Arbeitsblatt 3 Verbrennungsvorgang Lernziele: Die Voraussetzungen für eine Verbrennung nennen. Den Verbrennungs- und Explosionsvorgang beschreiben. Verbrennungsprodukte und ihren Einfluss auf die Umwelt beschreiben. Pflicht- Aufgabe 11 Seiten Ausgangslage: Die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen ist ein chemischer Vorgang bei welchem die Stoffumwandlung einerseits Wärme, und andererseits luftbelastende Schadstoffe entstehen. Als Sanitärfachperson ist man bestrebt, einen Gasverbrennungsapparat mit einer möglichst optimalen, kontrollierten Verbrennung und mit kleinstmöglicher Schadstoffbelastung zu planen und in Betrieb zunehmen. Hilfsmittel: Lehrmittel Gasversorgung Seite 14-19, Internet www.erdgas.ch
Fachinformation 1: Im Lehrmittel Gasversorgung Kapitel 3 finden Sie die Informationen zum Verbrennungsvorgang und zu dessen Produkte, den Luftschadstoffen. Auftrag 1: Lesen Sie den Abschnitt 3.1 und markieren Sie mit einem gelben Leuchtstift die drei Grundvoraussetzungen, welche bei einer Verbrennung benötigt werden. Notieren Sie zu jeder Art je 3 verschiedene Brennstoffe Form Brennstoffe fest flüssig gasförmig Nennen Sie zwei Vorgänge, mit welchen Sie eine Verbrennung beeinflussen, bzw. kontrollieren können. Ein Aufstellen von Gasverbrennungsapparaten ist nicht überall zulässig. Zählen Sie fünf in der Luft verbotene Stoffe auf, welche am Aufstellungsort eines Gasapparates zu einer Explosion im Raum führen können.
Auftrag2: Lesen Sie den Abschnitt 3.2 zuerst ganz durch, dann markieren Sie den Abschnitt "für Erdgas gilt" mit einem gelben Leuchtstift. Berechnen Sie die fehlenden Werte und ergänzen Sie die unten stehende Tabelle. Auftrag 3: Bei einer optimalen Verbrennung werden alle Teile der Kohlenwasserstoffverbindung mit Sauerstoff oxidiert. Es entsteht als Verbrennungsprodukt immer Kohlendioxid und Wasserdampf. Zeichnen und bestimmen Sie in den folgenden Beispielen die O 2 - / CO 2 - / H 2 O- Anteile für eine optimale Verbrennung von Propan und Butan.
Fachinformation 2: Die Sanitärfachperson muss eine schlechte, unvollständige Verbrennung am Flammbild erkennen um sofortige Massnahmen treffen zu können. Der Sanitärplaner muss den Reparateur aufbieten, der Sanitärinstallateur muss den Apparat sofort richtig einregulieren. Auftrag 4: Im Abschnitt 3.2 markieren Sie den Abschnitt "Merke" mit einem gelben Leuchtstift. Nennen Sie drei negative Auswirkungen welche bei einer unvollständigen Verbrennung entstehen können. Auftrag 5: Im Abschnitt 3.4 werden die Flammbilder einer vollständigen und einer unvollständigen Verbrennung dargestellt und beschrieben. Zeichnen Sie mit Farben ein optimales Flammbild und nennen Sie vier optische Erkennungsmerkmale.
Fachinformation 3: Als Sanitärfachperson werden Sie von Kunden, aber auch von Freunden und Verwandten auf die Luftschadstoffe bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen angesprochen. Da Erdgas von dieser Problematik nicht ausgeschlossen ist, erwartet man von Ihnen, dass Sie über die Luftschadstoffe und ihre Auswirkungen Bescheid wissen. Auftrag 6: Lesen Sie den ersten Teil von Kapitel 3.5 auf Seite 17 zweimal durch. Zeichnen und bestimmen Sie in den folgenden Beispielen die Verbrennungsprodukte für eine vollständige, und für eine unvollständige Verbrennung von Methan. Nennen Sie vier weitere Luftschadstoffe welche bei der Verbrennung von anderen Brennstoffen wie Flüssiggasen, Heizöl, Holz oder Steinkohle auch noch entstehen können.
Auftrag 7: Lesen Sie den zweiten Teil von Kapitel 3.5 auf Seite 18 zweimal durch. Benennen Sie in der untenstehenden Skizze die Art der Schadstoffverteilung in die Umwelt mit den richtigen Begriffen und unterstreichen Sie diese. Schreiben Sie zu jeder Art mindestens fünf Möglichkeiten von Schadstoffen. Nennen Sie zu 2 vier Folgen welche durch diese Stoffe in der Umwelt entstehen. Möglichkeiten von Schadstoffen
Auftrag 8: Lesen Sie den Abschnitt 3.6 Zählen Sie zu 3 der auf der vorigen Seite abgebildeten Skizze mindestens acht Gesundheitsgefährdungen auf, welche durch die Luftbelastung auf den menschlichen Körper entstehen können.
Zusätzliche Fachinformationen Luft Saubere Luft besteht aus 79% Stickstoff, 20% Sauerstoff sowie aus Edelgasen und Kohlendioxid. Hinzu kommen Spuren von Schwefeldioxid Saubere, natürliche Luft ist Leben für Pflanzen, Tiere und Menschen. Sie ist ebenso unentbehrlich wie Wasser und Erde. Während Jahrtausenden blieb die Zusammensetzung unserer Atmosphäre praktisch unverändert. Auch Naturereignisse wie Vulkanausbrüche und Waldbrände konnten die Luftzusammensetzung nicht längerfristig ändern, da das natürliche Reinigungssystem der Atmosphäre durch Ablagerung und Auswaschung eine unerwünschte Ansammlung von Luftfremdstoffen verhindern konnte. Insbesondere durch die Verbrennung fossiler Brenn- und Treibstoffe zur Energieerzeugung, bei industriellen Prozessen und in der Landwirtschaft gibt die Menschheit jährlich grosse Mengen von Gasen, Aerosolen und Staubteilchen in die Atmosphäre ab. Was wir heute atmen, ist nicht mehr saubere Luft, sondern ein schwach bis stark verschmutztes Gemisch. Dieses Schadstoffgemisch kann in der Nähe der Quelle und weit davon entfernt zu erheblichen und andauernden Belastungen des Menschen und seiner Umwelt führen. Saubere Luft besteht aus 79% Stickstoff, 20% Sauerstoff sowie aus Edelgasen und Kohlendioxid. Hinzu kommen Spuren von Schwefeldioxid, Kohlenmonoxid, Stickoxiden, flüchtigen organischen Verbindungen, Staub und bodennahem Ozon. Von der Quelle zum Wirkungsort Die Luft dient als Transportmittel (Transmission) für die verschiedensten Schadstoffe die von Anlagen, Fahrzeugen und Produkten an die Umwelt abgegeben werden (Emission). Diese Stoffe können nach ihrem Transport auf Menschen, Tiere, Pflanzen, Böden aber auch auf Sachgüter einwirken. Am Ort ihres Einwirkens spricht man von Immission.
Bei den meisten Luftschadstoffen ist in den letzten Jahren ein Rückgang der Belastung zu erkennen. Trotz dieser Verbesserung ist die heutige Luftbelastung, welche einen direkten Einfluss auf die Umwelt und auf die Gesundheit der Bevölkerung hat, zu hoch. Sie muss weiter reduziert werden, zumal in der Schweiz jährlich mehrere tausend Personen vorzeitig an den Folgen der Luftbelastung sterben. Luftschadstoffe In den letzten Jahren überstieg die Ozonbelastung die Immissionsgrenzwerte der Luftreinhalte- Verordnung (LRV) grossflächig und zum Teil erheblich. Die Konzentration von NO2 lag in den Städten und entlang von Hauptverkehrsachsen oft deutlich über den Grenzwerten. Mehrheitlich eingehalten wurden die Grenzwerte für SO2, CO, Schwebestaub (TSP), Staubniederschlag und Schwermetalle. Im Folgenden sollen die wichtigsten Luftschadstoffe kurz erläutert werden. Schwefeldioxid (SO 2 ) Schwefeldioxid ist ein farbloses, in höheren Konzentrationen stechend riechendes, gut wasserlösliches Reizgas, das Pflanze, Tier und Mensch beeinträchtigen oder schädigen kann. Es entsteht vor allem beim Verbrennen schwefelhaltiger Brenn- und Treibstoffe. Ab etwa 1950 stiegen die Emissionsmengen stark. Das Maximum der SO 2 -Emissionen wurde 1980 erreicht (116 000 t/a). Die Emissionen sind seither um mehr als zwei Drittel zurückgegangen. Vermischt mit Niederschlägen bildet sich schweflige Säure und Schwefelsäure, was zu saurem Regen führt, der vor allem den Säurehaushalt des Bodens und der Gewässer beeinflusst. Stickoxide (NOx) Der Begriff Stickoxide umfasst Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO 2 ). NO ist ein farbloses Gas, das in der Atmosphäre zu NO 2 umgewandelt wird. Bei Menschen kann es zu Atemwegerkrankungen, bei Pflanzen und empfindlichen Ökosystemen zur Überdüngung (Eutrophierung) oder in kombinierter Einwirkung mehrerer Schadstoffe zu Schädigungen führen. NOx sind wichtige Vorläufersubstanzen für die Bildung von sauren Niederschlägen («saurer Regen»), lungengängigen Feinstäuben und zusammen mit flüchtigen organischen Verbindungen und bei Lichteinwirkung von Ozon. Stickoxide entstehen beim Verbrennen von Brenn- und Treibstoffen, besonders bei hohen Verbrennungstemperaturen. Hauptquelle ist der Strassenverkehr. Flüchtige organische Verbindungen (VOC) Unter dem Begriff «flüchtige organische Verbindungen» versteht man eine Vielzahl von organischen Substanzen, die verdunsten und als gasförmige Schadstoffe in der Luft auftreten können. Es handelt sich dabei einerseits um Produkte aus der unvollständigen Verbrennung von Brenn- und Treibstoffen, anderseits um Lösungsmittel und Treibstoffe, die verdunsten können. Das Spektrum der VOC reicht von für Menschen nicht toxischen bis zu hochtoxischen und krebserzeugenden Verbindungen (zum Beispiel Benzol). Zusammen mit den Stickoxiden (NOx) sind die VOC Vorläufersubstanzen für die Ozonbildung.
Ozon (O 3 ) Ozon ist ein farbloses Gas mit etwas stechendem Geruch. Es ist eines der wichtigsten Spurengase in der Erdatmosphäre. In der Diskussion um die Umweltveränderung durch den Menschen steht es in zweifachem Zusammenhang: Unter dem Stichwort «Ozonloch» wird der Abbau der Ozonschicht in der Stratosphäre (20-50 Kilometer über der Erdoberfläche) diskutiert. Ein anderes Problem sind die während des Sommers in weiten Teilen Europas und Nordamerikas auftretenden übermässigen Konzentrationen von bodennahem Ozon. In zu hohen Konzentrationen ist das bodennahe Ozon unerwünscht, da es wegen seiner Aggressivität und Giftigkeit den Menschen und die Umwelt schädigen kann. Das Ozon, für das die Menschen verantwortlich sind, stammt nicht direkt aus den Schadstoffquellen. Es wird in der Atmosphäre unter Lichteinwirkung aus Stickoxiden (NOx) und flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) gebildet. Ozon ist der dominierende Bestandteil des Sommersmogs. Zur Ozonbildung ist intensive Sonneneinstrahlung notwendig; zudem begünstigen erhöhte Lufttemperaturen den Reaktionsablauf. Schwebestaub und Feinpartikel Die rückläufige Entwicklung der Gesamtstaubemissionen wurde durch die Grobstäube dominiert. Nicht zum Ausdruck kommen dabei die sehr feinen Verbrennungsaerosole, beispielsweise die Dieselruss- Emissionen des Verkehrs. Stäube mit einem Durchmesser von 10 Mikrometer oder weniger (PM10) sind ein bedeutender Teil des gesamten Schwebestaubes und machen mehr als die Hälfte der Immissionen aus. Sie sind stark lungengängig und können Atembeschwerden verursachen. Folgen der Luftbelastung Beeinträchtigung der menschlichen Gesundheit Verschmutzte Luft beeinträchtigt die Gesundheit. Bei erhöhten Schadstoffbelastungen treten häufige Beschwerden wie Atemnot, chronischer Husten und Auswurf sowie Erkrankungen der Atemwege auf. Ferner kommt es zu Einbussen der Lungenfunktionen, zu vermehrten Notfallkonsultationen und Spitaleintritten wegen Atemwegproblemen sowie zu Todesfällen. Ozongehalt der Luft und Auswirkungen auf den Menschen (Quelle: Ökologie, G. Müller, R. Obrist; Landwirtschaftliche Lehrmittelzentrale, Zollikofen) Ozon Zeit Auswirkungen, Symptome µg/m 3 120 13-30 min schwere Arbeit 240 13-30 min schwere Arbeit Schleimhautreizungen von Augen, Nase, Rachen und Hals; verminderte Leistungsfähigkeit. Häufung der Symptome von oben 240 2 h Arbeit Einschränkung der Lungenfunktion bei Schulkindern 300 1 h Arbeit Einschränkung der Lungenfunktion bei Erwachsenen 300 Höchster Stundenmittelwert eines Tages Augenreizungen bei empfindlichen Personen 400 2 h Beeinträchtigung der Anpassungsfähigkeit der Augen an die Dunkelheit >500 Höchster Stundenmittelwert eines Tages Husten, Brustschmerzen bei alltäglicher Tätigkeit.
Auch andere Untersuchungen zeigten, dass langandauernde mittlere Luftschadstoffbelastungen die Lungenfunktion messbar beeinträchtigen. Lag der Gehalt der lungengängigen Schwebestaubpartikel (PM10) in der Luft im Jahresmittel um 10 Mikrogramm pro Kubikmeter Luft höher, so war die Aufnahmekapazität der Lunge im Durchschnitt um über 3% vermindert. Das eingeschränkte Lungenvolumen ist zwar selbst keine Krankheit, doch vermindert es die körperliche Leistungsfähigkeit (Schwerarbeit, Sport). Beeinträchtigung von Umwelt und Ökosystemen Bei den heutigen sommerlichen Ozonbelastungen treten Schäden und Ertragseinbussen an landwirtschaftlichen Kulturen auf. Je höher die Ozonbelastungen, desto grösser sind die zu erwartenden Ertragsausfälle. Bei den heutigen Ozonwerten liegen die Ernteausfälle in der Schweiz je nach Anbauregion und Kultur bei 5 bis 15%. Andauernd erhöhte Einträge von Stickstoff aus der Luft durch Ammoniak, Stickoxide und deren Folgeprodukte führen zu einer Stickstoffanreicherung in den Böden. Diese Überdüngung hat bei empfindlichen Ökosystemen Veränderungen in der Artenzusammensetzung zur Folge. Gebäudeschäden werden vor allem durch Säuren (Stickstoffdioxid und Schwefeldioxid) verursacht, die gasförmig, mit Staubpartikeln oder mit dem Regen transportiert werden. Materialien wie gewisse Farbstoffe, Gummi und Kunststoffe können durch "Photooxidantien" wie Ozon angegriffen, ausgebleicht und zerstört werden. Ausserdem zerstört die Luftverschmutzung Kulturdenkmäler und Gebäude unwiederbringlich. Kosten der Luftbelastung Die Luftverschmutzung verursacht beträchtliche volkswirtschaftliche Schäden in der Höhe von jährlich mehreren Milliarden Franken. Allein die Gesundheitskosten durch die Luftverschmutzung erreichten 1993 rund 3 Milliarden Franken. Zu den Gesundheitskosten kommen weitere Schäden: Die Kosten durch die schadstoffbedingte Schwächung der Schutz- und Erholungsfunktion von Wäldern dürften 1990 zwischen 1 und 2,8 Milliarden Franken betragen haben, wobei etwa die Hälfte den Feuerungen und dem Verkehr angelastet wird, der Rest der Landwirtschaft (Ammoniumstickstoff). Die Schäden durch feuerungsbedingte Immissionen an Gebäuden bewegten sich im selben Jahr in der Grössenordnung einer halben Milliarde Franken. Die verkehrsbedingte Luftverschmutzung verursachte 1993 an Gebäuden Schäden von einer halben Milliarde Franken. Folgen der Luftverschmutzung sind zudem schwer bezifferbare Schäden wie Geruchsbelästigungen, die Beeinträchtigung des menschlichen Wohlbefindens, das Schwinden von Artenvielfalt und natürlichen Lebensräumen sowie die damit verbundene Wohlfahrtsverminderung. Gesetzgebung und Luftreinhaltestrategie Immissionsgrenzwerte und kritische Eintragswerte sind auf den langfristigen Schutz von Mensch und Umwelt ausgerichtet. Ziel der Luftreinhaltung ist der Schutz der menschlichen Gesundheit und der Umwelt vor schädlichen und lästigen Einwirkungen. Dieses Ziel ist in der Bundesverfassung und im Umweltschutzgesetz verankert. Dazu hat der Bundesrat die Immissionsgrenzwerte in der Luftreinhalte-Verordnung (LRV) nach den Anforderungen des Umweltschutzgesetzes festgelegt. Auch wenn die Immissionsgrenzwerte eingehalten sind, muss gemäss Vorsorgeprinzip im Umweltschutzgesetz die Belastung so weit wie möglich gesenkt werden. Die konsequent vollzogenen Luftreinhaltemassnahmen haben Wirkung gezeigt: Die Luftqualität hat sich gegenüber den achtziger Jahren erheblich verbessert. Bund und Kantone haben bisher eine ganze Reihe von Massnahmen getroffen, die zu einer Verminderung der Luftverschmutzung geführt haben. Mensch und Umwelt sind jedoch immer noch zu hohen Schadstoffbelastungen ausgesetzt. Wir müssen unsere Bemühungen für bessere Luft fortsetzen und verstärken.