Was ist das Fischer-Tropsch-Verfahren?

Das Fischer-Tropsch-Verfahren ist ein industrieller Prozess, bei dem aus Synthesegas (einem Gemisch aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff) flüssige Kraftstoffe wie Benzin oder Diesel hergestellt werden. Mithilfe von Katalysatoren, hohem Druck und Temperatur entstehen dabei langkettige, energiereiche Moleküle wie Alkane, Alkene oder Alkanole.

Wie funktioniert die Co-Elektrolyse für E-Fuels?

Bei der Co-Elektrolyse werden Wasser und das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid gleichzeitig durch elektrischen Strom in ihre Bestandteile zerlegt. Dabei entsteht das sogenannte Synthesegas , ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid. Dieser Schritt ist die Grundlage für die Herstellung klimafreundlicher E-Fuels.

Warum sind synthetische Kraftstoffe (E-Fuels) wichtig?

Synthetische Kraftstoffe sind wichtig, weil sie eine klimafreundliche Alternative zu fossilem Erdöl bieten. Besonders für große Schiffe oder Flugzeuge, für die Batterien zu schwer wären, sind E-Fuels ideal. Sie können mit grünem Strom aus Wasser und dem Kohlenstoffdioxid der Luft hergestellt werden.

Fischer-Tropsch-Verfahren & E-Fuels

Stell dir vor, Flugzeuge fliegen mit einem Kraftstoff, der nur aus Wasser, der Atemluft (Kohlenstoffdioxid) und Windstrom hergestellt wurde. Keine Ölbohrungen, kein fossiles Erdöl!

Genau das ist die Idee hinter E-Fuels (Elektrokraftstoffen) und dem Fischer-Tropsch-Verfahren. Während wir Autos gut mit schweren Batterien betreiben können, sind Batterien für große Schiffe oder Flugzeuge viel zu schwer. In diesem Artikel lernst du, wie Chemiker mithilfe von grünem Strom aus einfachen Gasen flüssige Kraftstoffe und wichtige Rohstoffe für die Industrie zusammenbauen.

Vorwissen

Elektrolyse: Ein Prozess, bei dem elektrischer Strom genutzt wird, um eine chemische Reaktion zu erzwingen. Beispiel: Wasser ( $\text{H}_2\text{O}$ ) wird durch Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.
Homologe Reihen: Allgemeine Baupläne für organische Moleküle, abhängig von der Anzahl der Kohlenstoffatome ( $n$ ). Beispiel: Alkane haben die Formel $\text{C}_n\text{H}_{2n+2}$ . Für $n=2$ (Ethan) ergibt das $\text{C}_2\text{H}_6$ .

Aufgabentyp 1: E-Fuels und die Co-Elektrolyse

E-Fuels sind synthetische Kraftstoffe. Um sie herzustellen, braucht man zunächst die richtigen Bausteine. Diese gewinnt man durch die sogenannte Co-Elektrolyse.

Das Präfix „Co-“ bedeutet „zusammen“. Anstatt nur Wasser zu spalten, werden hier Wasser ( $\text{H}_2\text{O}$ ) und das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid ( $\text{CO}_2$ ) gleichzeitig mithilfe von elektrischem Strom zerlegt. Damit E-Fuels wirklich klimafreundlich sind, muss dieser Strom aus erneuerbaren Energien (wie Wind oder Sonne) stammen.

Die chemische Reaktionsgleichung für diesen ersten Schritt lautet:

$\text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2 \to \text{O}_2 + \textcolor{#53E5D6}{\text{CO}} + \textcolor{#08BFFF}{\text{H}_2}$

Der Sauerstoff ( $\text{O}_2$ ) wird oft einfach in die Luft abgegeben. Die beiden anderen Gase, Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff, sind das eigentliche Ziel. Wenn man diese beiden Gase mischt, erhält man das sogenannte Synthesegas. Dieses Gasgemisch ist der universelle Startpunkt, um im nächsten Schritt flüssige Kraftstoffe herzustellen.

Aufgabentyp 2: Das Fischer-Tropsch-Verfahren

Das Fischer-Tropsch-Verfahren ist ein berühmter industrieller Prozess. Es nimmt das Kohlenstoffmonoxid und den Wasserstoff aus dem Synthesegas und baut daraus lange, energiereiche Moleküle wie Alkane (für Benzin oder Diesel), Alkene oder Alkanole (Alkohole).

Damit diese Reaktion stattfindet, müssen drei Bedingungen perfekt eingestellt sein: eine bestimmte Temperatur, ein hoher Druck und ein Katalysator (oft Metalle wie Nickel oder Eisen, die als chemische Helfer dienen). Je nachdem, wie man diese drei Bedingungen einstellt, entstehen unterschiedliche Produkte.

Chemiker nutzen allgemeine Formeln mit der Variable $n$ (die für die Anzahl der Kohlenstoffatome steht), um diese Reaktionen zu berechnen:

Für Alkane: $n\,\textcolor{#53E5D6}{\text{CO}} + (2n+1)\,\textcolor{#08BFFF}{\text{H}_2} \to \text{C}_n\text{H}_{2n+2} + n\,\text{H}_2\text{O}$
Für Alkene: $n\,\textcolor{#53E5D6}{\text{CO}} + 2n\,\textcolor{#08BFFF}{\text{H}_2} \to \text{C}_n\text{H}_{2n} + n\,\text{H}_2\text{O}$
Für Alkanole (Alkohole): $n\,\textcolor{#53E5D6}{\text{CO}} + 2n\,\textcolor{#08BFFF}{\text{H}_2} \to \text{C}_n\text{H}_{2n+1}\text{OH} + (n-1)\,\text{H}_2\text{O}$

Diese Gleichungen sehen auf den ersten Blick kompliziert aus, aber sie sind eigentlich nur Lückentexte. Sobald du weißt, welches Molekül du herstellen willst, setzt du einfach eine Zahl für $n$ ein.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Zielmolekül und Stoffklasse identifizieren: Finde heraus, zu welcher Stoffklasse das gewünschte Produkt gehört und wie viele Kohlenstoffatome es hat ( $n$ ).
Die richtige allgemeine Gleichung auswählen: Wähle die passende Fischer-Tropsch-Gleichung für Alkane, Alkene oder Alkanole.
Die Zahl für n einsetzen und ausrechnen: Ersetze jedes $n$ in der Gleichung durch deine Zahl und rechne die Werte aus.

Durchgerechnete Beispiele

Beispiel 0

Aufgabe

Formuliere die Reaktionsgleichung für die Bildung von Hexan aus Synthesegas.

Fortschritt

3 / 3

Schritt 1
Zielmolekül und Stoffklasse identifizieren
Hexan endet auf „-an“, ist also ein Alkan. Die Vorsilbe „Hex-“ bedeutet, dass es 6 Kohlenstoffatome hat. Also ist $n = 6$ .
Schritt 2
Die richtige allgemeine Gleichung auswählen
Wir nutzen die Gleichung für Alkane: $n\,\text{CO} + (2n+1)\,\text{H}_2 \to \text{C}_n\text{H}_{2n+2} + n\,\text{H}_2\text{O}$
3
Schritt 3 · Ergebnis
Die Zahl für n einsetzen und ausrechnen
Wir setzen überall für $n$ die Zahl 6 ein:
- Vor dem $\text{CO}$ : $n = 6$
- Vor dem $\text{H}_2$ : $(2 \cdot 6 + 1) = 12 + 1 = 13$
- Im Alkan: $\text{C}_6\text{H}_{(2 \cdot 6 + 2)} = \text{C}_6\text{H}_{14}$
- Vor dem Wasser: $n = 6$

Ergebnis:

Die fertige Reaktionsgleichung lautet: $6\,\text{CO} + 13\,\text{H}_2 \to \text{C}_6\text{H}_{14} + 6\,\text{H}_2\text{O}$

Beispiel 1

Aufgabe

Formuliere die Reaktionsgleichung für die Bildung von Propen aus Synthesegas.

Fortschritt

3 / 3

Schritt 1
Zielmolekül und Stoffklasse identifizieren
Propen endet auf „-en“, ist also ein Alken. Die Vorsilbe „Prop-“ steht für 3 Kohlenstoffatome. Also ist $n = 3$ .
Schritt 2
Die richtige allgemeine Gleichung auswählen
Wir nutzen die Gleichung für Alkene: $n\,\text{CO} + 2n\,\text{H}_2 \to \text{C}_n\text{H}_{2n} + n\,\text{H}_2\text{O}$
3
Schritt 3 · Ergebnis
Die Zahl für n einsetzen und ausrechnen
Wir setzen überall für $n$ die Zahl 3 ein:
- Vor dem $\text{CO}$ : $n = 3$
- Vor dem $\text{H}_2$ : $(2 \cdot 3) = 6$
- Im Alken: $\text{C}_3\text{H}_{(2 \cdot 3)} = \text{C}_3\text{H}_6$
- Vor dem Wasser: $n = 3$

Ergebnis:

Die fertige Reaktionsgleichung lautet: $3\,\text{CO} + 6\,\text{H}_2 \to \text{C}_3\text{H}_6 + 3\,\text{H}_2\text{O}$

Beispiel 2

Aufgabe

Formuliere die Reaktionsgleichung für die Bildung von Methanol aus Synthesegas.

Fortschritt

3 / 3

Schritt 1
Zielmolekül und Stoffklasse identifizieren
Methanol endet auf „-ol“, ist also ein Alkanol (Alkohol). Die Vorsilbe „Meth-“ steht für genau 1 Kohlenstoffatom. Also ist $n = 1$ .
Schritt 2
Die richtige allgemeine Gleichung auswählen
Wir nutzen die Gleichung für Alkanole: $n\,\text{CO} + 2n\,\text{H}_2 \to \text{C}_n\text{H}_{2n+1}\text{OH} + (n-1)\,\text{H}_2\text{O}$
3
Schritt 3 · Ergebnis
Die Zahl für n einsetzen und ausrechnen
Wir setzen überall für $n$ die Zahl 1 ein:
- Vor dem $\text{CO}$ : $n = 1$ (die 1 wird in der Chemie meist weggelassen, wir schreiben also nur $\text{CO}$ )
- Vor dem $\text{H}_2$ : $(2 \cdot 1) = 2$
- Im Alkanol: $\text{C}_1\text{H}_{(2 \cdot 1 + 1)}\text{OH} = \text{CH}_3\text{OH}$
- Vor dem Wasser: $(1 - 1) = 0$ . Das bedeutet, es entsteht bei dieser speziellen Reaktion gar kein Wasser!

Ergebnis:

Die fertige Reaktionsgleichung lautet: $\text{CO} + 2\,\text{H}_2 \to \text{CH}_3\text{OH}$

Wichtige Erkenntnisse

E-Fuels sind klimafreundliche Kraftstoffe, die aus Wasser, Kohlenstoffdioxid und grünem Strom hergestellt werden.
Die Co-Elektrolyse erzeugt aus Wasser und Kohlenstoffdioxid das wichtige Synthesegas (ein Gemisch aus $\text{CO}$ und $\text{H}_2$ ).
Das Fischer-Tropsch-Verfahren nutzt dieses Synthesegas, um mithilfe von Katalysatoren, Druck und Temperatur flüssige Kraftstoffe (Alkane, Alkene, Alkanole) zu bauen.

Fischer-Tropsch-Verfahren & E-Fuels einfach erklärt