Bei der Pyrolyse werden organische Verbindungen bei hohen Temperaturen und unter Sauerstoffausschluss thermochemisch zersetzt. Die hohen Temperaturen spalten einige chemische Bindungen in den Startmaterialien, der Sauerstoffmangel verhindert eine vollständige Verbrennung.
Pyrolyse kommt in vielen technischen Verfahren zum Einsatz. So kann Biomasse dadurch gezielt in höherwertige Produkte wie Brennstoffe oder Chemikalien umgewandelt werden, aber auch beim klassischen Verkoken von Kohle und bei der Herstellung von Holzkohle finden Pyrolysevorgänge statt. Chemisch gesehen ist auch das Cracken von Erdöl ein Pyrolyseverfahren.
Von der Pyrolyse abzugrenzen ist die Vergasung. Dabei handelt es sich ebenfalls um eine thermo-chemische Umwandlung, allerdings geht diese über die Pyrolyse hinaus. Bei der Vergasung kommt im Vergleich zur Pyrolyse ein Vergasungsmittel mit Sauerstoff oder Sauerstoffatomen zum Einsatz. Dabei entstehen durch die weitere Oxidation der Rohsubstanz hauptsächlich gasförmige Produkte. Bei der Pyrolyse entstehen zwar auch Gase, allerdings sind das Ziel flüssige oder feste Produkte.
Geschichte
Durch Pyrolyse gewonnener Holzteer und Pech sind die ältesten Kunststoffe der Menschheit. Bereits in der europäischen Mittelsteinzeit (8300–4000 v. Chr.) kannte man die Teer- und Pechgewinnung (Birkenpech) durch Pyrolyse. Dieses wurde besonders als Klebemittel und zum Abdichten eingesetzt. Ab dem 18. Jahrhundert stellten Menschen aus verschiedenen anderen Ausgangsprodukten (z.B. Steinkohle) Teere her. Später wurden auch die leicht flüchtigen Bestandteile durch Kondensation aufgefangen und auf diese Weise Substanzen wie Essigsäure, Methanol (Holzgeist) oder Aceton gewonnen (Trockendestillation). Auch die Herstellung von Holzkohle mittels Pyrolyse ist seit mehreren Jahrhunderten bekannt.
Chemie der Pyrolyse
Die Pyrolyse oder auch pyrolytische Zersetzung ist eine Phase im Zuge einer thermochemischen Umwandlung eines Stoffes oder Stoffgemisches. Diese wird je nach Stoff bei ungefähr 150–700 °C erreicht. Durch die Wärme werden in den großen organisch-chemischen Molekülen Bindungen gespalten und neue, kleinere Moleküle entstehen. Optisch ist eine Zersetzung des Stoffes zu erkennen. Da kein externer Sauerstoff anwesend ist, findet keine Verbrennung und keine Oxidation statt. Trotzdem können Reaktionen mit Beteiligung von Sauerstoffatomen stattfinden, wenn diese schon im Ausgangsstoff vorhanden sind. Die pyrolytische Zersetzung ist ein endothermer Prozess.
Bei der Pyrolyse entstehen komplexe Produktgemische aus festen (z. B. Holzkohle), flüssigen (Pyrolyseöl) und gasförmigen (Pyrolysegas) Produkten, wobei die genauen Anteile von den konkreten Bedingungen und dem Ausgangsstoff abhängen. Grundsätzlich lässt sich sagen, dass mit höherer Temperatur und längerer Pyrolysedauer mehr gasförmige Produkte erhalten werden und mit niedrigen Temperaturen und kürzeren Dauern eher flüssige Produkte.
Werden Polymere pyrolysiert, entstehen oft die entsprechenden Monomere als Produkt. Die Produkte können sowohl energetisch als Sekundärenergieträger genutzt werden, da sie hohe Energiegehalte aufweisen, als auch stofflich weiter genutzt werden, indem einzelne Chemikalien daraus gewonnen werden. Die Pyrolyse von Biomasse ist eine Möglichkeit organische Grundchemikalien wie Benzol oder Phenol biobasiert herzustellen, die aktuell nur aus fossilen Quellen hergestellt werden.
Technische Pyrolysevarianten
Pyrolyseanlagen werden nach Art der Beheizung unterschieden. Die direkte Pyrolyse leitet heiße Gase über das Substrat, während bei der indirekten Pyrolyse eine Erhitzung des Reaktionsraum von außen stattfindet. Daneben gibt es zahlreiche weitere Unterscheidungs- und Einteilungsmöglichkeiten, beispielsweise nach Substrat, Verweildauer oder Temperatur.
Eine häufig gewählte Einteilung, besonders bei der Pyrolyse von Biomasse, ist die Einteilung nach Reaktionsdauer. Oft wird in langsame Pyrolyse (engl. slow pyrolysis), mittelschnelle (engl. intermediate pyrolysis) und schnelle Pyrolyse (engl. fast pyrolysis oder flash pyrolysis) unterteilt, allerdings gibt es auch gröbere oder feinere Unterteilungen.
Schnelle Pyrolyse
Mit dem Ziel der Produktion von flüssigem Pyrolyseöl erforschen Wissenschafter dieses Verfahren seit den neunziger Jahren intensiv. Es gibt verschiedene Anlagentypen, allerdings ist allen gemein, dass der Prozess sich in drei Teile teilt. Biomasse wird durch z.B. Trocknung oder mechanische Zerkleinerung vorbereitet. Danach erfolgt die kurzzeitige pyrolytische Zersetzung bei rund 500 °C. Anschließend findet eine Kondensation, eine Aufreinigung und ggf. eine Veredelung statt. Die Verbrennung der unerwünschten festen und gasförmigen Reaktionsprodukte deckt die Prozessenergie teilweise.
Eine sehr schnelle Erhitzung sowie Abkühlung der Biomassepartikel führt zu einer hohen Ausbeute von Pyrolyseöl. Das geht mit sehr speziellen technischen Anlagen einher. Außerdem müssen die Biomassepartikel dazu hinreichend klein sein.
Mittelschnelle Pyrolyse
Die mittelschnelle Pyrolyse verläuft bei ca. 500 °C. Die Pyrolysemasse wird mittelschnell und für ca. 10 bis 30 Sekunden aufgeheizt.
Langsame Pyrolyse
Das Ziel von langsamer Pyrolyse ist die Herstellung von festen sekundären Energieträgern. Sie lässt sich noch weiter in Verkohlung und Torrefizierung unterteilen.
Anwendungen technischer Pyrolyse
Pyrolyse von nachwachsenden Rohstoffen
Wissenschafter stufen Pyrolyseverfahren als aussichtsreiche Technologien ein, um nachwachsende Rohstoffe – besonders auf Lignocellulose-Basis – zu nutzen und fossile Energieträger zu verdrängen. Allerdings sind die Verfahren zurzeit noch nicht wirtschaftlich und ökonomisch von keiner großen Bedeutung. Die Pyrolyse von Biomasse ist ein Schritt zur Gewinnung zahlreicher verschiedener Biokraftstoffe und Plattformchemikalien.
Die pyrolytische Herstellung von Produkten bietet im Vergleich zur konventionellen Herstellung auf fossiler Basis ein großes Potential zu Treibhausgasreduktion. Dabei hängt die genaue Bilanz besonders von Nutzung der Pyrolyseprodukte und der Art der Biomasse ab.
Pyrolyse von Abfällen
Pyrolyse ist eine wichtige Alternative zur Verbrennung für die Verwertung von Abfällen, wie Altreifen, Altholz oder Kunststoff. Viele derartige Anlagen werden in Asien, besonders in Japan betrieben und wurden auch in Deutschland getestet. Für Deutschland bewertet das Umweltbundesamt die Abfallpyrolyse eher kritisch und hält höchstens eine pyrolytische Vorbehandlung von Abfällen unter bestimmten Umständen für sinnvoll.
Bei Böden mit Öl-, Quecksilber- und Dioxinbelastung eignet sich Pyrolyse auch als thermische Methode zur Bodensanierung.
Aktivkohleherstellung und -regenerierung
Nachdem Kohle und Binder zu einer definierten Masse gemischt sind, werden Pellets gepresst und in einer sauerstofffreien Atmosphäre erhitzt. Verbrauchte, d. h. mit dem Schadstoff belastete Aktivkohle wird in einer sauerstofffreien Atmosphäre erhitzt und die Schadstoffe werden bei Temperaturen um die 800 °C ausgetrieben und auch teilweise gecrackt.
Dieser Eintrag basiert auf dem Artikel Pyrolyse aus der freien Enzyklopädie Wikipedia. Es gilt die GNU-Lizenz für freie Dokumentation. Eine Liste der Autoren ist auf Wikipedia verfügbar.