HYDROISOTOP GmbH
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Nachwachsende Rohstoffe, Sekundärbrennstoffe und die Radiokarbonmethode

Ausgangssituation
In Heizkraftwerken und energieintensiver Industrie werden zum Zwecke der Energiegewinnung Materialien verbrannt, welche sich ausschließlich aus organischen Bestandteilen zusammensetzen (hoher Heizwert). Dies sind zum einen Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen wie Papier, Pappe oder Holz (Biomasse), zum anderen brennbare Kunststoffe, die in erster Linie durch Polymerisation gewonnen werden, wie beispielsweise Polyethylen oder Polypropylen und chemisch langkettige Kohlenwasserstoffe darstellen.
Für die Befeuerung der Heizkraftwerke werden meist beide Arten an Brennmaterialien eingesetzt d.h. es werden Gemische aus Biomasse und Kunststoffen verwendet. Zur Bewertung des verwendeten Brennmaterials ist es von Bedeutung, die jeweiligen Massenanteile der beiden Materialgruppen zu ermitteln.
Als Messverfahren bietet sich die Bestimmung des 14C-Gehaltes im Kohlenstoff des Brennmaterials an (Radiocarbon-Methode).
Hierbei kann anhand der charakteristischen 14C-Gehalte des Kohlenstoffs der Biomasse und der Kunststoffe, unter Berücksichtigung des mittleren Kohlenstoffgehaltes der beiden Stoffgruppen, direkt der Anteil der Biomasse an einer Mischprobe ermittelt werden.
Durch die zusätzliche Bestimmung des Verhältnisses 13C/12C (= ð13C-Wert) im Kohlenstoff des Brennmaterials kann nachgewiesen werden, ob der enthaltene Kohlenstoff ausschließlich organischer Natur ist, oder ob anorganischer Kohlenstoff (Carbonate) beigemischt ist.

Grundlagen
Das ð-strahlende Kohlenstoffisotop 14C ist in Spuren im Kohlendioxid (CO2) der Atmosphäre enthalten. Im Laufe der erdgeschichtlichen Entwicklung hat sich in der Atmosphäre eine Gleichgewichtskonzentration von 14CO2 eingestellt. Sie entspricht derzeit 13,56 14C-Atom-Zerfällen je g Kohlenstoff pro Minute. Dieser Gehalt ist definiert als 100 % moderner Kohlenstoff (auch 100 pmc, percent modern carbon, oder in Deutschland kurz: 100 %-modern). Bedingt durch die Halbwertszeit von 5760 Jahren des radioaktiven Isotops, lässt sich das Kohlenstoffisotop 14C zur Altersbestimmung von historischen und prähistorischen Organismen und Substanzen (Radiocarbon-Methode) heranziehen.
Biologisches, d.h. pflanzliches Material wird über die Photosynthese aus dem in der atmosphärischen Luft enthaltenen Kohlendioxid aufgebaut. Der 14C-Gehalt des Kohlenstoffs in Materialien pflanzlichen Ursprungs entspricht daher genau dem des atmosphärischen Kohlendioxids, also 100 %-modern. Selbst wenn Papier, welches aus dem Holz eines Baumes gewonnen wurde, der bereits 50 Jahre alt war, im Brennstoffgemisch enthalten ist, so ist dieses aufgrund der großen Halbwertszeit des 14C analytisch nicht von pflanzlichem Material der letzten Jahre zu unterscheiden. In beiden Fällen würde im Rahmen der Messunsicherheit des Verfahrens das Messergebnis 100 %-modern betragen.
Der Kohlenstoff der Kunststoffe stammt auch heute noch praktisch ausschließlich aus fossilen Quellen (Erdöl). Dieses Material ist bereits so alt, dass keinerlei 14C darin enthalten ist. Der 14C-Gehalt des Kohlenstoffs aus den Kunststoffen entspricht somit 0 %-modern.
Zwischen diesen beiden Extremwerten (Biomasse 100 %-modern, fossile Quellen 0 % modern) ist kein anderer 14C-Gehalt bekannt bzw. auch nicht denkbar für Brennmaterialien. Hierdurch ist es möglich, durch eine geeignete Mischungsrechnung aus dem 14C-Gehalt eines Brennstoffgemisches den Biomasseanteil zu ermitteln. Diese Berechnung legt einen mittleren Kohlenstoffanteil der Biomasse von 44 % C zugrunde und für Kunststoffe 85 %.

Verfahren
Das zerkleinerte Probenmaterial wird getrocknet und in einer Verbrennungsapparatur (Bombenkalorimeter) vollständig verbrannt. Das hierbei gebildete Kohlendioxid (CO2), welches aus dem Kohlenstoff der Brennmaterialien stammt, wird in mehreren Reinigungsschritten aus dem Verbrennungsgas abgetrennt.
Ein Teil des CO2 wird zur Bestimmung des ð13C-Wertes verwendet, der größte Teil wird durch Einleiten in eine Absorberflüssigkeit in Lösung gebracht und nach Zugabe einer Szintillatorlösung zu einer Messprobe (Cocktail) angesetzt. In diesem Mess-Cocktail wird anschließend mittels Flüssigszintillations-Spektrometrie (LSC, Liquid Scintillation Counting) der 14C-Gehalt der untersuchten Probe bestimmt. Unter Berücksichtigung des mittleren Kohlenstoffgehaltes von Biomasse und Kunststoff, wird der Anteil der Biomasse an einer Mischprobe ermittelt.

Vorteil der Radiocarbon-Methode
Bei der Radiocarbon-Methode kann präszise nach Veraschung der nachwachsende Rohstoffanteil in einer direkten – eleganten – Messmethode über den Kohlenstoff selbst bestimmt werden.

Anwendungsbeispiel
Ein Kraftwerksbetreiber bekommt eine Charge Brennmaterial, zusammengesetzt aus Biomasse und Kunststoff, angeboten. Der Anbieter gibt eine bestimmte Zusammensetzung für die Ware an, dessen Richtigkeit überprüft werden muss.
Denn zum einen ist die Zusammensetzung des Brennstoffs qualitäts- und damit preisbestim-mend, zum anderen wird Strom, der aus Biomasse erzeugt, nach dem EEG (§ 8 EEG) mit einem deutlich höheren Tarif vergütet. Der Anlagenbetreiber hat somit in doppelter Hinsicht ein vitales Interesse, sich über die tatsächliche Zusammensetzung eines ihm angebotenen Brennstoffs zu vergewissern. Diese Bestimmung muss schnell und zuverlässig erfolgen.
Dies kann anhand der Isotopensignatur des Kohlenstoffs (14C) im Brennmaterial zutreffend
festgestellt werden.

Verbrennungsrohstoffe
• Holz
• Papier
• Pappe
• Kunststoffe (Mineralölprodukte)

Verbrennung
• Müllverbrennung
• Hausbrand
• Klärschlammverbrennung
• Kalkbrennen
• Stromerzeugung
• Wärmekraftwerke (Heizkraftwerke)
• Biokraftwerk

Weitere Anwendungen im Bereich der Biokunststoffe
Mit der Radiocarbon-Methode ist es auch möglich, so genannte Biokunststoffe (PET-Flaschen, Plastiktüten etc.), wie sie neuerdings z.B. von Mineralwasserproduzenten und Diskountern beworben werden, auf ihren Anteil an nachwachsenden Rohstoffen zu überprüfen. Biokunststoff wird mit Hilfe neuartiger Technologien z.B. aus Melasse, einem Nebenprodukt der Zuckerherstellung, produziert. Diese Verpackungs-Kunststoffe haben die gleichen Eigenschaften wie herkömmliche, erdölbasierte Kunststoffe, sind aber zum Teil oder zu 100 % aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt und besser recycelbar.
Mit Hilfe der 14C-Bestimmung kann dieser Anteil an nachwachsenden Rohstoffen überprüft und quantifiziert werden.

Weitere Anwendungen im Bereich der Biokraftstoffe
Auch der Anteil an Bioenthanol in Kraftstoffen kann mit der Radiocarbon-Methode überprüft werden. In Deutschland sind die Anforderungen und Prüfverfahren für Ethanol-Kraftstoff in der DIN-Norm DIN 51625 genormt.
Reines Ethanol weist unabhängig von seiner Herstellung immer die gleichen Eigenschaften auf. Es gibt keinen chemischen Unterschied zwischen fossilem Ethanol oder Bioethanol aus pflanzlicher Rohstoffquelle. Physikalisch weist Bioethanol jedoch einen wesentlich höheren Anteil an dem radioaktiven Kohlenstoffisotop 14C auf.

Akkredierung nach DIN EN ISO/IEC 17025:2005

Durch die DAkkS nach DIN EN ISO 17025 akkreditiertes Prüflaboratorium
Die Akkreditierung bezieht sich auf die in der Anlage genannten Prüfverfahren

Workshop

Am 19./20.Oktober 2017 veranstaltet die Hydroisotop GmbH einen Workshop zum Thema „Isotope im Grundwasser“.