Aufgabe 4 – „Grüne Wärme“ aus chemischer Reaktion

Die Verwendung von Calciumoxid im Bauwesen ist eine jahrhundertealte Praxis und als solche bis heute unverzichtbar. Während in der Bauchemie das Reaktionsprodukt im Zentrum des Interesses steht, zielt eine neue Technologie speziell auf die Nutzung des Wärmeumsatzes dieser chemischen Reaktion.

4.1

Formuliere die Reaktionsgleichungen für die drei Reaktionen des technischen Kalkkreislaufs (M1).

Gib den Satz von Hess an und erläutere dessen Gültigkeit anhand der Reaktionen des technischen Kalkkreislaufs (M1).

6 BE

4.2

Skizziere ein beschriftetes Energiediagramm für den Verlauf der Reaktion von Calciumoxid mit Wasser (Reaktion (2), M1).

Gib den Wert der Änderung der Enthalpie für die Umkehrreaktion zur Reaktion (2) an. Leite aus dieser Angabe zwei darzustellende Aspekte ab, welche im zugehörigen Energiediagramm für den Verlauf der Umkehrreaktion zu skizzieren wären (M1).

6 BE

4.3

Gib die Energieumwandlungen an, die bei der neuartig zur Wärmeversorgung genutzten Technologie für ein „Laden“ und „Entladen“ vollzogen werden (M1, M2).

Stelle für die Notwendigkeit der Prozessführung unter Luftabschluss zwei Hypothesen auf (M1, M2).

Nenne drei Vorteile der Wärmeerzeugung auf Basis der Reaktion von Calciumoxid mit Wasser aus ökologischer Sicht (M2).

9 BE

4.4

Berechne die beim Schülerexperiment 1 zu erwartende Masse an Calciumoxid bei vollständigem Stoffumsatz (M3).

Beurteile die Eignung der beschriebenen Schülerexperimente zur Simulation der Energiespeicherung unter Betrachtung des in beiden Zyklen zur Reaktion gebrachten Calciumoxids (M1, M2, M3).

9 BE

30 BE

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M1: Der technische Kalkkreislauf

Stoffkreisläufe kann man als Abfolge chemischer Reaktionen beschreiben, die wieder zu den Ausgangsstoffen führen. Beim technischen Kalkkreislauf werden drei Reaktionen durchlaufen (Abbildung 1). Calciumcarbonat (Kalk) wird in Reaktion (1) unter Abgabe von Kohlenstoffdioxid zu Calciumoxid umgesetzt. Diese Reaktion wird als „Kalkbrennen“ bezeichnet und erfordert Brenntemperaturen von $Formula: 900\text{–}1200\ ^{\circ}\mathrm{C}.$ $Formula: 900\text{–}1200\ ^{\circ}\mathrm{C}.$ In Reaktion (2) wird Calciumoxid mit Wasser zu Calciumhydroxid umgesetzt. Dieser Vorgang ist als „Kalklöschen“ bekannt. Der Kreislauf schließt sich mit Reaktion (3), bei der Calciumhydroxid mit Kohlenstoffdioxid zu Calciumcarbonat und Wasser reagiert. Diese Reaktion ist das sogenannte „Abbinden“.

Diagramm mit Reaktionsenthalpien zwischen Calciumcarbonat, Calciumoxid und Calciumhydroxid.

Abbildung 1: Abfolge der Reaktionen (1), (2) und (3) im technischen Kalkkreislauf, jeweils mit zugehöriger Änderung der Enthalpie bezogen auf ein Mol Produkt (für $Formula: \small{T = 298{,}15\ \mathrm{K}}$ $Formula: \small{T = 298{,}15\ \mathrm{K}}$ und $Formula: \small{p = 101{,}325\ \mathrm{kPa})}$ $Formula: \small{p = 101{,}325\ \mathrm{kPa})}$

verändert nach: A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg, Chalkogenverbindungen der Erdalkalimetalle, 2017, in N. Wiberg (Hrsg.), Anorganische Chemie, 103. Aufl., Bd. 1, S. 1461–1471, De Gruyter; W. Haynes, D. R. Lide, T. J. Bruno, CRC Handbook of Chemistry and Physics, 95. Aufl., Taylor & Francis, 2014

M2: „Grüne Wärme“ aus der Reaktion von Calciumoxid mit Wasser

In einer Berliner Pilotanlage wurde ein dreijähriger Probebetrieb zur neuartigen Erzeugung von Fernwärme auf Basis der chemischen Reaktion von Calciumoxid mit Wasser Erfolg versprechend beendet. Pilotanlagen haben zum Ziel, neue Verfahren hinsichtlich ihrer Rentabilität und technischen Realisierbarkeit zu testen. Gelingt ein solcher Probebetrieb, dann ist dies ein Durchbruch zur Markteinführung. Das getestete Verfahren gründet auf der gleichen Reaktion, die im technischen Kalkkreislauf als Kalklöschen (Reaktion (2), M1, Abb. 1) bekannt ist. Jedoch ermöglicht erst die Kombination der Reaktion des Kalklöschens mit deren Umkehrreaktion die für den Betrieb der Anlage nötigen Lade- und Entladevorgänge.

Das Versetzen des Calciumoxids mit Wasser (Kalklöschen) bezeichnet man als „Entladen“ und die Umkehrreaktion (Austreiben des Wassers aus dem Calciumhydroxid) als „Laden“. Eine Beschichtung der Calciumoxid-Partikel ermöglicht hinreichend viele Zyklen, auch „Ladezyklen“ genannt. Die im „geladenen Zustand“ gespeicherte Energie lässt sich sogar verlustfrei vorhalten, bis sie benötigt wird. Das Herzstück der Anlage ist der Reaktionsraum mit dem Calciumoxid. In der Berliner Pilotanlage wurden darin Formula: 30 Kubikmeter Calciumoxid zur Reaktion gebracht, neu konzipierte Anlagen in Schweden sind noch größer dimensioniert. Das Calciumoxid befindet sich in geschlossenen Röhren. Vor Inbetriebnahme der Anlage wird die in den Röhren enthaltene Luft abgesaugt.

Um den Reaktionsraum werden Rohrleitungen in engen Schlaufen geführt. Diese dienen als Wärmeaustauscher. So lässt sich die zum „Laden“ notwendige Wärme über die Rohrleitungen an den Reaktionsraum leiten und die beim „Entladen“ freiwerdende Wärme aufnehmen und abtransportieren.

Die zum „Laden“ notwendige Wärme wurde bereits in der Berliner Pilotanlage unter Einsatz von Strom aus Windkraft- oder Solaranlagen generiert. Die in das Berliner Fernwärmenetz eingespeiste Wärme aus der Pilotanlage bezeichnete man daher als „grüne Wärme“. Die noch bessere Verfügbarkeit von Strom aus Wasserkraft begründet die Standortwahl der neuen Anlagen in Schweden.

verändert nach: H. Röglin, Vattenfall speichert Energie in Salz, Energie.Markt.Wettbewerb (2), 2019, S. 2–4; https://group.vattenfall.com/de/siteassets/2.-dokumentablage---newsroom/2.-blogs/2019-02_08_sp_vattenfall-speichert-energie-in-salz_saltx_emw.pdf; letzter Zugriff: 13.11.2025

M3: Simulation der Energiespeicherung im Schülerexperiment

Die Umkehrbarkeit von Wärmespeicherung und Wärmefreisetzung bei der Reaktion von Calciumoxid mit Wasser beschäftigte Lernende eines Chemiekurses. Sie führten nachfolgende Experimente durch.

Schülerexperiment 1 zur Herstellung des benötigten Calciumoxids:

Um die Chemikalie Calciumoxid frisch herzustellen, wurde eine abgewogene Masse von $Formula: 0{,}50\ \mathrm{g}$ $Formula: 0{,}50\ \mathrm{g}$ Calciumcarbonat in ein Reagenzglas gegeben und das Kalkbrennen durch minutenlanges starkes Erhitzen des Reagenzglases mit einem schulüblichen Gasbrenner simuliert. Es ist davon auszugehen, dass der Reagenzglasinhalt dabei auf maximal $Formula: 600\ ^{\circ}\mathrm{C}$ $Formula: 600\ ^{\circ}\mathrm{C}$ erhitzt wurde.
Das entweichende Gas Kohlenstoffdioxid wurde aufgefangen und dessen Volumen bestimmt. Daraus ließ sich die Masse des unter den beschriebenen Versuchsbedingungen gebildeten Calciumoxids berechnen. Gebildet wurden lediglich $Formula: 0{,}03\ \mathrm{g}$ $Formula: 0{,}03\ \mathrm{g}$ Calciumoxid. Demnach blieb ein Großteil des im Reagenzglas vorgelegten Calciumcarbonats bei der Simulation des Kalkbrennens unverändert.

Schülerexperiment 2 zur Energiespeicherung:

Zum abgekühlten Versuchsansatz aus Schülerexperiment 1 wurden wenige Tropfen Wasser gegeben. Es wurde ein Temperaturanstieg von ca. $Formula: 5\ \mathrm{K}$ $Formula: 5\ \mathrm{K}$ beobachtet. Das hier simulierte Kalklöschen markierte den Abschluss eines ersten Zyklus.
Für die Simulation eines zweiten Lade-Entlade-Zyklus der Energiespeicherung wurde der erhaltene Versuchsansatz erneut erhitzt und nach dem Erkalten mit Wasser versetzt. Allerdings blieb hier eine Temperaturänderung aus.

verändert nach: C. Rosar, C. Prante, Kalkgesteine und Bausteine – ein Lernzirkel rund um den Kalk, RAAbits Naturwissenschaften, 2017, 24, S. 1–38

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4.1

Formulieren der Reaktionsgleichungen

$Formula: (1)\quad\ce{CaCO3 \longrightarrow CaO + CO2}$ $Formula: (1)\quad\ce{CaCO3 \longrightarrow CaO + CO2}$

$Formula: (2)\quad\ce{CaO + H2O \longrightarrow Ca(OH)2}$ $Formula: (2)\quad\ce{CaO + H2O \longrightarrow Ca(OH)2}$

$Formula: (3)\quad\ce{Ca(OH)2 + CO2 \longrightarrow CaCO3 + H2O}$ $Formula: (3)\quad\ce{Ca(OH)2 + CO2 \longrightarrow CaCO3 + H2O}$

Angabe des Satzes von Hess und Erläuterung seiner Gültigkeit

Laut dem Satz von Hess entspricht die Enthalpieänderung für den Gesamtprozess der Summe der Enthalpieänderungen der einzelnen Reaktionen, in die sich der Prozess unterteilen lässt (Wegunabhängigkeit).

Wegunabhängigkeit bedeutet für einen Kreislaufprozess, dass gilt: $Formula: \Delta H(1) + \Delta H(2) + \Delta H(3)=0.$ $Formula: \Delta H(1) + \Delta H(2) + \Delta H(3)=0.$
Für den technischen Kalkkreislauf gilt: $Formula: 179{,}2\ \text{kJ}+(-64{,}5\ \text{kJ})+(-114{,}7\ \text{kJ})=0.$ $Formula: 179{,}2\ \text{kJ}+(-64{,}5\ \text{kJ})+(-114{,}7\ \text{kJ})=0.$
Damit gilt der Satz von Hess für die Reaktionen des technischen Kalkkreislaufs.

4.2

Skizzierung eines beschrifteten Energiediagramms

Energiediagramm der exothermen Reaktion von Calciumoxid und Wasser zu Calciumhydroxid mit Aktivierungsenergie.

Angabe der Enthalpieänderung und Ableitung zweier darzustellender Aspekte

$Formula: \Delta H=+64{,}5\ \text{kJ}$ $Formula: \Delta H=+64{,}5\ \text{kJ}$ (bezogen auf ein Mol Calciumoxid)
Umkehrung der Lage der Energieniveaus von Edukten und Produkten, d. h. Edukte bei niedrigerem Energieniveau als Produkte
Beibehalten des Abstandes $Formula: \vert\Delta E\vert$ $Formula: \vert\Delta E\vert$ zwischen den Energieniveaus von Edukten und Produkten, d. h. nur Umkehr der Pfeilrichtung des Energiebetrags

4.3

Angabe der Energieumwandlungen

„Laden“: Umwandlung elektrischer Energie in thermische Energie und schlussendlich in chemische Energie
„Entladen“: Umwandlung chemischer Energie in thermische Energie

Aufstellen zweier Hypothesen zur

Hypothese 1:

Vermeiden der Reaktion des Calciumhydroxids mit Kohlenstoffdioxid, da gebildetes Calciumcarbonat als Nebenprodukt dem Ladeprozess nicht mehr zur Verfügung steht.

Hypothese 2:

Vermeiden von Luftfeuchtigkeit, da Luftfeuchtigkeit zusätzlich zum aus Calciumhydroxid ausgetriebenen Wasser entfernt erden muss und dies der vollständigen Reversibilität des Prozess entgegensteht.

Nennen dreier Vorteile

Zum Beispiel:

Nutzung regenerativer Energien für den Ladevorgang
Freisetzung der Wärme nach Bedarf
Emissionsfrei, d. h. ohne Ausstoß von Schadstoffen und Treibhausgasen
Verlustfreie Energiespeicherung
Viele Ladezyklen möglich

4.4

Berechnung der zu erwartenden Masse an Calciumoxid

$Formula: M(\ce{CaCO3})=100{,}1\;\tfrac{\text{g}}{\text{mol}}$ $Formula: M(\ce{CaCO3})=100{,}1\;\tfrac{\text{g}}{\text{mol}}$

$Formula: M(\text{CaO})=56{,}1\;\tfrac{\text{g}}{\text{mol}}$ $Formula: M(\text{CaO})=56{,}1\;\tfrac{\text{g}}{\text{mol}}$

Berechnung der Stoffmenge des eingesetzten Calciumcarbonats:

$Formula: M=\dfrac{m}{n}$ $Formula: M=\dfrac{m}{n}$

$Formula: \begin{array}{rlll} n(\ce{CaCO3})&=&\dfrac{m(\ce{CaCO3})}{M(\ce{CaCO3})} \\[5pt] &=&\dfrac{0{,}5\;\text{g}}{100{,}1\;\frac{\text{g}}{\text{mol}}} \\[5pt] &\approx&5{,}0\cdot10^{-3}\;\text{mol} \end{array}$ $Formula: \begin{array}{rlll} n(\ce{CaCO3})&=&\dfrac{m(\ce{CaCO3})}{M(\ce{CaCO3})} \\[5pt] &=&\dfrac{0{,}5\;\text{g}}{100{,}1\;\frac{\text{g}}{\text{mol}}} \\[5pt] &\approx&5{,}0\cdot10^{-3}\;\text{mol} \end{array}$

Stoffmengenverhältnis nach Reaktionsgleichung: $Formula: n(\ce{CaCO3})=n(\text{CaO}).$ $Formula: n(\ce{CaCO3})=n(\text{CaO}).$

Somit ergibt sich für die Masse an Calciumoxid:

$Formula: \begin{array}{rlll} m(\text{CaO})&=&M(\text{CaO})\cdot n(\text{CaO}) \\[5pt] &=&56{,}1\;\dfrac{\text{g}}{\text{mol}}\cdot5{,}0\cdot10^{-3}\;\text{mol} \\[5pt] &\approx&0{,}28\;\text{g} \end{array}$ $Formula: \begin{array}{rlll} m(\text{CaO})&=&M(\text{CaO})\cdot n(\text{CaO}) \\[5pt] &=&56{,}1\;\dfrac{\text{g}}{\text{mol}}\cdot5{,}0\cdot10^{-3}\;\text{mol} \\[5pt] &\approx&0{,}28\;\text{g} \end{array}$

Beurteilung der Eignung der Schülerexperimente

Erster Zyklus: Wärmefreisetzung bei der Reaktion zum Kalklöschen gelingt; zwar geringe Masse an Calciumoxid aus Schülerexperiment 1, aber dennoch ausreichend für Simulation.
Zweiter Zyklus: Wärmefreisetzung bei der Reaktion zum Kalklöschen versagt im zweiten Zyklus der Simulation. Die Masse an Calciumoxid ist beim zweiten Zyklus zu gering.

Fazit:

Die Experimente sind bedingt geeignet. Die Simulation gelingt nur für einen Zyklus und scheitert an der Umkehrbarkeit.

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