Rohstoffgewinnung und Weg eines Produkts
Eine Folie im Supermarkt, eine Getränkeflasche am Kiosk, eine Einkaufstüte: Jedes Kunststoffprodukt hat eine Vorgeschichte und eine Nachgeschichte. Woher kommt der Kohlenstoff darin, wie viel Energie steckt in dem Weg, und was passiert am Ende? Diese Fragen musst du im Abitur oft in Bewertungsaufgaben beantworten. Am Ende der Seite kannst du den „Weg eines Produkts“ vollständig beschreiben und beurteilen.
Rohöl und fraktionierte Destillation
Rohöl ist ein Gemisch aus sehr vielen Kohlenwasserstoffen, überwiegend Alkane unterschiedlicher Kettenlänge. In Raffinerien, etwa in Gelsenkirchen, wird es zuerst durch fraktionierte Destillation getrennt.
Das Rohöl wird auf etwa 350 °C erhitzt und tritt als Dampf-Flüssigkeits-Gemisch unten in eine Kolonne ein. Der Dampf steigt auf und kühlt ab. Die Temperatur nimmt nach oben ab. Jeder Stoff kondensiert dort, wo die Temperatur seiner Siedetemperatur entspricht. So entstehen Fraktionen, also Gemische mit ähnlichem Siedebereich.
Warum steigt die Siedetemperatur mit der Kettenlänge? Je länger das Molekül, desto größer die Kontaktfläche und desto stärker die van-der-Waals-Kräfte zwischen den Molekülen. Es braucht mehr Energie, sie voneinander zu lösen.
Rohöl wird in Raffinerien (z. B. in Gelsenkirchen oder Schwedt) durch fraktionierte Destillation getrennt. a) Erläutern Sie das Trennprinzip der fraktionierten…
Rohöl wird in Raffinerien (z. B. in Gelsenkirchen oder Schwedt) durch fraktionierte Destillation getrennt.
- a) Erläutern Sie das Trennprinzip der fraktionierten Destillation.
- b) Ordnen Sie Benzin, Diesel und Heizöl/Bitumen nach steigender Siedetemperatur und begründen Sie dies mit der Kettenlänge.
Cracken: aus langen Ketten werden Bausteine
Der Markt braucht mehr Benzin und Chemierohstoffe, als die Destillation liefert. Deshalb werden langkettige Alkane beim Cracken gespalten. Das geschieht bei hoher Temperatur (thermisches Cracken, Steamcracker etwa 850 °C) oder mit Katalysator. Dabei werden C–C-Bindungen gebrochen, was viel Energie erfordert. Es entstehen kürzere Alkane und Alkene.
Ethen und Propen sind die wichtigsten Monomere: Aus Ethen wird Polyethen (PE), aus Propen Polypropen (PP). Im Steamcracker wird Naphtha (Rohbenzin) mit Wasserdampf gecrackt.
Beim thermischen Cracken werden langkettige Alkane in kürzere Moleküle gespalten. a) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für das Cracken von Decan…
Beim thermischen Cracken werden langkettige Alkane in kürzere Moleküle gespalten.
- a) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für das Cracken von Decan ($\mathrm{C_{10}H_{22}}$) zu Octan und Ethen.
- b) Nennen Sie, welche Bedeutung Ethen für die Kunststoffherstellung hat.
Der Weg eines Produkts
Am Beispiel einer Polyethenfolie:
Rohstoffgewinnung → Raffinerie → Steamcracker → Polymerisation → Verarbeitung → Nutzung → Verwertung. Energie wird an mehreren Stellen gebraucht: beim Fördern und Transport, bei der Destillation (Erhitzen), beim Cracken (850 °C), bei der Polymerisation und beim Verarbeiten der Schmelze. Zurückgewinnen kann man Rohstoffe (werkstoffliches oder rohstoffliches Recycling) oder Energie (energetische Verwertung).
Ein Chemieunternehmen stellt Polyethylen in einer Kette her: Rohöl, Naphtha, Steamcracker, Ethen, Polymerisation, Granulat, Verpackungsfolie, Entsorgung. a) Beschreiben…
Ein Chemieunternehmen stellt Polyethylen in einer Kette her: Rohöl, Naphtha, Steamcracker, Ethen, Polymerisation, Granulat, Verpackungsfolie, Entsorgung.
- a) Beschreiben Sie in vier Sätzen den Weg dieses Produkts von der Rohstoffgewinnung bis zur Entsorgung.
- b) Nennen Sie zwei Stellen dieser Kette, an denen Energie benötigt wird, und eine Möglichkeit, Rohstoffe oder Energie zurückzugewinnen.
Energetische Verwertung und einfache Rechnungen
Kunststoffe bestehen aus Kohlenstoff und Wasserstoff und haben deshalb einen hohen Heizwert, vergleichbar mit Heizöl. In einer Müllverbrennungsanlage wird die Wärme für Strom und Fernwärme genutzt. Der Kohlenstoff wird dabei zu $\mathrm{CO_2}$: Er verlässt den Kreislauf, die Stoffe sind verloren.
Polyethylen hat einen Heizwert von etwa $43\,\text{MJ}\cdot\text{kg}^{-1}$. Eine Müllverbrennungsanlage verbrennt täglich $2{,}0\,\text{t}$ Kunststoffabfall dieser Art.…
Polyethylen hat einen Heizwert von etwa $43\,\text{MJ}\cdot\text{kg}^{-1}$. Eine Müllverbrennungsanlage verbrennt täglich $2{,}0\,\text{t}$ Kunststoffabfall dieser Art.
- a) Berechnen Sie die freigesetzte Energie in $\text{GJ}$.
- b) Berechnen Sie die Masse $\mathrm{CO_2}$, die bei vollständiger Verbrennung von $1{,}0\,\text{kg}$ Polyethylen $(\mathrm{CH_2})_n$ entsteht ($M(\mathrm{CH_2}) = 14\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$, $M(\mathrm{CO_2}) = 44\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$).
Der Weg mit nachwachsenden Rohstoffen
Auch für Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen gibt es einen Weg, hier am Beispiel von Polymilchsäure (PLA) aus Mais:
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Anbau: Mais wächst auf dem Feld (Fläche, Dünger, Wasser nötig) und bindet CO₂ aus der Luft.
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Verarbeitung: Aus der Stärke entsteht durch Gärung Milchsäure.
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Monomer: Milchsäure wird zum Lactid umgesetzt.
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Kunststoff: Daraus entsteht PLA, das zu Granulat und Produkten wie 3D-Druck-Filament verarbeitet wird.
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Verwertung: werkstoffliches Recycling, industrielle Kompostierung oder energetische Verwertung.
Anders als beim Erdöl stammt der Kohlenstoff aus dem aktuellen Kohlenstoffkreislauf. Der Weg braucht aber ebenfalls Energie und Fläche.
Nachwachsende Rohstoffe und Bewertung
Nachwachsende Rohstoffe stammen aus Pflanzen oder Tieren und werden in überschaubarer Zeit neu gebildet, etwa Mais, Zuckerrüben oder Holz. Daraus entsteht z. B. Polymilchsäure (PLA) oder Bioethanol. Ethanol lässt sich zu Ethen dehydratisieren (Eliminierung von Wasser):
$$\mathrm{C_2H_5OH \;\longrightarrow\; C_2H_4 + H_2O}$$Zu unterscheiden sind biobasiert (Herkunft des Rohstoffs) und biologisch abbaubar (Verhalten am Lebensende). Beides hängt nicht zwingend zusammen: Bio-PET ist biobasiert, aber nicht abbaubar; PLA dagegen ist biobasiert und unter industriellen Kompostierbedingungen abbaubar.
Eine Bewertung geschieht in drei Dimensionen:
| Dimension | Beispielkriterien |
|---|---|
| ökologisch | CO₂-Bilanz, Flächenbedarf, Wasser- und Düngemitteleinsatz, Recyclingfähigkeit |
| ökonomisch | Kosten, Verfügbarkeit, Energiebedarf |
| sozial | Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion, Arbeitsbedingungen |
Polymilchsäure (PLA) wird aus Mais oder Zuckerrüben gewonnen und gilt als nachwachsender Rohstoff. a) Erklären Sie den Begriff nachwachsender Rohstoff. b) Nennen Sie…
Polymilchsäure (PLA) wird aus Mais oder Zuckerrüben gewonnen und gilt als nachwachsender Rohstoff.
- a) Erklären Sie den Begriff nachwachsender Rohstoff.
- b) Nennen Sie einen Vorteil und einen Nachteil gegenüber erdölbasierten Kunststoffen.
Für Getränkeflaschen stehen PET aus Erdöl und PET aus teilweise biobasiertem Ethylenglykol zur Auswahl. a) Formulieren Sie die Monomere von PET (Terephthalsäure und…
Für Getränkeflaschen stehen PET aus Erdöl und PET aus teilweise biobasiertem Ethylenglykol zur Auswahl.
- a) Formulieren Sie die Monomere von PET (Terephthalsäure und Ethan-1,2-diol) und die Bildung der Esterbindung.
- b) Erläutern Sie, ob die biobasierte Variante automatisch umweltfreundlicher ist, und nennen Sie zwei Kriterien für eine Bewertung.
Verwertungswege vergleichen und Ökobilanz
| Weg | Prinzip | Produkt | Stärke / Schwäche |
|---|---|---|---|
| werkstoffliches Recycling | sortieren, zerkleinern, einschmelzen | Regranulat | wenig Energie, aber sortenrein nötig; Qualität sinkt |
| rohstoffliches Recycling | Pyrolyse/Depolymerisation | Pyrolyseöl, Monomere | auch Mischungen möglich; hoher Energiebedarf |
| energetische Verwertung | Verbrennung | Wärme, Strom, $\mathrm{CO_2}$ | für Verschmutztes geeignet; Kohlenstoff geht verloren |
Stark verschmutzte Mischkunststoffe lassen sich werkstofflich kaum verwerten. Dann ist die energetische oder rohstoffliche Verwertung sinnvoller.
Eine Ökobilanz vergleicht Produkte über den ganzen Lebensweg. Wichtig ist der Bezug auf die Nutzung.
Weitere Kriterien: Wasserverbrauch und Flächenbedarf beim Anbau, Recyclingfähigkeit, Verschmutzung der Umwelt, Haltbarkeit. Achte auch auf Quellen: Wer behauptet „klimaneutral“ (Greenwashing)?
Ein Hersteller vergleicht drei Entsorgungswege für gebrauchte Kunststoffverpackungen: werkstoffliches Recycling, rohstoffliches Recycling (Pyrolyse zu Pyrolyseöl) und…
Ein Hersteller vergleicht drei Entsorgungswege für gebrauchte Kunststoffverpackungen: werkstoffliches Recycling, rohstoffliches Recycling (Pyrolyse zu Pyrolyseöl) und energetische Verwertung.
- a) Beschreiben Sie jeweils das Prinzip.
- b) Beurteilen Sie die Wege anhand von Qualität des Produkts, Energiebedarf und Kohlenstoffkreislauf.
- c) Entscheiden Sie begründet, welcher Weg für stark verschmutzte Mischkunststoffe sinnvoll ist.
Eine Ökobilanz vergleicht zwei Einkaufstüten. Tüte A aus Polyethylen (Masse $7\,\text{g}$) verursacht $0{,}020\,\text{kg}$ $\mathrm{CO_2}$-Äquivalente pro Tüte und wird…
Eine Ökobilanz vergleicht zwei Einkaufstüten. Tüte A aus Polyethylen (Masse $7\,\text{g}$) verursacht $0{,}020\,\text{kg}$ $\mathrm{CO_2}$-Äquivalente pro Tüte und wird im Mittel $4$-mal verwendet. Tüte B aus Baumwolle verursacht $0{,}60\,\text{kg}$ $\mathrm{CO_2}$-Äquivalente pro Beutel.
- a) Berechnen Sie, wie oft der Baumwollbeutel mindestens verwendet werden muss, damit seine Bilanz pro Nutzung besser ist als die der PE-Tüte.
- b) Erörtern Sie zwei weitere Kriterien, die über die $\mathrm{CO_2}$-Bilanz hinaus in die Bewertung eingehen sollten.
Beim Cracken von Naphtha im Steamcracker entstehen bei etwa $850\,{^\circ}\text{C}$ vorwiegend Ethen und Propen. Alternativ könnte Bioethanol dehydratisiert werden:…
Beim Cracken von Naphtha im Steamcracker entstehen bei etwa $850\,{^\circ}\text{C}$ vorwiegend Ethen und Propen. Alternativ könnte Bioethanol dehydratisiert werden: $\mathrm{C_2H_5OH \rightarrow C_2H_4 + H_2O}$.
- a) Erklären Sie, warum das Cracken nur bei hoher Temperatur abläuft, und nennen Sie den Reaktionstyp bei der Ethanol-Dehydratisierung.
- b) Berechnen Sie die Masse Bioethanol, die für $1{,}00\,\text{t}$ Ethen bei vollständiger Umsetzung nötig ist ($M(\mathrm{C_2H_5OH}) = 46\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$, $M(\mathrm{C_2H_4}) = 28\,\text{g}\cdot\text{mol}^{-1}$).
- c) Beurteilen Sie die Nachhaltigkeit beider Verfahren.
Zurück zum Anfang: Der Kohlenstoff der Folie stammt aus Rohöl, wird über Naphtha und Ethen zum Polymer, und am Ende steht Recycling oder $\mathrm{CO_2}$.
Auf einen Blick
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Fraktionierte Destillation trennt Rohöl nach der Siedetemperatur, die mit der Kettenlänge steigt (van-der-Waals-Kräfte).
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Cracken spaltet lange Alkane in kürzere Alkane und Alkene (Ethen, Propen) als Monomere.
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Weg eines Produkts: Rohstoff → Raffinerie → Steamcracker → Polymerisation → Nutzung → Verwertung.
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Energetische Verwertung nutzt den Heizwert, setzt aber $\mathrm{CO_2}$ frei.
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Biobasiert ≠ biologisch abbaubar; Bewertung ökologisch, ökonomisch und sozial.
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Ökobilanzen vergleicht man pro Nutzung und mit mehreren Kriterien.