Pyrolyse und chemische Rohstoffe

Die Pyrolyse wurde früher als "Verschwelung" oder "trockene Destillation" bezeichnet. Jede pflanzliche oder tierische Biomasse, aber auch Plastik, kann durch Pyrolyse, d.h. Wärmebehandlung unter Luftausschluss bei höheren Temperaturen, verkohlt werden.

Bei der Pyrolyse von Biomasse werden neben der Kohle noch weitere Stoffe gebildet, die in Form der sog. Schwelgase (besser: Schweldämpfe) und Teer anfallen. Diese waren Ende des 19. Jahrhunderts durchaus als Rohstoffquelle für die Chemische Industrie von hohem Interesse (hauptsächlich aus der Steinkohle-Verkokung).

Als Laie kann man den Vorgang der Pyrolyse bei der Einrichtung eines Lagerfeuers beobachten. Die lodernden und leuchtenden Flammen eines solchen Feuers sind nichts anderes als die abbrennenden Schweldämpfe aus dem erhitzten Holz. Nach Beendigung dieser Phase bleibt die weitgehend flammenlos glühende Holzkohle übrig. Pyrolyse (thermische Aufspaltung organischer Substanz) erfolgt bei Temperaturen ab ca. 300°C bis ca. 1000°C. Je nach Pyrolyse-Temperatur weist die Kohle noch unterschiedliche Gehalte an Reststoffen auf. Je höher die Temperatur, umso reiner ist der anfallende Kohlenstoff (bis auf den Aschegehalt). Bei Temperaturen um 1000°C erhält man vollständig ausgegasten Koks mit einem Kohlenstoffgehalt von über 90% (als Rest bleibt Asche übrig). Die Verschwelung von wasserfrei vorgetrocknetem Torf in Retorten ergab (bezogen auf eine Einsatzmenge von 100 kg):

Aus dem Teer konnten dann weitere Stoffe isoliert werden z.B. Öle, Paraffine, Asphalt etc. Die anfallenden Schwelgase wurden oft rückgeführt und zur Heizung der Retorten verbrannt.

Biomassekohle (z.B. Pflanzenkohle) ist gerade dabei, eine neue Erfolgsgeschichte als ökologischer Zuschlagstoff bei vielerlei Anwendungen zu schreiben, z.B. in der Bodenkultur (Terra Preta), Viehhaltung, als Filtermaterial - ähnlich, wie es bei Torf über lange Zeit der Fall war. Jeder, der Holzvergaseranlagen betreibt, könnte zumindest teilweise die anfallende Pyrolysekohle für andere Zwecke abzweigen.

Auf Torfkohle als Brennmaterial wurde im Kapitel "Torfkohle/Torfvergasung" schon hingewiesen. Biomassekohlen haben allerdings viele weitere interessante und nützliche Eigenschaften.

Torfkohle hat dabei eine gewisse Sonderrolle: Im Vergleich zu Holzkohle weist sie einen noch höheren Grad an Mikro- und Nanoporosität auf und hat damit eine große innere Oberfläche (Größenordnung mehrere 100 m²/cm³). An diesen inneren Oberflächen können chemische Substanzen angelagert und gebunden werden. Bereits vor 150 Jahren wurde Torfkohle zum Entfärben von Naturprodukten verwendet, z.B. von Sirup und Zuckermelasse.

Im Falle von Torf war mit der Nutzung der Schwelgasprodukte die Hoffnung verbunden, einen Beitrag zur Rentabilität und Konkurrenzfähigkeit von Torf gegenüber Kohle beisteuern zu können.

Es konnten über die Temperaturen bei der Verschwelung bzw. durch Zugabe von Wasserdampf ("steam reforming") je nach gewünschter Anwendung unterschiedliche Qualitäten, Mengen und Zusammensetzungen der Schwelgasprodukte erzeugt werden. Torf mit seinem ohnehin höheren Wasseranteil erwies sich erwartungsgemäß auch als besonders "schwelgas-intensiv".

Flüssiges Gasöl eignete sich aber auch unmittelbar zum Betrieb von Verbrennungsmotoren. Dieselkraftstoff wird heute aus dieser Historie heraus noch gelegentlich als Gasöl bezeichnet.

Auch in dieser Hinsicht wiederholt sich die Geschichte: So bietet heute die finnische Firma FORTUM Anlagen zur pyrolytischen Gewinnung von sog. Otso-Biooil aus holzartigen Ausgangsmaterialien an. Solche Anlagen können auch in bereits bestehende Bio-Block-Heizkraftwerke integriert werden (nicht zu verwechseln mit dem BioLiq- Verfahren, das ganz anders funktioniert).

Charakteristisch für Schwelgase aus Holz und Torf sind die phenolischen Verbindungen, die sich weitgehend aus der Umwandlung des Lignin- Anteils pflanzlicher Biomasse ergeben. Kreosot ist ein im Teer enthaltenes Substanzgemisch, das die Ursache für den rauchigen Geschmack und Geruch der Pyrolyserückstände ist.

In den wissenschaftlich-technischen Berichten bzgl. der Verschwelung von Festbrennstoffen wurde bis Anfang des 20. Jahrhunderts das anfallende sog. "Ammoniakwasser" als Pyrolyseprodukt hervorgehoben. Torf enthält je nach Qualität 2 bis 3% Stickstoff in organischer Bindung, der bei der Pyrolyse zu Ammoniak umgesetzt wird.

Vor mehr als 100 Jahren gab es noch kein Verfahren zur Synthese von preiswertem Stickstoffdünger aus Luftstickstoff. Vielmehr musste meist auf Naturprodukte zurückgegriffen werden, wie geeignete Ammoniakverbindungen oder Nitrate in Form von importiertem Chile-Salpeter. Deswegen waren Schwelgase zumindest für eine gewisse Zeit als Ammoniakquelle von Interesse. In Friedenszeiten wurde aus dem Ammoniakwasser durch Zugabe von Schwefelsäure Ammoniumsulfat als landwirtschaftlicher Dünger gewonnen.

Diese Situation änderte sich grundlegend vor ziemlich genau hundert Jahren mit der großindustriellen Einführung des sog. Haber-Bosch- Verfahrens zur Ammoniaksynthese, direkt aus Luftstickstoff, allerdings aus ganz anderen Motiven. Hier war der Krieg der Vater aller Dinge: Ohne diese Nobelpreis dotierte deutsche Erfindung der Ammoniaksynthese wäre der erste Weltkrieg zumindest von deutscher Seite wegen Munitionsmangels ausgefallen, weil Deutschland von den für die Sprengstoffherstellung nötigen Salpeterlieferungen aus Chile abgeschnitten wurde. Hier war die Herstellung von synthetischem Ammoniak aus elementarem Luftstickstoff der entscheidende Lösungsschritt. Es war damals schon kein Problem, aus Ammoniak in einem zweiten Schritt mittels des katalytischen Ostwald- Verfahrens ausreichend Salpetersäure und Nitrate herzustellen.