Willkommen im Treibhaus! Wüsten ohne Oasen, Berge ohne Gletscher und Eisbären ohne Eis: CO 2 wird für viele Katastrophen des neuzeitlichen

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1 Willkommen im Treibhaus! Wüsten ohne Oasen, Berge ohne Gletscher und Eisbären ohne Eis: CO 2 wird für viele Katastrophen des neuzeitlichen Klimawandels verantwortlich gemacht. Dabei vergisst man schnell, dass sich auf dieses Molekül nur schwer verzichten lässt auch, um das KLIMA ZU SCHÜTZEN. 8 DRÄGERHEFT / 2014

2 KOHLENDIOXID FOKUS Wachstumshelfer CO 2 : Tomaten, so weit das Auge reicht. Die Niederlande versorgen halb Europa mit den schmackhaften Früchten FOTO: MIQUEL GONZALEZ T reibhauseffekt, ja bitte! Die Menschen im niederländischen Westland würden diese Aussage w ohl mehrheitlich unterschreiben. Die Re gion zwischen Rotterdam und Den Haag beherbergt eine der g rößten zusammenhängenden Treibhausflächen der Welt: Hier werden Gemüse und Zierpflanzen in fußballplatzgroßen Glaspalästen gezüchtet. Dabei überlassen die Landwir te nichts dem Zufall sogar die Be wässerung und Düngung organisieren sie nach industriellen Methoden. Viele von ihnen wer fen selbst im Sommer die Gasöfen an nicht, um die Treibhäuser zu heizen, sonder n um die Pflanzen mit Kohlendioxid (CO 2 ) zu versorgen, das in dem Rauchgas enthalten ist. Denn: ohne CO 2 keine Fotosynthese, und ohne Fotosynthese kein Pflanzenwachstum. Durch Fotosynthese erzeugen Pflanzen mithilfe von Sonnenlicht, Wasser und CO 2 Sauerstoff und die Zuckermoleküle, die sie für ihr Wachstum brauchen. Streng genommen ist die Düngung per Gasofen reine Verschwendung. Landwirte verbrennen fossile Rohstoffe, um ein Gas zu produzieren, das anderswo massenhaft als Abfall anfällt und dazu beiträgt, dass sich die Erdatmosphäre weiter erwärmt. Doch seit 1997 entsteht CO 2 ökono mischer und ökologischer. In jenem Jahr eröffnete im Westen Rotterdams eine gro ße Raffinerie. Beim Knacken ( Cracken ) der schweren Kohlenwasserstoffe fällt fast reines CO 2 an. Normalerweise bla sen Raffinerien dieses Abgas durch den Schornstein. Mittlerweile wird es den T reib häusern des Westlands zugeführt. Dafür brauchen nicht einmal Lkw die S traße zu verstopfen. Denn an den Treibhäusern läuft seit den 1960er-Jahren eine Pipeline vorbei, durch die einst Öl von R otterdam nach Amsterdam gepumpt wurde, die seit den 1980er-Jahren brachlag (siehe auch Karte; Seite 10) wurde sie für das Joint Venture Organisches CO 2 für die Assimilation in Pflanzen (OCAP), an dem die Linde AG 100 Prozent hält, reaktiviert. OCAP folgt der Idee, Erzeuger und Verbraucher von CO 2 zusammenzubringen. Begehrter Rohstoff Bis heute erfreut sich OCAP steigender Beliebtheit nicht zuletzt, weil die Gaspreise in den vergangenen Jahr en gestiegen sind ging zudem eine Bioe thanolanlage als zweite CO 2 -Quelle ans Netz. So haben wir unsere Lieferkapazitäten um ein Drittel auf rund Tonnen CO 2 pro Jahr erhöht, sagt OCAP-Geschäftsführer Jacob Limbeek. Mittelfristig rechnen wir damit, dass sic h der Bedarf verdoppelt. Für den Klimasc hutz in den Niederlanden hat OCAP jedoch einen eher homöopathischen Effekt. Wenn die mehreren Hundert Treibhäuser Tonnen CO 2 nutzen, entlastet das die CO 2 -Emissionsbilanz des Landes gerade mal um 0,3 Prozent. Dennoch hat das Pr ojekt gezeigt, wie sich Treibhäuser sehr viel umweltfreundlicher bewirtschaften lassen. Eine Erkenntnis, die weitere klimarelevante Projekte nach sich zieht. So werden in der Provinz Zeeland (im Zuge des Pilotprojekts Warm ) CO 2 -Treibhäuser in unmittelbarer Nähe einer Düngemittelfabrik gebaut. Dor t entsteht CO 2 als Nebenprodukt der Ammoniak synthese. Doch Pipelines führen nicht nur dieses Gas zu den Treibhäusern, sondern auch > DRÄGERHEFT /

3 FOKUS KOHLENDIOXID CO 2 liefert Energie, kann den Alltag erleichtern und die Erderwärmung bremsen > das erwärmte Kühlwasser, mit dem vorher die Anlagen zur Fabrikation von Düngemitteln gekühlt wurden. In den Treibhäusern kann nun auch im Winter auf den Einsatz der Gasöfen verzichtet werden. Anwendungen wie diese dienen dem Klimaschutz und der Ehrenrettung des CO 2. Dessen Ruf ist nachhaltig ruiniert, seitdem die Menschen die Zusammenhänge zwischen der Verbrennung fossiler Rohstoffe und der Erwärmung der Erdatmosphäre verinnerlicht haben. Dabei wird leicht vergessen, dass das Molekül aus dem Leben der Menschen nur schwer wegzudenken ist. Es liefert Energie, kann den Alltag erleichtern und vielfach sogar dabei helfen, die Erderwärmung zu bremsen. Chemisch betrachtet ist CO 2 ein denkbar einfaches Molekül, das sich aus einem Atom Kohlenstoff und zwei Atomen Sauerstoff zusammensetzt. In seinen physikalischen Erscheinungsformen verhält es sich wie andere Alltagsmoleküle, etwa wie Wasser (H 2 O). Je nach Umgebungstemperatur und Druck wechselt CO 2 zwischen vier verschiedenen Aggregatzuständen. Bei normalem Atmosphärendruck und Raumtemperatur ist CO 2 ein farb- und geruchloses Gas. Das macht es auch gefährlich: In hoher Konzentration kann es tödlich sein. Selbst professionelle Einsatzkräfte, ob Feuerwehrleute oder Rettungskräfte, sind davor nicht gefeit. Doch sie können sich schützen, etwa mit Dräger-Atemschutzoder -Messtechnik. Der menschliche Organismus ist eine der aktivsten CO 2 -Quellen überhaupt: Weil er in seinen Zellen K ohlenhydrate, Fette und Eiweiße mit hilfe des eingeatmeten Sauerstoffs verbrennt, erzeugt er Energie und stößt im Ruhezustand zehn bis 20 Liter C O 2 pro Stunde aus. Dennoch war die Menge CO 2, die im Jahr 2011 durch die Verfeuerung von Holz, Kohle, Erdöl oder Erdgas in die Atmosphäre gelangte, rund mal höher als die Menge, die die gesamte Weltbevölkerung im gleichen Zeitraum ausatmete. OCAP: CO 2 ins Treibhaus Unter dem Projektnamen OCAP (Organic Carbondioxide for Assimilation of Plants) werden seit 2002 Treibhäuser in den Niederlanden mit CO 2 beliefert. Hierfür werden ökono mische sowie ökologische Quellen angezapft und zum Teil bereits vorhandene Pipelines genutzt. Ein System, das weiter ausgebaut wird. Mittelfristig soll sich der Bedarf sogar verdoppeln. unterirdische CO 2 - Speicher CO 2 -Pipeline CO 2 -Pipeline (geplant) CO 2 -Versorgung von Gewächshäusern CO 2 -Versorgung von Gewächshäusern (geplant) Versorgungsgebiet OCAP Westland Lansingerland Zuidplaspolder 10 km FOTO: MIQUEL GONZALEZ; GRAFIK: OCAP CO2 B.V. Karriere als Klimakiller In früheren Zeiten war CO 2 keineswegs als Klimakiller verrufen, sondern als Heilmittel beliebt. So badeten die Römer vor etwa Jahren in sprudelndem CO 2 - haltigem Wasser, um ihre Durchblutung zu fördern. Die Wissenschaft kümmerte sich erst später um den S toff. Johan Baptista van Helmont gelang es um 1600, das Molekül zu isolieren. Dessen chemische Zusammensetzung entdeckte 1780 Antoine Laurent de Lavoisier. Und ein halbes Jahrhundert später schaffte es Michael Faraday erstmals, das Gas zu ver flüssigen. Die kommerzielle Nutzung von CO 2 scheiterte bis Mitte der 1950er-Jahre vor allem an fehlenden Transportmöglichkeiten. Das änderte sich, als es möglich wurde, CO 2 in flüssigem Zustand in druckfeste Stahlflaschen zu pressen. Ein Großteil der Verbrauchskosten entsteht heute noch durch die Logistik zwischen Quelle und > 10 DRÄGERHEFT / 2014

4 Tomatenpflanzen wachsen unter kontrollierten Bedingungen auf einem Substrat. Sie werden durch Leitungen bewässert und gedüngt. Die Bestäubung geschieht traditionell: durch Hummeln DRÄGERHEFT /

5 FOKUS KOHLENDIOXID Rund 70 Prozent des gehandelten CO 2 landen in der Lebensmittelindustrie > Verbraucher. So verdoppelt sich der Preis für eine Tonne geliefertes CO 2 nach einer Strecke von rund 300 Kilometern. Gleichwohl wächst der Markt jährlich um rund fünf Prozent wurden in Deutschland nach Angaben des Industr iegasverbands (IGV) rund Tonnen CO 2 verkauft. In ganz Europa waren es rund drei Millionen Tonnen. Reinigen mit CO 2 Rund 70 Pr ozent davon landen in der Lebensmittelindustrie. Sie nutzt CO 2 zum Konservieren und Kühlen von leicht verderblicher Ware oder karbonisiert Getränke damit. Noch geringer, jedoch steigender Druck und Temperatur Je nach Umgebungstemperatur und Druck wechselt das CO 2 zwischen vier verschiedenen Aggregatzuständen: Druck/Bar Feststoff Flüssigkeit Tripelpunkt 1 78,5 C 56,6 C +31 C überkritisches Fluid kritischer Punkt Gas Temperatur Trockeneis, Gas oder Flüssigkeit: Druck und Temperatur sind entscheidend Nachfrage erfreuen sich innovative Verfahren, die CO 2 für die lösungsmittelfreie Reinigung von metallischen Werkzeugen, als Additiv für Dieselpartikelfilter oder als Düngemittel bei der Herstellung von Biokraftstoffen nutzen (siehe auch Kasten; Seite 14). Gewonnen wurde das industr iell genutzte CO 2 anfänglich nur aus natür - lichen Quellen mit kohlensäurehaltigem Wasser. In Deutschland beispielsweise sind etwa 500 von ihnen bekannt. Sie finden sich vor allem in der Eifel, am Mittelrhein, in Ostwestfalen, an der Rhön, in Oberfranken und der Schwäbischen Alb. Heute fallen ausreichende Mengen an hochreinem CO 2 fast nur noch in großchemischen Prozessen an. u Bei Atmosphärendruck ist CO 2 ein farb- und geruchloses Gas. u Bei Temperaturen, die unter den Sublimationspunkt von minus 78,5 Grad Celsius sinken, geht das Molekül in die feste Phase ( Trocken eis ) über. u In die flüssige Phase wechselt es bei Temperaturen höher als minus 56,6 Grad Celsius und einem Druck über 5,11 Bar ( Tripelpunkt ). u Seinen überkritischen Zustand erreicht das Molekül bei einem Druck von mindestens 73,8 Bar und einer Temperatur von mindestens 31,0 Grad Celsius ( kritischer Punkt ). Etwa bei der Herstellung von Ammoniak, einem Vorprodukt für Stickstoffdünger, bei der Herstellung von Ethylen, einem Vorprodukt für Frostschutz- und Reinigungsmittel, oder in Raffinerien. Für viele Chemieunternehmen ist das einstige Abfallprodukt dadurch zum lukrativen Rohstoff geworden, den sie an Gaslieferanten verkaufen. Diese wiederum suchen nach interessierten Verbrauchern oder profitablen Geschäftsideen. Dabei ist der Erfolg keineswegs garantiert. Die Textilreinigungskette Fred Butler ist seit 2006 ein Beispiel dafür. Das Geschäftsmodell baute auf ein patentier - tes Reinigungsverfahren, das flüssiges CO 2 zur Reinigung von Kleidung und Schuhen nutzte. Als dichtes Medium aus nicht polaren Molekülen kann flüssiges CO 2 ähnliche nicht polare Substanzen wie Öle und Fette ohne den Einsatz von Lösungsmitteln entfernen. Durch Beimischung biologisch abbaubarer Zusatzstoffe lässt sich die Reinigungskraft auf weitere Verunreinigungen ausdehnen. Zudem verbraucht ein Waschgang weniger Energie als her kömmliche Verfahren, da die Waschflüssigkeit weniger stark aufgeheizt werden muss. Bis 2011 sollte Fred Butler mit rund 200 Waschsalons in ganz Eur opa vertreten sein. Doch daraus wurde nichts, da die innovative Technologie auf dem preis aggressiven Markt der Textilreinigung nicht schnell genug konkurrenzfähig wurde. Heute ist Fred Butler wieder vom Markt verschwunden. Gut Ding will manchmal Weile haben. Frank Grünberg Schutz vor dem Treibhausgas: mit Dräger-Atemschutzund -Messtechnik. > FOTO: THE LINDE GROUP; GRAFIK: PICFOUR 12 DRÄGERHEFT / 2014

6 Flüssiges Kohlendioxid wird auch zum Schockfrosten empfindlicher Lebensmittel eingesetzt: Es kühlt die Umgebungsluft innerhalb weniger Sekunden unter den Gefrierpunkt von Wasser ab. Durch den schnellen Abkühlungsprozess bleiben Wassergehalt, Nährstoffe sowie Vitamine dort, wo sie hingehören im Produkt DRÄGERHEFT /

7 FOKUS KOHLENDIOXID Tausendsassa im technischen Einsatz Mahlen, Frosten, Reinigen: CO 2 hat sich bei vielen Anwendungen als Problemlöser etabliert selbst im überkritischen Aggregatzustand. CO 2 : als Gas Düngen: Pflanzen wachsen, indem sie mithilfe von Sonnenlicht, Wasser und CO 2 Zuckermoleküle erzeugen (Fotosynthese). In Treibhäusern wird CO 2 oft als Düngemittel eingesetzt. Erfrischen: Die Getränkeindustrie reichert viele Produkte mit CO 2 an. Das sprudelnde Gas muss in diesem Anwendungsfall einen Reinheitsgrad von 99,5 Prozent aufweisen: Maximal fünf von Gasteilchen dürfen von der Molekülstruktur des CO 2 abweichen. Interessant: Das eingesetzte CO 2 wird häufig mit Kohlensäure (H 2 CO 3 ) gleichgesetzt. Der überwiegende Anteil des CO 2 wird jedoch physikalisch gelöst, chemisch gebildete Kohlensäure entsteht nur in geringem Maße. Konservieren: Leicht verderbliche Lebensmittel werden mit Folien verschweißt, die sie in eine Atmosphäre aus CO 2 und Stickstoff hüllen. Dieses Gasgemisch schützt die Waren vor dem Kontakt mit chemisch aggressivem Sauerstoff und damit vor Oxidation und Fäulnis. Für Menschen ist CO 2 in geringen Mengen und innerhalb gewisser Grenzen ungefährlich. Endoskopieren: Bei endoskopischen Untersuchungen oder Operationen werden Organe wie der Darm durch Einleitung von CO 2 geweitet. Der Arzt erhält dadurch freie Sicht. Abwässer neutralisieren: Der Gesetzgeber fordert für industrielle Abwässer einen ph-wert zwischen 6,5 und 9,5, damit sie in die Kanalisation oder offene Gewässer geleitet werden dürfen. Alkalische Abwässer werden vielfach mit schwach saurem CO 2 neutralisiert. Trinkwasser aufbereiten: Für die Qualität des Trinkwassers spielt die exakte Einstellung des ph-werts eine entscheidende Rolle. Mithilfe von CO 2 lässt er sich präzise regulieren, sowohl bei zu weichem als auch bei zu hartem Wasser. Schweißen: Beim Metall-Aktivgas- Verfahren (Schweißen) schützt CO 2 das flüssige Metall unter dem Lichtbogen vor Oxidation durch den Luftsauerstoff. Das verbessert die Nahtqualität, sorgt für eine bessere Wärmeabfuhr und reichert das Schweißgut mit Kohlenstoff an. Feuer löschen: In Gasfeuerlöschern ist CO 2 Treib- und Löschmittel zugleich. Chemisch ist es sehr stabil (inert), weil es sich erst bei Temperaturen von rund Grad Celsius in seine Bestandteile auflöst. Da es schwerer als Luft ist, erstickt es den Brandherd. Gleichzeitig ist es leichter als Wasser und gefährdet damit auch in großen Mengen die Statik eines brennenden Gebäudes nicht.... als Festkörper Frosten: Festes CO 2 (Trockeneis) kühlt die Umgebungsluft innerhalb weniger Sekunden unter den Gefrierpunkt von Wasser ab. Wasserhaltige Lebensmittel gefrieren schlagartig (Schockfrosten). Diese Kühlmethode bietet sich dort an, wo der Betrieb von Gefrierschränken zu aufwendig ist, etwa in der Kabine von Passagierflugzeugen. Mahlen: Wasserlose Kunststoffe und Metalle verspröden bei tiefen Temperaturen und verlieren ihre Elastizität. Diese Eigen schaft macht sich die Recyclingindustrie zunutze, um Wertstoffe in zu verschrottenden Elektronikbauteilen sauber zu trennen. Die Platinen werden mithilfe von Trockeneis gefroren, anschließend zu Granulat gemahlen und mithilfe von Magneten, Sieben und Zentrifugen auseinandersortiert. Strahlen: Trockeneis-Pellets, die mit Schallgeschwindigkeit auf ein zu reinigendes Objekt geschossen werden, erzielen beim Auftreffen einen mehrfachen Rei nigungseffekt. Sie schlagen die Ver unreinigungen beim Aufprall mechanisch vom Untergrund und kühlen die Umgebung schockartig ab, was eine thermische Spannung zwischen der Ober fläche und den Schmutzpartikeln verursacht, die den Dreck abblättern lässt. Zudem lösen die CO 2 -Pellets Öle und Fette.... als Flüssigkeit Waschen: Im flüssigen Zustand eignet sich CO 2 als energiesparendes und umweltschonendes Reinigungsmittel für Textilien und Schuhe (siehe auch Seite 12; rechte Spalte).... im überkritischen Aggregatzustand Veredeln: Im überkritischen Zustand entwickelt CO 2 besondere chemische Lösungseigenschaften, die es erlauben, bestimmte Inhaltsstoffe aus Kräutern und Gewürzen zu gewinnen oder unerwünschte Aromastoffe zu entfernen. So lässt sich für Light-Ziga retten mithilfe von über kritischem CO 2 zu 95 Prozent Nikotin aus Tabak ziehen. Ähnliche Wirkungsgrade gelten für Koffein (bei Kaffee) und Teein (bei Tee). Der Vorteil der Hochdruckextraktion liegt darin, dass die Extrakte keine Lösemittel oder andere Rückstände enthalten. FOTO: THE LINDE GROUP 14 DRÄGERHEFT / 2014

8 KOHLENDIOXID FOKUS DRÄGERHEFT / 2014 Mit Trockeneis lässt sich auch reinigen wie hier der Lack anstrich in einer Werft. Und das ist nur eine der vielen Anwendungen von CO15 2