Institut Dr. Flad
Berufskolleg für Chemie, Pharmazie, Biotechnologie und Umwelt

Methan aus Wasserstoff und CO₂ - Energiespeicher der Zukunft im Experiment

Prof. Dr. Peter Menzel ist seit vielen Jahren eng mit dem Institut verbunden, sei es durch Vorträge, Lehrerfortbildung oder die Betreuung von Projektarbeiten. Er vereint viele Eigenschaften auf sich, die auch das Institut seit nunmehr 64 Jahren prägen: Begeisterung für das Fach Chemie, das Bestreben, die Schüler durch "entdeckendes Lernen" zum Mit- und Weiterdenken anzuregen und auch aufzuzeigen, dass die Chemie eingebettet ist in einen gesellschaftlichen Kontext, dass sie die Aufgabe hat, Lösungsansätze für die aktuelle Probleme zu bieten.

Wie diese im Bereich Energie aussehen könnten, war Thema des Vortrages von Prof. Menzel. Erneuerbare Energien: Weg von der klimaschädlichen Kohle, weg von der radiotoxischen Atomenergie, hin zu Solarenergie, hin zur Windkraft - wer könnte damit nicht einverstanden sein? Schön und gut: Aber Stromtrassen und Windräder vor der eigenen Haustüre? Nein, danke!

Was tun? Lösungen für die Zukunft müssen gefunden werden. Warum dass so ist, machte Prof. Menzel den Zuhörern durch seinen Vortrag klar. Auf humorvolle Weise, zahlreiche Karikaturen bereicherten seine Ausführungen, entführte er sie zunächst in die Geschichte. Hielt sich der Energieverbrauch unserer Steinzeit-Vorfahren sehr in Grenzen, stieg seither der Grundumsatz an Energie ständig an, Tendenz: weiter steigend! Neueste Berechnungen gehen davon aus, dass jährlich rund 13. 000 Millionen Tonnen Öl verbraucht werden. Man werfe, wie im Vortrag geschehen, einen Blick auf eine Aufnahme, die die Erde bei Nacht zeigt. Die "Energiefresser" sind schnell ausgemacht; nicht nur die USA und Europa erstrahlen hell, der "Energiehunger" hat China, Russland... voll erfasst.

Die fossilen Brennstoffe gehen über kurz oder lang zur Neige. Da hilft auch das "Frisieren" von Energiebilanzen nicht weiter, ganz zu schweigen von den Produktionsbedingungen in vielen Teilen der Welt. Wohlstand und Wachstum sind teuer erkauft.

Lösungsvorschläge liegen auf dem Tisch: Energieeinsparung, Effizienzsteigerung bei Geräten, ressourcenschonende Produktionsmethoden, Recycling sowie die Nutzung erneuerbarer Energien. Spätestens seit dem Reaktorunglück in Fukushima ist die Energiewende eingeläutet und der Trend zum Einsatz von Solar- und Windenergie ungebrochen. Allerdings bringt der Einsatz beider Energieformen ein großes Problem mit sich: Sie unterliegen starken Schwankungen. Deshalb ist es eine große Herausforderung, Ausgleichsmethoden bzw. Speichertechniken zu entwickeln. Neben den zum Teil beschränkten Möglichkeiten, Wasserspeicher, Batterien... einzusetzen, ist die Methanisierung von Kohlenstoffdioxid mit elektrolytisch hergestelltem Wasserstoff ein besonders erfolgversprechender Ansatz (Sabatier-Prozess).

Power-to-Gas: Energiespeicher der Zukunft? Die Speicherung von Überschuss-Strom aus Wind- und Solarkraft ist schon in die Realität umgesetzt. Sowohl Anlagen der Universität Stuttgart als auch von Audi sind bereits in Betrieb.

Weshalb diese Technik so reizvoll und zukunftsträchtig ist, zeigte Prof. Menzel in seinem Experimentalvortrag. Basierend auf Arbeiten von Fabian Rex, einem ehemaligen Schüler des Institutes, der nun selbst als Lehrer tätig ist, zeigte der Referent, wie im Chemieunterricht mit einfachen Mitteln die Methanisierung vermittelt werden kann. Die Abläufe, die großtechnisch vonstatten gehen, werden im schulischen Experiment quasi "nachgeahmt". Dadurch wird das Grundprinzip dieser Art der Energiespeicherung verstanden.

Prof. Menzel veranschlagt für das Experiment eine Doppelstunde.

Welche Apparatur ist für die Versuche geeignet? Am besten die der Marke "Eigenbau". Hierfür besorgt man sich Zubehör aus der Medizintechnik: Kunststoffspritzen, Drei-Wege-Hahn; außerdem noch ein Quarzrohr, einen Katalysator sowie eine geeignete Heizspirale, die es ermöglicht, diesen Katalysator kontrolliert zu temperieren. Ein herkömmlicher scheidet aus. Aufgrund des Nickelgehaltes ist der abgegebene Staub toxisch; die Wahl fällt deshalb auf einen platinhaltigen Katalysator. Mit dieser einfachen Grundapparatur ausgestattet, kann das Experiment starten. Das Ziel ist, Methan gaschromatographisch nachzuweisen. Als Gaschromatograph eignet sich besonders der, der von Dr. Franz Kappenberg eigens für den Schulunterricht entwickelt wurde.

Zunächst wird Kohlendioxid portioniert, auf die Spritze aufgezogen, ebenso der Wasserstoff; er stammt aus einer Gasflasche. Entscheidend ist nun die Temperatur. In Reihenuntersuchungen, durch die Auswertung von Chromatogrammen, können die Schüler ermitteln, welche optimal ist.

Prof. Menzel verwies zudem in seinem Vortrag auf die Möglichkeit, im Unterricht Kohlendioxid mittels einer Calciumhydroxid-Lösung quantitativ nachzuweisen.

Smart grid: Der intelligenten Vernetzung von Stromerzeugung und Stromspeicherung gehört sicherlich die Zukunft. Einen kleinen, aber raffinierten Einblick in die Welt der Lösungsmöglichkeiten für unsere Energieprobleme hat Prof. Menzel durch seinen Experimentalvortrag geboten.

Zum Nachlesen:

• www.planet-schule.de
• www.weltderphysik.de

Angela Schmitt-Bucher

Prof. Dr. Peter Menzel

Bis 2012 an der Universität Hohenheim, Arbeitsgebiet Didaktik der Chemie und Ökologie, Forschungsschwerpunkte Entwicklung von Versuchen, Medien und Geräten, Initiator des Fehling- Lab (Schülerlabor und Lehrerfortbildungszentrum für Chemie Stuttgart), Manfred und Wolfgang Flad-Preis 1993.