Prof. Dr. Matthias W. Haenel

Prof. Dr. Matthias W. Haenel, Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mülheim an der Ruhr

Prof. Dr. Matthias W. Haenel, Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mülheim an der Ruhr

Kohle ist kein Auslaufmodell. Mittelfristig wird ihre Bedeutung als Energieträger und als Rohstoff für die Industrie sogar zunehmen. Damit wir sie nachhaltig nutzen können, sind wir auch auf die Erforschung ihrer äußerst komplexen chemischen Struktur angewiesen.

In meiner Generation gehörte der Gang in den Kohlenkeller noch zum Alltag. Heute erreichen uns am Institut in Mülheim an der Ruhr Anrufe wie der einer Großmutter, die ihrem Enkel gern ein Stück Kohle zeigen möchte, aber nicht weiß, woher sie es beziehen soll. Man heizt mit Öl oder Gas, kocht am Elektroherd und fährt im ICE allenfalls an einem Kraftwerk vorbei, das mit Kohle Strom erzeugt und so den Zug am Laufen hält. Woraus Kohle besteht und welche Rolle sie in unserer Gesellschaft nach wie vor spielt, ist kaum noch jemandem bewusst.

Kohle ist ein organisches Sedimentgestein und aus Sicht der Chemie eine nahezu nicht flüchtige, unlösliche, nicht kristalline Mischung aus organischen Molekülen unterschiedlicher Größe und Struktur, die zudem noch verschiedene Mineralien enthalten. Kohle gehört zu den komplexesten Stoffsystemen überhaupt, deren vernetzte Makromoleküle man nur mittels empirischer Durchschnittsstrukturen beschreiben kann.

Der uneinheitliche Aufbau der Kohlensorten (siehe Infobox) hat mit ihrer Entstehung zu tun. Alle Kohlen sind aus urzeitlichen Pflanzen entstanden, jedoch in verschiedenen Umgebungen und über verschieden lange Zeiträume. In der biochemischen Phase, also zu Beginn der Inkohlung, zersetzten Mikroorganismen die vor allem aus Zellulose und Lignin bestehenden Pflanzenbestandteile zu Torf. Wurde der Torf von Sedimentschichten überlagert, bildete sich in der nachfolgenden geochemischen Phase über Jahrmillionen durch Druck und Temperatur sowie durch Einlagerung von Mineralien zuerst Braunkohle, dann Steinkohle und schließlich Anthrazit.

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Unsere mitteldeutsche Braunkohle entstand vor 50 bis 60 Millionen Jahren, während die Lausitzer und die rheinische Braunkohle „nur” 5 bis 25 Millionen Jahre alt sind. Diese Vorkommen, die weltweit zu den größten gehören, lagern zwischen zehn und einigen hundert Meter tief im Boden. Die bedeutendsten Steinkohlenflöze im Ruhr- und Saargebiet bildeten sich vor etwa 300 Millionen Jahren und liegen teilweise in Tiefen von über 1.000 Metern. Anthrazit indes findet man bei uns nur wenig. Je tiefer die Kohle im Boden lagert, umso aufwendiger ist in der Regel ihre Förderung. So übertreffen unsere wirtschaftlich, im Tagebau gewinnbaren Braunkohlevorkommen diejenigen von Steinkohle oder gar Anthrazit um ein Vielfaches.

Die jeweilige Zusammensetzung einer Kohlensorte, insbesondere ihr Wassergehalt, ihr Anteil an Kohlenstoff und ihre von den Mineralstoffen abhängige Qualität, prädestiniert sie für unterschiedliche Nutzungen. Braun- und jüngere Steinkohlen werden hauptsächlich verstromt. Insbesondere aus Steinkohlen gewinnt man aber auch wertvolle Chemierohstoffe. Ältere Steinkohlen eignen sich speziell zur Herstellung von Koks, der ein gefragter Rohstoff für die Stahlproduktion ist. Anthrazitbriketts schließlich setzt man meist zum Heizen ein.

Als Folge der rasant steigenden Erdöl- und Gaspreise sind auch die Verfahren zur Verflüssigung der Kohle zu Treib- und Chemierohstoffen wieder weltweit aktuell, die nach dem zweiten Weltkrieg von billigem Erdöl verdrängt worden waren. Nach Südafrika setzen heute ebenso die USA und asiatische Länder auf diese Alternative. In Deutschland dürften solche Verfahren wenig Zukunft haben. Die Techniken dazu sind zwar vor 70 Jahren hier entwickelt worden, aber die heimischen Braunkohlenbestände sind für die Stromerzeugung reserviert und die Politik hat sich auf den Ausstieg aus der Steinkohlenförderung festgelegt.

In allen Veredelungsprozessen werden Kohlemakromoleküle gespalten. Dabei fällt CO2 an. Und weil bei der Kohle das molare Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoff etwa 1:1, bei Erdöl etwa 2:1 und bei Erdgas 4:1 beträgt, entsteht aus der Verbrennung von Kohle prozentual mehr CO2 als bei Öl oder Gas. Zur Klimavorsorge sind deshalb in Zukunft die Abtrennung und Speicherung von CO2 mit einzubeziehen. Hierfür müssen Chemie und Technik die notwendigen Verfahren bereitstellen, denn auf die Kohle als Teil des Energiemix können wir zumindest mittelfristig nicht verzichten.

In der Entwicklung von Technologien für Kraftwerksbau, Verbrennung und Vergasung von Kohle ist Deutschland noch immer gut aufgestellt. Nachholbedarf besteht bei der Forschung zur Verflüssigung und Kohlechemie. Hier haben Japan, USA und nun auch China die Führung übernommen, weil man bei uns Anfang der Neunzigerjahre der Meinung war, man wisse genug, und die Forscher in Frühpension schickte. Die Erforschung der Kohlestruktur war und ist jedoch weit mehr als nur ein akademisches Anliegen.

Acht Fragen an Professor Haenel

Prof. Matthias Haenel, was zeichnet die chemische Struktur der Kohle unter allen anderen Stoffen aus, die von der Chemie erforscht werden?

Die äußerst komplexe Mischung aus zum größten Teil organischen und zum kleineren Teil anorganischen Verbindungen, die je nach Inkohlungsgrad der Kohle und Gegend der Entstehung sehr unterschiedlich ist. Es gibt kein einheitliches Kohlemolekül, das man für die nahezu unlöslichen und auch nicht destillierbaren organischen Bestandteile einer bestimmten Kohlensorte angeben könnte. Wir können die unterschiedlichen Makromoleküle von einer Kohle eines bestimmten Inkohlungsgrades nur mit statistischen Durchschnittsstrukturen beschreiben. Solche empirischen Modelle unterliegen laufenden Veränderungen und Verfeinerungen, sobald aus der Forschung neue Erkenntnisse zugänglich werden.

Woraus bestehen die organischen Komponenten der Kohlemakromoleküle?

Kohle ist über viele Jahrmillionen aus der Biomasse von abgestorbenen Pflanzen entstanden, meist aus Holz, das chemisch gesehen vor allem aus Zellulose, Hemizellulosen und Lignin zusammengesetzt ist. Zellulose und Hemizellulosen werden von Bakterien leicht in Zuckermoleküle gespalten, die im Stoffwechsel der Mikroorganismen verbraucht werden. Lignin ist gegen eine chemische und mikrobiologische Zersetzung sehr viel robuster. Deshalb geht man allgemein davon aus, dass die organische Substanz von Kohlen überwiegend aus Lignin entstanden ist. Das Lignin wird in den Zellwänden von Pflanzen durch enzymatische Oxidationsprozesse von drei sehr ähnlichen molekularen Bausteinen, sogenannten phenolischen Allylalkoholen, gebildet und hat selbst bereits eine äußerst komplizierte makromolekulare Netzwerkstruktur, die in ihren Grundzügen erst in den Fünfzigerjahren u. a. vom Heidelberger Chemiker Karl Freudenberg entschlüsselt werden konnte, dann aber infolge ihrer weiteren Erforschung bis in die heutige Zeit noch ganz erheblich verfeinert wurde. Im Laufe des fortschreitenden Inkohlungsprozesses wurden dann diese Ligninstrukturen durch geochemische Reaktionen stetig verändert, weiteres fossiles Pflanzenmaterial eingebunden sowie noch verschiedenste anorganische Verbindungen und Mineralien eingelagert.

Inwiefern unterscheidet sich die Kohle chemisch von den fossilen Rohstoffen wie Erdöl und Erdgas?

Erdöl ist meist maritimen Ursprungs, entstanden aus abgestorbenen Kleinstlebewesen wie Plankton, die sich im Meer absenkten, von Sedimentschichten überlagert und in Gesteine eingebunden wurden. Nur in geringen Mengen und unter sehr speziellen Bedingungen ging es aus Kohlevorkommen hervor. Erdgas, als letzte Stufe der Stoffmetamorphose, entstand sowohl aus Kohle wie aus Erdöl. Aufgrund der unterschiedlichen organischen Ausgangsmaterialien besteht Erdöl vor allem aus kettenförmigen Alkanen und ist, chemisch gesprochen, überwiegend aliphatischer Natur, während Kohle hauptsächlich aus aromatischen Struktureinheiten aufgebaut ist. Ganz grob verallgemeinert, besitzt Kohle daher die chemische Zusammensetzung „ (CH) n“ und Erdöl „ (CH2) n“. Erdgas besteht aus Methan und hat die chemische Formel CH4. Dieses Verhältnis von Kohlenstoff zu Wasserstoff ist auch dafür verantwortlich, dass Kohle bei der Nutzung eine schlechtere CO2-Bilanz hat als Erdöl und Erdgas.

Sie erforschen die Kohlestruktur seit drei Jahrzehnten. Woran arbeitet Ihre Arbeitsgruppe zurzeit?

In unseren Forschungsarbeiten zur Struktur von Kohlen haben wir neben spektroskopischen und physikalischen Untersuchungen vorrangig chemische Methoden eingesetzt, wobei unser Augenmerk vor allem bekannten und neuen chemischen Reaktionen zur Spaltung von Kohlenstoff–Kohlenstoff- und Kohlenstoff–Sauerstoff-Bindungen galt. Da für die gängigen Methoden der chemischen Strukturaufklärung meist entweder lösliche oder verdampfbare Moleküle notwendig sind, sollten zunächst einige ausgewählte chemische Bindungen der unlöslichen Kohlemakromoleküle gespalten werden, um lösliche Kohlefragmente für eine genauere Charakterisierung zu erhalten. Die Kenntnis, welches chemische Reagenz welche Bindung im Kohlegerüst angreift, erweitert letztlich auch unser Wissen zur Kohlestruktur. Zu diesem Zweck wurden vor allem metallorganische Reaktionen verwendet, aber u. a. auch strahlenchemische und mikrobiologische Methoden eingesetzt, Letztere in Zusammenarbeit mit Mikrobiologen der Universität Bonn, denen wir in Bezug auf die kohlechemische Thematik beratend zur Seite standen. Im Zuge dieser Untersuchungen zur Kohlenstoff–Kohlenstoff-Bindungs-Spaltung haben wir auch organische Bor-Verbindungen mit Kohlen und Kohlemodellverbindungen umgesetzt.

Das führte zu neuen Erkenntnissen?

Ja, wir haben entdeckt, dass Steinkohlen, insbesondere hoch inkohlte Steinkohlen wie Ess- und Magerkohlen sowie Anthrazit, mit Wasserstoff in Gegenwart von bestimmten Borverbindungen einer umfassenden Hydrierung, d. h. Wasserstoffaddition an C–C-Doppelbindungen von Aromaten, sowie einer teilweisen Hydrogenolyse, d. h. Spaltung von C–C-Einfachbindungen mit Wasserstoff, zugänglich werden. Die Reaktion ist insofern recht bemerkenswert, als diese hoch inkohlten Steinkohlen als chemisch weitgehend unreaktiv galten und sich bisher nur in Verbrennungs- oder Vergasungsprozessen nutzen ließen. Mit den Bor-Verbindungen stehen erstmalig molekular gelöste, sogenannte homogene Katalysatoren für Umsetzungen von Steinkohle mit Wasserstoff zur Verfügung. Sogar eine lösungsmittelfreie Festkörper-Hydrierung der gepulverten Steinkohle mit gasförmigen Boran-Katalysatoren wird möglich. Für technische Anwendungen muss die Aktivität dieser Katalysatoren allerdings noch deutlich gesteigert werden, woran wir derzeit intensiv arbeiten.

Kann diese Forschung auch für die Braunkohle nützlich sein?

Die katalytische Hydrierung/Hydrogenolyse mit Boran-Katalysatoren ist für Braunkohlen wegen ihres hohen Sauerstoffgehaltes weniger geeignet, denn die Boran-Verbindungen reagieren mit dem in der Kohlestruktur gebundenen Sauerstoff und werden dadurch aufgebraucht. Andererseits wird in unserem Institut auch an katalytischen Konversionsverfahren für Lignin geforscht. Ein Konversionsverfahren für Lignin wird sich möglicherweise auf Braunkohle übertragen lassen, denn die Struktur von Braunkohle liegt derjenigen von Lignin noch recht nahe.

Welchen Beitrag kann die Kohlechemieforschung ganz allgemein leisten, damit Kohle klimaschonender genutzt werden kann?

Das zuvor geschilderte Beispiel aus unserer eigenen Forschung zeigt, wie grundlegende Untersuchungen zur Kohlestruktur zu einer neuen katalytischen Umsetzung von Kohle, in diesem Fall von hoch-inkohlten Steinkohlen, führen können. Ob solche neuen Reaktionen zu Kohlekonversionsverfahren entwickelt werden können, die für das Klima weniger belastend sind als schon bestehende Prozesse, muss dann im Einzelnen sehr genau untersucht werden, doch öffnen sie immerhin neue Perspektiven hierzu. Bessere Kenntnisse der Kohlestruktur ermöglichen generell eine Optimierung bestehender Prozesse hinsichtlich des Einsatzes von Rohstoffen und Energie und vermindern somit auch die Belastung der Atmosphäre. Aber Kohlechemie ist nicht nur Kohlestrukturforschung, sondern hierzu gehören auch Prozesse chemischer Veredlung und Konversion zu marktfähigen Energieträgern, gasförmigen oder flüssigen Treibstoffen und chemischen Rohstoffen sowie auch alle chemischen Prozesse, die zur Vermeidung und Abtrennung schädlicher Emissionen eingesetzt werden.

Zum Beispiel?

Die Entschwefelung und Entfernung von Stickoxiden aus dem Abgas von Kohlekraftwerken, heute Stand der Technik, betrachte ich als Teilgebiete von Kohlechemie und Kohletechnologie. Zur Schonung des Klimas wird man in Zukunft auch die Abtrennung und Speicherung von CO2 mit einbeziehen müssen. Prinzipiell ist dies möglich, doch für die Entwicklung der notwendigen physikalisch-chemischen und chemischen Verfahren muss noch intensive Forschungsarbeit geleistet werden. Für eine nachträgliche Entfernung von CO2 aus dem Abgas von Kohlekraftwerken entwickelt die chemische Industrie spezielle stickstoffhaltige Lösungsmittel und neuerdings werden hierfür auch Verfahrenskonzepte mit verflüssigtem Ammoniak oder Aktivkoksen untersucht. Damit CO2 erst gar nicht ins Kraftwerksabgas gelangt, kann man durch Kohlevergasung und katalytische Gaskonvertierung ein Gas herstellen, das im Wesentlichen nur aus Wasserstoff und CO2 besteht. Nach der Abtrennung von CO2 entsteht bei der anschließenden Verbrennung des Wasserstoffs in einer Gasturbine ein Abgas, das nur Wasserdampf und den Stickstoff der Verbrennungsluft enthält. Das abgetrennte CO2 kann man anschließend unter Tage speichern oder auch mithilfe von Katalysatoren in Kunststoffe wie Polycarbonate oder Polyurethane einbinden. Ich denke, anhand dieser wenigen Beispiele wird erkennbar, welchen wichtigen Beitrag Kohlechemie bzw. auch die Chemie generell für eine „Clean Coal Technology“ schon leistet und in Zukunft noch zu leisten vermag.

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Links zum Thema

Publikationen zum Thema

M. W. Haenel: Catalysis in Direct Coal Liquefaction. In Handbook of Heterogeneous Catalysis.

2. Aufl., Vol. 6 (Hrsg.: G. Ertl, H. Knözinger, F. Schüth, J. Weitkamp). Wiley-VCH 2008, S. 3023–3036.

M. W. Haenel: 80 Jahre Fischer-Tropsch-Synthese – Renaissance eines Klassikers der Kohleverflüssigung.

Erdöl Erdgas Kohle 2006, 122, S. 78–80.

M. W. Haenel: Recent Progress in Coal Structure Research.

Fuel 1992, 71, S. 1211–1223.

M. W. Haenel, G. Collin, M. Zander: Kohlechemie – Stand, Forschungsrichtungen und Perspektiven.

Erdöl Erdgas Kohle 1989, 105, S. 71–74 und 131–138.