Projekte im Fach Chemie

Fachhochschule Aachen (Abteilung Jülich)

Für OberstufenschülerInnen besteht die Möglichkeit, die Jülicher Abteilung der Aachener Fachhochschule zu besuchen. Hier bietet sich z. B. der Bereich Umweltanalytik (ökologische Chemie) der Abteilung Chemie und Biotechnik an. Somit können die bei der Arbeit im Wasserschulgarten gewonnenen Erfahrungen im analytischen Bereich ausgeweitet werden. Zudem gewinnen die SchülerInnen einen Einblick in die professionelle Gewässeranalytik.

Frau Dipl.-lng. Schuster führt interessierte SchülerInnen in Grundlagen der Polarographie und der Ionenchromatographie ein. Mit diesen Methoden kann z.B. eine mitgebrachte Probe aus dem Wasserschulgarten auf Schwermetalle und auf für die Gewässeranalytik relevante Ionen untersucht werden.

Prof. ELBERS, der Leiter der Abteilung, steht auch für Fragen der SchülerInnen zur Verfügung. Da Studenten der FH bereits Exkursionen zum Wasserschulgarten durchgeführt haben, können die Messdaten von den Studenten zum Vergleich herangezogen werden.

Diese Kooperation soll fortgeführt werden. Immer wieder absolvieren einige Schüler der Jahrgangsstufe 10 (jetzt EF)  ihre Praktika in der Fachhochschule.

Fachhochschule Aachen (Abteilung Jülich)

In der Jahrgangsstufe 12 gibt der Lehrplan im Themenfeld B vor, dass Reaktionswege zur Herstellung von Stoffen in der organischen Chemie bearbeitet werden. Als Kontext zu dieser Unterrichtssequenz bietet sich das Thema “Biodiesel” an.


BIODIESEL
PME
Pflanzenöl-Methyl-Ester
“Der Gebrauch von Pflanzenöl als Kraftstoff mag heute unbedeutend sein. Aber derartige Produkte können im Laufe der Zeit ebenso wichtig werden wie Petroleum und diese Kohle-Teer-Produkte von heute.” (Rudolf Diesel, 1912)

Bereits 1912 hatte der Konstrukteur Rudolf Diesel die Vision, Pflanzenöl als Treibstoff für den von ihm entwickelten Diesel-Motor zu verwenden, obwohl Erdöl und Kohle in der industriellen Entwicklung die Hauptrolle spielten.

Nach neuen Schätzungen gehen die Erdölreserven in etwa 40 Jahren zur Neige. Ökologische Aspekte, die Endlichkeit fossiler Brennstoffe und das Bestreben, die landwirtschaftlichen Strukturen zu erhalten, führen dazu, dass nachwachsende Rohstoffe immer mehr Beachtung finden.

Wir kennen zwei Arten von nachwachsenden Kraftstoffen:

  • Bio-Alkohol als Vergaserkraftstoff für Otto-Motoren hergestellt aus Zuckerrohr (weniger günstig) oder Mais und aus Zuckerrüben. Forschungsarbeit auf diesem Gebiet leistet in Deutschland z.B. Pfeiffer und Langen in Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum Jülich.
  • Bio-Diesel wird aus Raps und Sonnenblumen – in tropischen Gegenden aus der Ölpalme – gewonnen. Bio-Diesel kann in angepassten Motoren gefahren werden, oder als umgeesterter Kraftstoff in herkömmlichen Motoren verbrannt werden.

Pro Hektar einer mit Raps angebauten Fläche werden 1,2 bis 1,4 [t] Rapsöl mit einem Energieinhalt eine gute Ausbeute von ca. 50 [GJ] gewonnen. Da allerdings in der BRD die Nutzung von maximal 20 [%] der Ackerfläche ausschließlich für den Rapsanbau als ökologisch vertretbar angesehen wird, könnten bei einer Jahresproduktion von 2640 [kt] lediglich etwa 6,4 [%] des gesamten Dieselkraftstoffverbrauchs ersetzen. Rapsöl kann zumal Raps auch noch für die Nahrungsmittelproduktion benötigt wird, nur einen minimalen Beitrag zur Schonung der fossilen Ressourcen leisten.

Fette und Öle sind Ester höherer Fettsäuren mit dem 3-wertigen Alkohol Glycerin. Für die Verwendung im normalen Dieselmotor wird unter Einsatz eines Katalysators das Glycerin durch einwertige Alkohole ersetzt (fossiles Methanol oder Bio-Ethanol). Durch diese Alkoholyse oder Umesterung entsteht Rapsölmethylester (RME) oder Pflanzenölmethylester (PME).

Das Umesterungsprodukt des Rapsöls – der Biodiesel- erhält durch diese Veränderung Eigenschaften wie z.B. die Viskosität und das Zündverhalten, die denen des Dieselkraftstoffs auf Mineralölbasis weitgehend entsprechen.

Langzeituntersuchungen haben gezeigt, dass herkömmliche Dieselmotoren in Personen- und Lastkraftwagen, Landmaschinen und stationären Anlagen ohne Veränderungen des Motors oder der Motoreinstellungen und ohne Abweichungen in Verschleiß und Verschmutzung betrieben werden können. Hersteller von Personen- und Lastkraftwagen geben daher immer häufiger ihre Modelle zur Verwendung von Biodiesel frei. Verkürzte ÖIwechselintervalle sind ggf. erforderlich. In einigen Fahrzeugen werden oder wurden Kunststoffe verwendet die nicht Biodiesel resistent sind.

Die Umesterung von Rapsöl, ein chemisch einfacher Prozess, könnte direkt vor Ort beim Erzeuger erfolgen. Dem stehen die Wartung und die Qualitätssicherung entgegen. In Großanlagen könnte die Qualität der Biodieselproduktion durch die Überprüfung in einem speziell ausgestatteten Labor auf einem einheitlich hohen Niveau (europäische Norm (DIN EN 51606)) gehalten werden. Großanlagen können energetisch effizienter arbeiten. Sonnenblumenöl ist aufgrund seiner hohen Iodzahl nur bedingt einsetzbar. Rapsöl erweist sich für die Erzeugung von Biodiesel als besonders geeignet:

  • Die Fettsäurezusammensetzung ist günstig für das Erreichen einer guten Cetanzahl
  • Bei sachgerechter Vorverarbeitung sind nur wenig freie Fettsäuren und wenig Heteroelemente (Phosphor und Schwefel) enthalten.
  • Biodiesel führt zu einer geringen Gesamtverschmutzung.
  • Es gibt eine große Zahl von entwickelten Technologien zur Umesterung von Rapsöl.
  • Raps ist eine marktübliche landwirtschaftliche Frucht, die in Deutschland gut kultiviert werden kann.

Als alternativer Kraftstoff gibt er noch keine Gewähr für seine Umweltfreundlichkeit. Ähnlich wie bei dem Dieselkraftstoffdilemma hat bei Biodiesel Belastungen durch Stickstoffoxide und Ruß festgestellt. Im direkten Vergleich zum Dieselkraftstoff weist Biodiesel eine Verminderung von Kohlenwasserstoff-, Ruß- und PAK-Emissionen auf, dem eine Erhöhung des NOx- und Aldehydausstoßes gegenüberstehen. Tests haben ergeben, dass Biodiesel weniger mutagen einzuordnen ist und dass es in der Natur nach nur 21 Tagen zu 99,6 [%] abgebaut ist.

In Deutschland wird sowohl an der Optimierung von Motoren als an der Veredlung des Kraftstoffes geforscht. Hier zeigt sich das man durch interdisziplinäre Kooperation von Ingenieurleistung und chemischem know-how einen erfolgsversprechenden Weg beschreitet.

Zu diesem Thema sollen u.a. einige Experimente durchgeführt werden.

Für das Unterrichtsprojekt “Biodiesel” hat der Fonds der Chemischen Industrie dem Gymnasium Zitadelle eine Unterrichtsförderung in Höhe von

2400,- Euro

gewährt! Die Schule bedankt sich ganz herzlich dafür.