NWA-Tag 2012 Lebenraum Erde. Beitrag zum Thema: Nachwachsende Rohstoffevom. Raps zum Kraftstoff. Dominic Huber, Hanna Maier, Julia Stiedel

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1 NWA-Tag 2012 Lebenraum Erde Beitrag zum Thema: Nachwachsende Rohstoffevom Raps zum Kraftstoff Dominic Huber, Hanna Maier, Julia Stiedel

2 Inhalt 1. Fachliche Informationen Seite 1 2. Bezug zum Bildungsplan Seite 3 3. Verschiedene Einsatzmöglichkeiten des Themas im Fach NWA Seite 4 4. Mögliche Versuche Seite 5 5. Quellenangabe Seite 7 6. Anhang Seite 8

3 1. Fachliche Informationen "Der Gebrauch von Pflanzenöl als Kraftstoff mag heute unbedeutend sein. Aber derartige Produkte können im Laufe der Zeit ebenso wichtig werden wie Petroleum und diese Kohle-Teer-Produkte von heute." Den Gedanken ein Auto mit einem Treibstoff anzutreiben, der aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt wurde, wurde bereits zu den Anfängen des Automobils gesponnen, wie z. B. von Rudolf Diesel bei der Patentierung seines Dieselmotors im Jahre Einzig die nötige Technologie fehlte bzw. konnte sich nicht durchsetzen. Aber zu Beginn des 21. Jahrhunderts, in Zeiten abnehmender Reserven fossiler Rohstoffe, spielen nachwachsende Rohstoffe, wie Beispielsweise Holz, Raps oder Soja eine immer bedeutendere Rolle. Auch im Hinblick auf den Umweltschutz und die Umwelterziehung bieten nachwachsende Rohstoffe die Möglichkeiten den Kohlenstoffdioxidverbrauch (CO 2 ) deutlich zu senken. Da nachwachsende Rohstoffe, wie ihr Name schon sagt, immer wieder nachwachsen, muss niemals befürchtet werden, dass Sie ausgehen. Zudem wird bei ihrem Verbrennen nur so viel CO 2 freigesetzt, wie die Pflanzen während ihres Wachstums, im Zuge der Fotosynthese, aufgenommen haben. Man spricht hier davon, dass nachwachsende Rohstoffe CO 2 -neutral sind. Somit wird weniger CO 2 in die Atmosphäre gegeben was zur Verbesserung des Treibhauseffekts beiträgt. Bereits früh dienten nachwachsende Rohstoffe, hier v.a. Holz, zur Energiegewinnung Aus diesen Gründen wurden nachwachsende Rohstoffe auch für die Autoindustrie immer interessanter. Hier spielte besonders der Biodiesel eine wichtige Rolle. Aber noch vor dem Biodiesel wurde in den 1970er Jahren Bioethanol in Südamerika produziert. Als Ausgangsstoff benutze man hier Zuckerrüben oder Zuckerrohr, deren Zucker durch die Gärung in Alkohol (Ethanol) umgewandelt wurde. Außerdem nutze man Pflanzenöle, wie beispielsweise Sonnenblumen- oder Rapsöl als Treibstoffe, die allerdings nur in umgerüsteten Dieselmotoren eingesetzt werden konnten. Erst später wurde auf Biodiesel gesetzt, dessen Ausgangsstoff ein bestimmtes Pflanzenöl ist. In Deutschland ist der Raps das hauptsächliche Ausgangsprodukt für Biodiesel. Verwendet werden jedoch bestimmte Sorten des Rapses, die für den Verzehr bzw. als Tierfutter nicht geeignet sind. Raps gehört zur Familie der Kreuzblütler, da seine gelben Blüten aus vier Blütenkronblättern bestehen, deren Anordnung an ein Kreuz erinnert (vgl. Lüders, S. 204ff, 2008). 1

4 Aus den Früchten des Rapses, den Rapssamen, wird über verschiedenen Möglichkeiten der Extraktion Rapsöl gewonnen. Chemisch gesehen ist Rapsöl ein Dreifachester des Glycerins mit verschiedenen Fettsäuren. Um aus dem Rapsöl Biodiesel herzustellen, muss es mit Methanol, einem Alkohol, zu Rapsölmethylester umgeestert werden. Als Nebenprodukt entsteht bei dieser Reaktion Glycerin. Diese Reaktion läuft bei ungefähr 70 C ab bei der Natriumhydroxid als Katalysator verwendet wird. In Deutschland werden, allein im ostfriesischen Leer, täglich Liter Biodiesel hergestellt. Biodiesel aus Rapsöl und aus fossilen Brennstoffen ähneln sich stark in ihren Eigenschaften, wie beispielsweise der Zähflüssigkeit (Viskosität) oder der Entzündungstemperatur. Trotz der scheinbar großen Vorteile, muss der Einsatz von Biodiesel auch kritisch gesehen werden, da beispielsweise für den Anbau von Raps wertvolle Ackerflächen, die für andere Nahrungsmittel verwendet werden könnten, verloren gehen. (vgl. Projekte interaktiv S. 61 ff.) 2

5 2. Bezug zum Bildungsplan Ein großes Ziel der naturwissenschaftlichen Bildung (der scientific literacy), welches auch vom Bildungsplan gefordert wird, ist es, Naturwissenschaftliches Wissen anzuwenden, naturwissenschaftliche Fragen zu erkennen und aus Belegen Schlussfolgerungen zu ziehen, um Entscheidungen zu verstehen und zu treffen, die die natürliche Welt und die durch menschliches Handeln an ihr vorgenommenen Veränderungen betreffen (BP S. 96) Folgende Kompetenzen können gefördert werden: Die Schülerinnen und Schüler können Hypothesen bilden Versuche planen Versuche durchführen Ergebnisse dokumentieren Veränderungen von Stoffen in natürlicher Umgebung beobachten( Wachsen und Entstehen) und gegebenenfalls im Versuch vertiefend beobachten Kresse-Versuch: Unterschiedliches Wachstum von Kresse unter Einfluss von Benzin und Biodiesel Stoffe, die im Alltag wichtig sind, experimentell durch. Trennungsverfahren darstellen. Extraktion von Rapsöl aus Rapssamen Der Fächerverbund NWA wird in den Klassen 5-7 themenorientiert unterrichtet. Unter den aufgeführten Themen findet man unter anderem den Punkt vom Rohstoff zum Produkt. In Klasse 10 wird NWA projektorientiert unterrichtet, hier sind folgende Punkte passend: Regenerative Energien, Fossile/nachwachsende Rohstoffe oder Landwirtschaft und Nahrungsmittelproduktion. 3

6 3. Verschiedene Einsatzmöglichkeiten des Themas im Fach NWA 4

7 4. Mögliche Versuche In dieser Ausarbeitung wurde hauptsächlich der chemische Aspekt betrachtet unter dem Unterthema vom Raps zum Kraftstoff. Im Folgenden werden beispielhaft einige Versuche vorgestellt. Diese befinden sich als Arbeitsblätter zusätzlich im Anhang. Zudem soll ein kurze Überblick über Sicherheitsvorkehrungen geben werden. Raps eine Ölsaat In diesem Versuch soll gezeigt werden, dass aus den Früchten der Rapspflanze, den Rapssamen, Öl gewonnen werden kann. Dabei werden mehrere Rapssamen zwischen zwei Rundfilterpapiere gelegt und beispielsweise mit einem Hammer oder Ähnlichem zerdrückt. Das dabei austretende Öl wird auf dem Filterpapier sichtbar. Um ein deutliches Ergebnis zu erlangen, müssen genügen Rapssamen verwendet werden. Tipp: Filterpapier gegen das Licht halten, um die Ölflecken besser sichtbar zu machen. Dieser Versuch ist schon in den unteren Klassenstufen möglich, da er relativ einfach in der Durchführung ist und keine Gefahrstoffe verwendet werden. Zu beachten ist lediglich der Umgang mit dem Hammer. Abb. 1: zerdrückte Rapsamen auf Filterpapier Abb. 2: Fettflecken auf Filterpapier Extraktion von Rapsöl von Rapssamen (Kaltextraktion) Dieser Versuch zeigt ebenfalls die Gewinnung von Öl aus Rapssamen, allerdingst ist die Herangehensweise um einiges komplizierter. Hier soll das Öl nicht nur sichtbar gemacht werden, sondern größere Mengen hergestellt werden um nachfolgend die Eigenschaften des hergestellten Öls zu untersuchen oder sogar zur Weiterverarbeitung zu nutzen (Biodiesel). Abb. 3: Rapssamen im Mörser Um das Öl extrahieren zu können, müssen die Rapssamen zunächst im Mörser zerkleinert werden. Zu den zerdrückten Rapssamen wird Aceton gegeben, welches das herausgepresste Öl löst. Um eine größtmögliches Ausbeute zu erreichen, sollte die Samen mit dem Aceton einige Zeit stehen gelassen werden, oder noch besser erhitzt werden (Heißextraktion). Abb. 4: Rapssamen + Aceton 5

8 Das Öl-Aceton-Gemisch wird abfiltriert, in eine flache Petrischale gegeben und unter dem Abzug abgedampft. Um Ressourcen zu sparen, wäre es natürlich von Vorteil das Aceton mit Hilfe einer Destillationsapparatur zurückzugewinnen. Abb. 5: Abfiltrieren des Raps-Aceton-Gemisches Abb. 6: extrahiertes Rapsöl Laut Sicherheitsvorschriften ist das Experimentieren mit Aceton ab der 5. Jahrgangsstufe erlaubt. Allerding bietet es sich an, diesen Versuch erst in höheren Klassenstufen durchzuführen, da es thematisch eher den höheren Klassenstufen zuzuordnen ist und zudem beim Umgang mit Aceton einige Sicherheitsvorkehrungen beachtet werden müssen (z.b. arbeiten unter dem Abzugevtl. Stationenarbeit). Herstellen von Biodiesel (aus Rapsöl) Die Herstellung von Biodiesel aus Rapsöl ist sehr arbeitsintensiv und zeitaufwendig. Außerdem kann es passieren, dass nicht das gewünschte Ergebnis erreicht wird (Umesterungen problematisch: Misserfolg!). Um Biodiesel aus Rapsöl herzustellen, muss das Rapsöl zunächst zusammen Mit Methanol im Wasserbad auf 70 C erwärmt werden. Anschließend muss in Methanol gelöstes Natriumhydroxid (NaOH) dazu gegeben werden. Um das Gemisch wieder zu neutralisieren, wird es mit Salzsäure versetzt, bevor nach einiger Zeit das hergestellte Biodiesel von den anderen Komponenten getrennt werden kann. Dieser Versuch ist nur in den höheren Klassen durchführbar, da Biodiesel in die Themen der 9. Und 10. Klassenstufen einzuordnen ist. Außerdem muss auch hier unter dem Abzug gearbeitet werden, da mit einigen Gefahrstoffen gearbeitet wird. Zudem dürfen die Schüler nicht mit Methanol (einem Alkohol) arbeiten. Der Versuchsansatz muss deshalb vom Lehrer hergestellt werden. Mit dem selbst hergestellten Biodiesel sind weitere Versuche möglich: Untersuchung der Viskosität Dichtebestimmung Zündverhalten Brennwert Vergleich mit Diesel: Vorsicht! Schüler dürfen nicht mit Diesel arbeiten, alternativ bietet sich Petroleum oder Dodecan an. 6

9 Umwelttest: Einfluss von Biodiesel, Rapsöl und Diesel auf Kresse Die Umweltverträglichkeit spielt bei Kraftstoffen eine wichtige Rolle. Vor allem Dieselkraftstoff und andere Produkte, die aus Erdöl hergestellt werden, sind schlecht biologisch abbaubar. Ihre Umweltverträglichkeit ist daher weitaus schlechter, als die von Biokraftstoff. Die Umweltverträglichkeit der verschiedenen Stoffe lässt sich an einem einfachen Versuch darstellen. Man nimmt ein Kressekästchen und teilt es in vier Teile. Jedes der Teile wird in ein Becherglas gegeben. Drei der vier Kresseteile werden entweder mit Biodiesel, Rapsöl oder Diesel versetzt, während der vierte Kresseteil als Kontrolle dient und falls nötig mit etwas Wasser begossen wird. Um die Verdunstung möglichst gering zu halten, werden die Bechergläser mit einem Uhrglas abgedeckt. Die verschiedenen Ansätze werden unter den Abzug gestellt um eine Geruchsbelastung zu verhindern. Nach ungefähr einer Woche erfolgt eine Auswertung des Versuchs. Dieser Versuch bietet sich in den höheren Klassenstufen an. Hier muss der Lehrer allerdings dabei sein (Sicherheit: Diesel). 7

10 5. Quellenangabe Literatur: Lüders, R. (2008): Grundkurs Pflanzenbestimmung. Eine Praxisanleitung für Anfänger und Fortgeschrittene. 4.Auflage.Quelle & Meyer Verlag. Wiebelsheim. Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg (2004): Bildungsplan für die Realschule. NWA. Projekte interaktiv: Naturwissenschaftliches Arbeiten (2007). Cornelsen Abbildungen: Alle Bilder dieses Beitrages sind selbst erstellt. Versuchsskizzen: Die Publizierung der Skizzen ( e-bw.de/unterricht/faecher/chemie/material/nuetzliches/skizze/) erfolgt mit Genehmigung des Landesbildungsservers Baden-Württemberg ( Bitte beachten Sie des LBS. 8

11 Raps- eine Ölsaat Versuchsanleitung: Lege auf ein Filterpapier mehrere Rapssamen und schlage ein paar Mal mit dem Hammer darauf. Was kannst du beobachten? Schau dir das Filterpapier genau an! Filterpapier Rapssamen Beobachtung:

12 Herauslösen (extrahieren) von Rapsöl aus Rapssamen Sicherheit: Schutzbrille, Abzug! Benötigte Chemikalien/Geräte: Aceton Mörser/Pistill 2 Erlenmeyerkolben Trichter + Filterpapier Versuchsanleitung: Zerreibe die Rapssamen in einem Mörser sehr gründlich, gib sie danach in einen Erlenmeyerkolben. Nun wird mit etwa 50 ml Aceton unter dem Abzug der Erlenmeyerkolben geschwenkt. Nach etwa 10 Minuten kannst du die Samen mit Hilfe eines Trichters und Filterpapier abfiltrieren. Fülle nun das Aceton-Gemisch in eine Petrischale und lasse die Schale unter dem Abzug abdampfen. Filterpapier Trichter Rapssamen Rapssamen Beobachtung:

13 Herstellung von Biodiesel aus Rapsöl Sicherheit: Schutzbrille, Abzug! Benötigte Chemikalien/Geräte: - Rapsöl - Becherglas - Magnetrührer - Methanol - Zweihalskolben - Pipette - Natriumhydroxid - Rückflusskühler - Peleusball - Salzsäure - Scheidetrichter - Wasser - Thermometer Durchführung: 50 g Rapsöl und 10 g Methanol werden im Rundkolben unter Rückflusskolben und Rührer im Wasserbad auf 70 C erhitzt. 0,2 g Natriumhydroxid werden in 5g Methanol gelöst und zum Rapsöl gegeben. Alles wird ca. 10 Minuten gerührt. Nach 10 Minuten wird Reaktionsgemisch mit 40 ml Salzsäure neutralisiert. Die Salzsäure wurde davor auf 60 C erwärmt. Es wird weitere 10 Minuten gerührt bis sich zwei Phasen gebildet haben. Diese können anschließend mit der Pipette getrennt werden. Dazu wird die untere Phase abgezogen. Abschließend kann dem Gemisch noch einmal Salzsäure hinzugefügt werden, sodass es nicht mehr alkalisch ist. Das übrig gebliebene Methanol und Glycerin kann mehrere Male mit destilliertem Wasser gewaschen werden. Um das Wasser anschließend zu verdampfen, wird das Gemisch auf 140 C erhitzt. Das Produkt kann nun auf seine Eigenschaften überprüft und mit gekauftem Biodiesel, Rapsöl oder normalem Diesel (Dodecan/Petroleum) vergleichen werden.

14 Umwelttest: Einfluss von Biodiesel, Rapsöl und Diesel auf Kresse Ein großer Nachteil von Dieselkraftstoff oder anderen erdölstämmigen Produkten ist die schlechte biologische Abbaubarkeit und damit schlechte Umweltverträglichkeit. So verseuchen geringe Mengen Erdöl oder Dieselkraftstoff große Mengen Boden und Grundwasser. 1 l dünnflüssiges Mineralöl kann l Wasser unbrauchbar machen. Zu beachten ist in diesem Zusammenhang jedoch, dass bei Unfällen usw. das Öl oftmals das Grundwasser nicht vollständig erreicht, weil es im Boden zurückgehalten wird und weil das Öl aufgrund seiner Viskosität ein schlechtes Fließverhalten hat. Somit kann Öl im Boden in gewissem Umfang mikrobiell abgebaut werden, bevor es das Grundwasser erreicht. Pflanzenöle sind dem Mineralöl hinsichtlich der biologischen Abbaubarkeit deutlich überlegen und gelten damit als umweltverträglicher. Damit wäre ihr Einsatz insbesondere in umweltsensiblen Bereichen wie dem Wald oder Wattenmeer sinnvoll. Durch diesen Versuch wird die Umweltverträglichkeit von Biodiesel, Rapsöl und Diesel verglichen. Arbeitsauftrag: Führe das im Folgenden beschriebene Experiment durch! Welche Aussagen kannst du nun über die Umweltverträglichkeit treffen? Benötigte Chemikalien/Geräte: Kressekästchen Vier Bechergläser Mit vier dazu passenden Urgläsern Biodiesel Rapsöl (Diesel) Versuchsanleitung: Ein Kressekästchen wird in vier Teile geteilt. Jeder Teil wird in ein Becherglas gesetzt und mit 0,5 ml Biodiesel, 0,5ml Rapsöl und 0,5ml Diesel versetzt. Der vierte Teil dient als Vergleich. Auf die Bechergläser wird ein Urglas gelegt, um die Verdunstung des Wassers möglichst gering zu halten. Je nach Luftfeuchtigkeit und Temperatur wird die Kresse bis zum Abschluss des Versuches ggf. zwischendurch gegossen. Um eine Geruchsbelästigung zu vermeiden, werden die Bechergläser in den Abzug gestellt. Nach etwa sieben Tagen wird der Versuch ausgewertet.