Abitur Rheinland-Pfalz Chemie 2025 · GK · Power-to-X-Technologien

Power-to-X-Technologien

Power-to-X-Technologien (P2X) bieten die Möglichkeit, fossile Energieträger (z. B. Erdgas) und Erdölprodukte (z. B. Benzin oder Diesel) durch klimafreundliche synthetische Energieträger zu ersetzen.

Material 1: Methan aus Power-to-Gas [1] – [3]

Die Entwicklung von Power-to-X-Technologien (P2X) verfolgt das Ziel, elektrische Energie aus erneuerbaren Energien zur Produktion von synthetischen Kraftstoffen zu nutzen. Fossile Kraftstoffe sollen dann durch die synthetisch hergestellten ausgetauscht werden.

In einem Power-to-Gas-Prozess (P2G) wird beispielsweise Methan schrittweise synthetisiert. Erdgas, dessen Hauptbestandteil Methan ist, kann so ersetzt werden.

Schritt 1: Es erfolgt die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser, bei der die Änderung der Enthalpie bezogen auf ein Mol Wasser $+285{,}83\text{ kJ}$ beträgt. Klimafreundlich wird dieser Schritt durch das Nutzen von elektrischer Energie aus erneuerbaren Energien.

Beispielsweise werden durch den Offshore-Windpark „Baltic 2“ in der Nähe der Insel Rügen mit seinen 80 Windkraftanlagen durchschnittlich $1{,}2$ Milliarden Kilowattstunden elektrische Energie pro Jahr (entspricht ca. $8.200.000\text{ kJ}$ pro Minute) eingespeist.

Schritt 2: Bei der „reversen Wassergas-Shift-Reaktion“ (rWGS) werden Kohlenstoffdioxid und der zuvor synthetisierte Wasserstoff in einer Gleichgewichtsreaktion zu Kohlenstoffmonooxid und Wasserdampf umgesetzt.

Schritt 3: Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff werden in einer exothermen Gleichgewichtsreaktion zu Methan und Wasserdampf umgesetzt. Die Synthese wird bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen von unter $400\text{ }^\circ\text{C}$ unter Einsatz von Katalysatoren auf Eisenbasis durchgeführt (Fischer-Tropsch-Synthese).

Material 2: Gleichgewichtskonstante $K$ für die reverse Wassergas-Shift-Reaktion rWGS [4]

Tab. 1: Gleichgewichtskonstante $K$ der rWGS in Abhängigkeit von der Temperatur $\vartheta\text{ in }^\circ\text{C}$ · 400 · 800 · 1200

$K$ · 0,0845 · 1,0663 · 3,396

Material 3: Fischer-Tropsch-Synthese [2]

Bei der Reaktion von Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff gibt es auf Teilchenebene genau einen Übergangszustand, bei dem ein Kohlenstoffmonooxid-Molekül und zwei Wasserstoff-Moleküle aufeinandertreffen und Methan- und Wasser-Moleküle bilden. Durch Katalysatoren auf Basis von Eisen wird der Reaktionsprozess der Fischer-Tropsch-Synthese in zwei Teilprozesse untergliedert. Dabei wird im ersten Schritt das Kohlenstoffmonooxid-Molekül an der Eisen-Oberfläche des Katalysators adsorbiert. Im zweiten Schritt wird das Sauerstoff-Atom des Kohlenstoffmonooxid-Moleküls durch Wasserstoff-Atome ersetzt und Methan-Moleküle werden gebildet.

Tab. 2: Ausgewählte Standardbildungsenthalpien (für $T = 298{,}15\text{ K}$ und $p = 101{,}325\text{ kPa}$) [5] Verbindung · $\text{CO (g)}$ · $\text{CO}_2\text{ (g)}$ · $\text{H}_2\text{O (l)}$ · $\text{H}_2\text{O (g)}$ · $\text{CH}_4\text{ (g)}$

$\Delta_\text{f}H^\circ\text{ in }\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$ · -110,53 · -393,51 · -285,83 · -241,83 · -74,6

Material 4: Energiequellen für den Strom in Deutschland 2023 [1], [6]

Die in der Erforschungs- und Optimierungsphase befindlichen P2X-Prozesse nutzen aktuell noch überwiegend den in Deutschland üblichen Strommix für die Wasser-Elektrolyse sowie für Kühl- und Regelungsprozesse.

Neben den Energiequellen sind auch die Kohlenstoffdioxid-Quellen für die rWGS ein Faktor für die Klimafreundlichkeit der P2X-Technologien.

Material 5: Kopernikus-Projekt P2X [7]

Kopernikus-Projekte sind eine Initiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung, die Technologien und Lösungen zur Erreichung der deutschen Klimaschutzziele entwickeln und gleichzeitig eine sichere, klimafreundliche und bezahlbare Energieversorgung für Deutschland ermöglichen sollen.

Die häufig zum Projekt gestellte Frage „Warum Power-to-X?“ wird wie folgt beantwortet:

„Unser Energiesystem beruht auf stofflichen Energieträgern, die fast ausschließlich fossiler Natur sind, wie Öl, Kohle und Erdgas […].

Mit Power-to-X können diese Ressourcen nachhaltig ersetzt werden. Aus erneuerbarem Strom („Power“) werden dabei stoffliche Energieträger („X“) wie Wasserstoff, Chemieprodukte oder synthetische Treibstoffe hergestellt. So können entlang von Wertschöpfungsketten aus Abgasen ($\text{CO}_2$) wieder neue Energieträger entstehen. Die Dekarbonisierung des Energiesektors ermöglicht somit die Defossilisierung der anderen Sektoren. […]

Eine Wertschöpfungskette beschreibt die chemische Aufwertung der nachhaltigen Ausgangsstoffe Kohlenstoffdioxid und Wasser. Hierbei wird Elektrizität aus erneuerbaren Quellen eingesetzt, um die Moleküle in höherwertige Verbindungen umzuwandeln. Diese können als Grundstoffe in der chemischen Industrie, als Kraftstoffe oder als stoffliche Energieträger eingesetzt werden.“

1

Entwickeln Sie eine schematische Darstellung für die Prozessabläufe der einzelnen Reaktionsschritte der Synthese von Methan (M 1).

[5 BE]

2

Berechnen Sie anhand der Änderung der Enthalpie für den ersten Schritt der Methan-Synthese die durchschnittliche Masse an Wasserstoff, die mit der Energie des Offshore-Windparks „Baltic 2“ theoretisch täglich produziert werden könnte (M 1).

[5 BE]

5

Beurteilen Sie anhand von vier Aspekten den Beitrag aktueller P2X-Technologien zum Klimaschutz durch Verringerung der Kohlenstoffdioxid-Emissionen (M 4, M 5).

[5 BE]

Power-to-X-Technologien

Power-to-X-Technologien (P2X) bieten die Möglichkeit, fossile Energieträger (z. B. Erdgas) und Erdölprodukte (z. B. Benzin oder Diesel) durch klimafreundliche synthetische Energieträger zu ersetzen.

Material 1: Methan aus Power-to-Gas [1] – [3]

Die Entwicklung von Power-to-X-Technologien (P2X) verfolgt das Ziel, elektrische Energie aus erneuerbaren Energien zur Produktion von synthetischen Kraftstoffen zu nutzen. Fossile Kraftstoffe sollen dann durch die synthetisch hergestellten ausgetauscht werden.

In einem Power-to-Gas-Prozess (P2G) wird beispielsweise Methan schrittweise synthetisiert. Erdgas, dessen Hauptbestandteil Methan ist, kann so ersetzt werden.

Schritt 1: Es erfolgt die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser, bei der die Änderung der Enthalpie bezogen auf ein Mol Wasser $+285{,}83\text{ kJ}$ beträgt. Klimafreundlich wird dieser Schritt durch das Nutzen von elektrischer Energie aus erneuerbaren Energien.

Beispielsweise werden durch den Offshore-Windpark „Baltic 2“ in der Nähe der Insel Rügen mit seinen 80 Windkraftanlagen durchschnittlich $1{,}2$ Milliarden Kilowattstunden elektrische Energie pro Jahr (entspricht ca. $8.200.000\text{ kJ}$ pro Minute) eingespeist.

Schritt 2: Bei der „reversen Wassergas-Shift-Reaktion“ (rWGS) werden Kohlenstoffdioxid und der zuvor synthetisierte Wasserstoff in einer Gleichgewichtsreaktion zu Kohlenstoffmonooxid und Wasserdampf umgesetzt.

Schritt 3: Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff werden in einer exothermen Gleichgewichtsreaktion zu Methan und Wasserdampf umgesetzt. Die Synthese wird bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen von unter $400\text{ }^\circ\text{C}$ unter Einsatz von Katalysatoren auf Eisenbasis durchgeführt (Fischer-Tropsch-Synthese).

Material 2: Gleichgewichtskonstante $K$ für die reverse Wassergas-Shift-Reaktion rWGS [4]

Tab. 1: Gleichgewichtskonstante $K$ der rWGS in Abhängigkeit von der Temperatur $\vartheta\text{ in }^\circ\text{C}$ · 400 · 800 · 1200

$K$ · 0,0845 · 1,0663 · 3,396

Material 3: Fischer-Tropsch-Synthese [2]

Bei der Reaktion von Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff gibt es auf Teilchenebene genau einen Übergangszustand, bei dem ein Kohlenstoffmonooxid-Molekül und zwei Wasserstoff-Moleküle aufeinandertreffen und Methan- und Wasser-Moleküle bilden. Durch Katalysatoren auf Basis von Eisen wird der Reaktionsprozess der Fischer-Tropsch-Synthese in zwei Teilprozesse untergliedert. Dabei wird im ersten Schritt das Kohlenstoffmonooxid-Molekül an der Eisen-Oberfläche des Katalysators adsorbiert. Im zweiten Schritt wird das Sauerstoff-Atom des Kohlenstoffmonooxid-Moleküls durch Wasserstoff-Atome ersetzt und Methan-Moleküle werden gebildet.

Tab. 2: Ausgewählte Standardbildungsenthalpien (für $T = 298{,}15\text{ K}$ und $p = 101{,}325\text{ kPa}$) [5] Verbindung · $\text{CO (g)}$ · $\text{CO}_2\text{ (g)}$ · $\text{H}_2\text{O (l)}$ · $\text{H}_2\text{O (g)}$ · $\text{CH}_4\text{ (g)}$

$\Delta_\text{f}H^\circ\text{ in }\frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$ · -110,53 · -393,51 · -285,83 · -241,83 · -74,6

Material 4: Energiequellen für den Strom in Deutschland 2023 [1], [6]

Die in der Erforschungs- und Optimierungsphase befindlichen P2X-Prozesse nutzen aktuell noch überwiegend den in Deutschland üblichen Strommix für die Wasser-Elektrolyse sowie für Kühl- und Regelungsprozesse.

Neben den Energiequellen sind auch die Kohlenstoffdioxid-Quellen für die rWGS ein Faktor für die Klimafreundlichkeit der P2X-Technologien.

Material 5: Kopernikus-Projekt P2X [7]

Kopernikus-Projekte sind eine Initiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung, die Technologien und Lösungen zur Erreichung der deutschen Klimaschutzziele entwickeln und gleichzeitig eine sichere, klimafreundliche und bezahlbare Energieversorgung für Deutschland ermöglichen sollen.

Die häufig zum Projekt gestellte Frage „Warum Power-to-X?“ wird wie folgt beantwortet:

„Unser Energiesystem beruht auf stofflichen Energieträgern, die fast ausschließlich fossiler Natur sind, wie Öl, Kohle und Erdgas […].

Mit Power-to-X können diese Ressourcen nachhaltig ersetzt werden. Aus erneuerbarem Strom („Power“) werden dabei stoffliche Energieträger („X“) wie Wasserstoff, Chemieprodukte oder synthetische Treibstoffe hergestellt. So können entlang von Wertschöpfungsketten aus Abgasen ($\text{CO}_2$) wieder neue Energieträger entstehen. Die Dekarbonisierung des Energiesektors ermöglicht somit die Defossilisierung der anderen Sektoren. […]

Eine Wertschöpfungskette beschreibt die chemische Aufwertung der nachhaltigen Ausgangsstoffe Kohlenstoffdioxid und Wasser. Hierbei wird Elektrizität aus erneuerbaren Quellen eingesetzt, um die Moleküle in höherwertige Verbindungen umzuwandeln. Diese können als Grundstoffe in der chemischen Industrie, als Kraftstoffe oder als stoffliche Energieträger eingesetzt werden.“

3

Leiten Sie aus den in Tabelle 1 gegebenen Gleichgewichtskonstanten eine Aussage zum Einfluss der Temperatur auf die Lage des Gleichgewichts bei der reversen Wassergas-Shift-Reaktion (rWGS) her (M 1, M 2).

Überprüfen Sie Ihre Aussage durch eine Berechnung der Änderung der Enthalpie (M 3).

4

Skizzieren Sie ein beschriftetes Energieverlaufs-Diagramm für die Reaktion von Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff und ergänzen Sie Ihr Diagramm für die katalysierte Reaktion (Fischer-Tropsch-Synthese) (M 1, M 3).

Erklären Sie die Auswirkung niedriger Prozesstemperaturen auf die Reaktionsgeschwindigkeit der Fischer-Tropsch-Synthese.

Begründen Sie den daraus resultierenden notwendigen Einsatz eines Katalysators bei Temperaturen von unter 400 °C (M 1, M 3).