Aufgaben: Fossile und regenerative Energieträger

Ordne die folgenden Energieträger in fossile und regenerative Energieträger ein: Steinkohle, Holzpellets, Erdöl, Biogas, Erdgas, Biodiesel (aus Raps), Braunkohle.

Die Übersicht zeigt die Verbrennungswärme einiger Brennstoffe:

Heizöl: $42\ \text{MJ/kg}$; Steinkohle: $30\ \text{MJ/kg}$; Holz (trocken): $15\ \text{MJ/kg}$; Wasserstoff: $120\ \text{MJ/kg}$.

1. a) Nenne den Brennstoff mit dem höchsten und den mit dem niedrigsten Energiegehalt pro Kilogramm.
2. b) Berechne, wie viel Energie bei der Verbrennung von $5\ \text{kg}$ Holz frei wird.

Nenne je zwei Vorteile und zwei Nachteile fossiler Energieträger wie Erdöl und Kohle (ökologisch oder ökonomisch).

Ein Haus in Münster benötigt im Winter $36.000\ \text{MJ}$ Heizenergie. Verglichen werden zwei Brennstoffe:

Heizöl: $42\ \text{MJ/kg}$, Preis $1{,}00\ €$ pro kg.

Holzpellets: $17\ \text{MJ/kg}$, Preis $0{,}35\ €$ pro kg.

1. a) Berechne für beide Brennstoffe die benötigte Masse (auf ganze kg gerundet).
2. b) Berechne die Brennstoffkosten für beide Fälle. Rechne dabei mit den gerundeten Massen aus a).
3. c) Nenne einen ökologischen Grund, der trotz der Kosten für einen der beiden Brennstoffe sprechen kann.

Bei der Verbrennung entstehen folgende CO₂-Mengen (je erzeugter Energie): Braunkohle $400\ \text{g/kWh}$, Heizöl $280\ \text{g/kWh}$, Erdgas $200\ \text{g/kWh}$. Ein Haushalt verbraucht $12.000\ \text{kWh}$ Wärme pro Jahr.

1. a) Berechne die jährlichen CO₂-Emissionen für jeden der drei Brennstoffe in $\text{kg}$.
2. b) Berechne, wie viel $\mathrm{CO_2}$ der Haushalt beim Wechsel von Heizöl auf Erdgas einspart (in kg und in Prozent).

Bioethanol ($\mathrm{C_2H_5OH}$) wird aus Zuckerrüben oder Getreide gewonnen und Benzin beigemischt. Seine Verbrennung:

$\mathrm{C_2H_5OH} + 3\,\mathrm{O_2} \rightarrow 2\,\mathrm{CO_2} + 3\,\mathrm{H_2O}$

1. a) Berechne die Masse $\mathrm{CO_2}$, die bei der Verbrennung von $1\ \text{kg}$ Ethanol entsteht ($M(\mathrm{C_2H_5OH}) = 46\ \text{g/mol}$, $M(\mathrm{CO_2}) = 44\ \text{g/mol}$).
2. b) Erkläre, warum Bioethanol trotzdem als regenerativer Energieträger gilt.
3. c) Nenne einen ethischen Konflikt bei der Nutzung von Ackerflächen für Energiepflanzen („Tank oder Teller“).

Ein Stadtwerk plant, ein Kohlekraftwerk durch eine Anlage mit Holzhackschnitzeln und Windenergie zu ersetzen. Die Messdaten (Emissionen über den gesamten Lebensweg, je erzeugter kWh Strom) lauten: Steinkohle $820\ \text{g}$ $\mathrm{CO_2}$, Holzhackschnitzel $40\ \text{g}$, Windenergie $11\ \text{g}$.

1. a) Berechnen Sie die jährliche Einsparung, wenn $500\ \text{GWh}$ Strom pro Jahr statt aus Steinkohle aus Windenergie erzeugt werden (in $\text{t}$ $\mathrm{CO_2}$).
2. b) Erklären Sie, warum auch regenerative Energieträger Emissionen über den Lebensweg verursachen.
3. c) Bewerten Sie die Energiewende, indem Sie je ein ökologisches, ein ökonomisches und ein ethisches Argument für und gegen den Ausstieg aus der Kohle nennen (z. B. Arbeitsplätze, Versorgungssicherheit, Generationengerechtigkeit).

Wasserstoff soll als Energieträger genutzt werden. Er verbrennt nach $2\,\mathrm{H_2} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\,\mathrm{H_2O}$ mit $286\ \text{kJ}$ pro mol $\mathrm{H_2}$. Er kann durch Elektrolyse mit Windstrom („grüner Wasserstoff“) oder aus Erdgas („grauer Wasserstoff“) hergestellt werden.

1. a) Berechnen Sie die Energie, die bei der Verbrennung von $1\ \text{kg}$ Wasserstoff frei wird ($M(\mathrm{H_2}) = 2\ \text{g/mol}$), in $\text{MJ}$.
2. b) Erklären Sie, warum die Verbrennung von Wasserstoff am Ort der Nutzung kein $\mathrm{CO_2}$ erzeugt.
3. c) Beurteilen Sie, unter welcher Bedingung Wasserstoff tatsächlich klimafreundlich ist, und vergleichen Sie grünen mit grauem Wasserstoff.

Ein Landwirt in Niedersachsen vergleicht Heizöl und Rapsöl zur Beheizung seiner Trocknungsanlage. Heizöl: $42\ \text{MJ/kg}$, bei Verbrennung $3{,}1\ \text{kg}$ $\mathrm{CO_2}$ pro kg. Rapsöl: $37\ \text{MJ/kg}$, bei Verbrennung $2{,}8\ \text{kg}$ $\mathrm{CO_2}$ pro kg, wobei beim Wachstum der Pflanze $2{,}8\ \text{kg}$ $\mathrm{CO_2}$ pro kg Öl gebunden wurden. Der Anbau mit Düngung und Maschinen verursacht zusätzlich $0{,}5\ \text{kg}$ $\mathrm{CO_2}$ je kg Rapsöl.

1. a) Berechnen Sie für beide Brennstoffe die Nettoemission je $100\ \text{MJ}$ Energie.
2. b) Erklären Sie, warum die Nettobilanz von Rapsöl nicht null ist.
3. c) Diskutieren Sie zwei weitere Kriterien (ökonomisch und ethisch), die neben der CO₂-Bilanz in eine Entscheidung eingehen sollten.