravimetrische Energiedichte) eines Stoffes gespeichert ist. Im Fall von Brennstoffen handelt es sich dabei jeweils um die Energie, die bei der Verbrennung freigesetzt wird.

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Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die Methanol-Synthese auf dem konventionellen Weg (M 1).

Geben Sie das Prinzip von Le Chatelier an und begründen Sie auch unter Berücksichtigung von Abbildung 1 die Steuerungsmöglichkeit bei der konventionellen Methode durch eine geeignete Wahl des Druckes (M 2).