Pyrolyse

Pyrolyse oder pyrolytische Zersetzung (von altgriechisch pyr ‚Feuer‘, ‚Hitze‘<ref> Ehemals im Vorlage:Referrer (nicht mehr online verfügbar); abgerufen .Vorlage:Toter Link/Core (Seite nicht mehr abrufbar. Suche im Internet Archive) </ref> und lýsis ‚(Auf)Lösung‘)<ref>Wilhelm Gemoll: Griechisch-Deutsches Schul- und Handwörterbuch. München/Wien 1965.</ref> bezeichnet verschiedene thermo-chemische Umwandlungsprozesse, in denen organische Verbindungen (Startmaterialien) bei hohen Temperaturen und weitgehend unter Ausschluss von Sauerstoff gespalten werden.<ref>Publikationen

Schmidt, H.P., Hagemann N., Abächerli, F., Leifeld J., Bucheli T.

Pflanzenkohle in der Landwirtschaft : Hintergründe zur Düngerzulassung und Potenzialabklärung für die Schaffung von Kohlenstoff-Senken.

Agroscope Science, 112, 2021, 1–71.

Seite 9: "unter weitgehendem Ausschluss von elementarem Sauerstoff".</ref> Durch die hohen Temperaturen werden einige chemische Bindungen in den Startmaterialien gespalten, wobei durch den Sauerstoffmangel eine vollständige Verbrennung bzw. Oxidation verhindert wird. Die entstehenden Produkte sind vielfältig.<ref name="Watter"></ref>

Pyrolyse kommt in vielen technischen Verfahren zum Einsatz. Moderne Backöfen verfügen über eine Pyrolysefunktion. Hierbei wird der Innenraum des Ofens bei Temperaturen von bis zu 500 Grad vollständig ausgebrannt, so dass Fett und Essensreste zu Asche zerfallen, danach kann der Ofen viel einfacher gereinigt werden.<ref> In: Ehemals im Vorlage:Referrer (nicht mehr online verfügbar); abgerufen  </ref> Durch Pyrolyse kann Biomasse 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.<ref name="Watter" /> Chemisch gesehen ist auch das Cracken von Erdöl ein Pyrolyseverfahren, wird jedoch nicht so genannt.

Veraltete Bezeichnungen für die technische Pyrolyse sind Brenzen, trockene Destillation, zersetzende Destillation, Entgasung oder Verschwelung.<ref name="Watter" /> Das Bestimmungswort „Vorlage:Str trim“ in den Namen chemischer Verbindungen wie Brenzcatechin, Brenzschleimsäure und Brenztraubensäure geht hierauf zurück.

Begriffspräzision

Der Begriff Pyrolyse wird oft nicht ganz einheitlich verwendet.

Einerseits werden damit technische Prozesse bezeichnet, die eine unvollständige thermo-chemische Umwandlung anstreben, welche nicht über diese Phase der pyrolytischen Zersetzung hinausgeht. Andererseits wird die Phase der pyrolytischen Zersetzung bei der thermo-chemischen Umwandlung oft selbst als Pyrolyse bezeichnet.<ref name="Wilk"></ref> In dieser Bedeutung kann sie durchaus unerwünscht sein und beispielsweise beim Überhitzen oder schlechter Wärmeführung auftreten.<ref name="Römpp">Eintrag zu Pyrolyse. In: Römpp Online. Georg Thieme VerlagVorlage:Abrufdatum</ref>

Beim Brandverhalten von Holz wird der Begriff Pyrolyse auch für den Zeitpunkt gebraucht, an dem eine isolierende und schützende Schicht aus verkohltem Holz über dem Restholz entsteht.<ref name="Watter" />

Abgrenzung zur Vergasung

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, wodurch die Rohsubstanz weiter oxidiert wird und hauptsächlich gasförmige Produkte entstehen. Bei der Pyrolyse entstehen zwar auch Gase, allerdings sind das Ziel flüssige oder feste Produkte.<ref name="Wilk" />

Geschichte

Durch Pyrolyse gewonnener Holzteer und Pech sind die ältesten Kunststoffe der Menschheit. Es gibt Fundstellen in Italien, an denen Artefakte mit Birkenpech-Anhaftungen gefunden wurden, bei denen das Alter auf über 200.000 Jahre geschätzt wird, also mitten in die Neandertaler-Zeit Europas. Auch in der europäischen Mittelsteinzeit (8300–4000 v. Chr.) kannte man die Teer- und Pechgewinnung (Birkenpech) durch Pyrolyse. Dieses wurde besonders zum Kleben und Abdichten eingesetzt. Auch bei den Pfeilen des Ötzi wurde Birkenpech zum Verkleben benutzt.<ref name="Watter" /> Aus verschiedenen anderen Ausgangsprodukten wurden ab dem 18. Jahrhundert Teere hergestellt, z. B. aus Steinkohle. Später wurden auch die leicht flüchtigen Bestandteile durch Kondensation aufgefangen und auf diese Weise Substanzen wie Essigsäure, Methanol (Holzgeist) oder Aceton gewonnen. Dieses Verfahren wird Trockendestillation genannt.<ref>Eintrag zu Trockendestillation. In: Römpp Online. Georg Thieme VerlagVorlage:Abrufdatum</ref> Organische Pyrolysate (z. B. aus Hickoryholz, Holzessig) werden als Raucharoma verwendet.

Die Herstellung von Holzkohle mittels Pyrolyse ist seit mehreren Jahrhunderten bekannt.<ref name="Hofbauer"></ref>

Aktuell wird die Pyrolyse besonders als Mittel zur energetischen und stofflichen Nutzung nachwachsender Rohstoffe weiter erforscht.<ref name="Hofbauer" />

Chemie der Pyrolyse

Die pyrolytische Zersetzung ist eine Phase im Zuge einer thermochemischen Umwandlung eines Stoffes oder Stoffgemisches, die je nach Stoff bei ungefähr 150–700 °C erreicht wird. 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, d. h., Energie muss zugeführt werden.<ref name="Wilk" />

Produkte

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Holzkohle als Pyrolyseprodukt

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Holzkohle aus Eichenholz

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.<ref name="Watter" /> Grundsätzlich lässt sich sagen, dass mit höherer Temperatur und längerer Pyrolysedauer mehr gasförmige Produkte erhalten werden und mit niedrigeren Temperaturen und kürzeren Dauern eher flüssige Produkte.<ref name="Bridgwater"></ref> Werden Polymere pyrolysiert, entstehen oft die entsprechenden Monomere als Produkt.<ref name="Watter" /> 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.<ref name="Bridgwater" /> Die Pyrolyse von Biomasse ist eine Möglichkeit, organische Grundchemikalien wie Benzol oder Phenol biobasiert herzustellen, die aktuell nur aus fossilen Quellen hergestellt werden.<ref name="Xu"></ref><ref>Patent EP2494008B1: Verfahren mit Olefinrückführung zur katalytischen Pyrolyse von Biomasse und Kohlenwasserstoffmaterialien in einem Wirbelbettreaktor zur Herstellung von Aromastoffen. Angemeldet am , veröffentlicht am , Anmelder: University of Massachusetts, Anellotech Inc, Erfinder: George W. Huber et al.‌</ref>

Technische Pyrolysevarianten

Pyrolyseanlagen werden nach Art der Beheizung unterschieden. Bei direkter Pyrolyse werden heiße Gase über das Substrat geleitet, während bei der indirekten Pyrolyse der Reaktionsraum von außen erhitzt wird.<ref name="Watter" />

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,<ref name="Bridgwater" /> allerdings gibt es auch gröbere oder feinere Unterteilungen.<ref name="Hofbauer" />

Übersicht über verschiedene Typen der Biomassepyrolyse mit typischen Werten<ref name="Hofbauer" />

Pyrolyseart	Temperatur [°C]	Verweildauer	Heizrate	Anteil feste Produkte [%]	Anteil flüssige Produkte [%]	Anteil gasförmige Produkte [%]
Schnelle Pyrolyse	≈ 500	< 2–3 s	hoch	≈ 12	≈ 70	≈ 13
Mittelschnelle Pyrolyse	≈ 500	10–30 s	mittel bis hoch	≈ 25	≈ 50	≈ 25
Langsame Pyrolysen
Verkohlung	≈ 400	h–d	niedrig	≈ 35	≈ 30	≈ 35
Torrefizierung	≈ 250	10–60 min	niedrig	≈ 80	≈ 5	≈ 20

Schnelle Pyrolyse

Dieses Verfahren wird seit den neunziger Jahren intensiv beforscht und zielt auf die Produktion von flüssigem Pyrolyseöl ab. Es gibt verschiedene Anlagentypen, allerdings ist allen gemein, dass der Prozess sich in drei Teile teilt. Erst muss die Biomasse vorbereitet werden, z. B. durch Trocknung und mechanische Zerkleinerung. Danach erfolgt die kurzzeitige pyrolytische Zersetzung bei rund 500 °C. Das Produkt wird dann kondensiert und aufgereinigt und ggf. weiter veredelt. Die Prozessenergie kann teilweise durch die Verbrennung der unerwünschten festen und gasförmigen Reaktionsprodukte gedeckt werden.<ref name="Hofbauer" />

Um möglichst viel Pyrolyseöl zu erhalten, ist es wichtig, dass die Biomassepartikel sehr schnell erhitzt werden und dann sehr schnell wieder abkühlen. Das geht mit sehr speziellen technischen Anlagen einher. Außerdem müssen die Biomassepartikel dazu hinreichend klein sein.<ref name="Hofbauer" />

Mittelschnelle Pyrolyse

Die mittelschnelle Pyrolyse verläuft bei ca. 500 °C. Die Pyrolysemasse wird mittelschnell und für ca. 10 bis 30 Sekunden aufgeheizt. Diese Pyrolyseform befindet sich aktuell noch in der Pilotphase.<ref name="Hofbauer" />

Langsame Pyrolyse

Das Ziel von langsamer Pyrolyse ist die Herstellung von festen sekundären Energieträgern. Sie lässt sich noch weiter in Verkohlung und Torrefizierung unterteilen.<ref name="Hofbauer" />

Verkohlung

→ Hauptartikel: Holzkohle

Die Verkohlung oder Karbonisierung (vollständige langsame Pyrolyse) ist seit Jahrtausenden als Methode zur Holzkohleherstellung bekannt und wird bis heute kommerziell durchgeführt.<ref name="Hofbauer" />

Torrefizierung

→ Hauptartikel: Torrefizierung

Torrefizierung bezeichnet die thermische Behandlung von Biomasse ohne Luftzutritt, was zu einer pyrolytischen Zersetzung und Trocknung führt.

Anwendungen technischer Pyrolyse

Pyrolyse von nachwachsenden Rohstoffen

Pyrolyseverfahren werden als aussichtsreiche Technologien eingestuft, um nachwachsende Rohstoffe – besonders auf Lignocellulose-Basis – zu nutzen und fossile Energieträger zu verdrängen, daher wird seit längerem massiv an ihnen geforscht. Allerdings sind die Verfahren zurzeit noch nicht wirtschaftlich und ökonomisch von keiner großen Bedeutung.<ref name="Roy"></ref> Die Pyrolyse von Biomasse ist ein Schritt zur Gewinnung zahlreicher verschiedener Biokraftstoffe und Plattformchemikalien.<ref name="Bridgwater" /><ref name="Roy" />

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.<ref name="Roy" />

Die Pyrolyse von Biomasse wird in Form von pyrogener CO₂-Abscheidung und -Speicherung (PyCCS) auch als Mittel zur CO₂-Fixierung gesehen.<ref>Constanze Werner, Hans-Peter Schmidt, Dieter Gerten, Wolfgang Lucht, Claudia Kammann: Biogeochemical potential of biomass pyrolysis systems for limiting global warming to 1.5° C. Environmental Research Letters, 13(4), 2018, 044036. doi:10.1088/1748-9326/aabb0e</ref>

Pyrolyse von Abfällen

Pyrolyse ist eine wichtige Alternative zur Verbrennung für die Verwertung von Abfällen,<ref name="Ullmanns"></ref> wie Altreifen, Altholz oder Kunststoff.<ref> No-Waste-Technology GmbH; ehemals im Vorlage:Referrer (nicht mehr online verfügbar); abgerufen  </ref> 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.<ref name="UBA"></ref>

Daneben kann Pyrolyse auch als thermische Methode zur Bodensanierung bei Böden mit Öl-, Quecksilber- und Dioxinbelastung genutzt werden.<ref name="Gleis"> </ref>

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.

Kunststoffrecycling

→ Hauptartikel: Hamburger Verfahren

Zum Kunststoffrecycling wird eine Wirbelschicht-Pyrolyse nach dem sogenannten Hamburger Verfahren eingesetzt.

Sonstige Pyrolyseverfahren und Anwendungsfelder

• Schwelerei (Kohle)
• Acetylengewinnung durch das HTP-Verfahren
• das Cracken als Verfahren der Petrochemie zur Herstellung von aromatenreichem Benzin, das sich durch gute Klopffestigkeit auszeichnet (Pyrolysebenzin)
• Flash-Vakuum-Pyrolyse zur Synthese komplexer Strukturen wie Fullerenen
• Industrierußherstellung
• Kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff: Bei der Herstellung solcher Werkstoffe bildet die Pyrolyse einen wesentlichen Verfahrensschritt.
• Kokerei (Koks-Herstellung aus Braun- oder Steinkohle)
• Pyrolyse in Kombination mit gaschromatographischen Verfahren (z. B. GC/MS) zur Untersuchung und Bestimmung polymerer Materialien
• Wasserstoffgewinnung aus Wasser unter Verwendung von Plasmabrennern
• Selbstreinigende Backöfen arbeiten ebenfalls mit einer auf Pyrolyse basierenden Technik (jedoch mithilfe von Sauerstoff)

Technische Probleme

Wird zum Beispiel durch fehlerhafte Dichtungen Sauerstoff eingesaugt, kann es bei zu niedrigen Temperaturen zur Bildung eines explosiven Gemischs kommen.<ref>Hedlund F.H., 2023, Inherent Hazards and Limited Regulatory Oversight in the Waste Plastic Recycling Sector – Repeat Explosion at Pyrolysis Plant, Chemical Engineering Transactions, 99, 241-246, DOI:10.3303/CET2399041.</ref><ref>Rollinson, A. N. (2018) ‘Fire, explosion and chemical toxicity hazards of gasification energy from waste’, Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 54, pp. 273–280. doi:10.1016/j.jlp.2018.04.010.</ref> Zur Kontrolle des Explosionsrisikos ist eine Inertisierung erforderlich. Ab ca. 450 °C ist ein explosives Gemisch weniger wahrscheinlich, da der Sauerstoff dann sofort im Sinne einer Teilverbrennung mit dem brennbaren Reaktorinhalt (Gas, Kohlenstoff) reagiert.<ref name="Watter" />

Ein weiteres Problem ist, dass gasförmige Produkte (z. B. Teeröl) an Kältebrücken kondensieren und in der Folge an undichten Stellen heraustropfen können.<ref name="Watter" />

Umweltaspekte

Bei industriellen Pyrolyseverfahren – sowohl historisch bei der großtechnischen Kohleverkokung als auch in modernen Anlagen – fallen prozessbedingt beträchtliche Mengen minderwertiger, wasserhaltiger Abfallteere, schwerer Öle und saurer Harze als Koppelprodukte an.<ref>Peter Quicker (Hrsg.): Sachstand zu den alternativen Verfahren für die thermische Entsorgung von Abfällen. Umweltbundesamt, 2017, S. 46, 53–55.</ref> In der Vergangenheit wurden diese hochgiftigen Stoffe mangels wirtschaftlicher Verwertungskonzepte oft unsachgemäß und ohne jegliche Bodenabdichtung in der Umgebung der Werke entsorgt. Durch diese ungesicherte Verkippung in nahegelegene Gruben, Senken oder Tagebaurestlöcher entstanden sogenannte Teerseen, die bis heute als schwere industrielle Altlasten das Grundwasser und den Boden gefährden und aufwendig saniert werden müssen.<ref> Lausitzer und Mitteldeutsche Bergbau-Verwaltungsgesellschaft mbH (LMBV), ; ehemals im Vorlage:Referrer (nicht mehr online verfügbar); abgerufen .Vorlage:Toter Link/Core (Seite nicht mehr abrufbar. Suche im Internet Archive) </ref><ref> Thüringer Landesamt für Umwelt, Bergbau und Naturschutz (TLUBN); ehemals im Vorlage:Referrer (nicht mehr online verfügbar); abgerufen .Vorlage:Toter Link/Core (Seite nicht mehr abrufbar. Suche im Internet Archive) </ref>

Obwohl solche flüssigen Rückstände auch in der modernen Pyrolysepraxis, zum Beispiel beim rohstofflichen Recycling von Altreifen oder Kunststoffen, kontinuierlich anfallen, werden sie unter Berücksichtigung der heute geltenden Umweltauflagen nicht mehr offen deponiert. Stattdessen unterliegen sie einer streng kontrollierten Sonderabfallentsorgung, bei der sie entweder in geschlossenen Systemen, zum Beispiel in Drehrohröfen, thermisch verwertet oder durch komplexe Trennverfahren als Sekundärrohstoff für die chemische Industrie aufbereitet werden.<ref>Thermische Behandlung Bundesumweltamt, abgerufen am 7. September 2026.</ref>

Weblinks

[[wikt:|Wiktionary: ]] – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

<references />