Arbeitsspektrum
Biogener Kohlenstoff

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 Brennmaterials an (Radiocarbon-Methode). Materialgruppen zu ermitteln.

Als Bestimmungsverfahren bietet sich die Bestimmung des ¹⁴C-Gehaltes im Kohlenstoff an. 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 (= δ¹³C-Wert) im Kohlenstoff des Brennmaterials kann nachgewiesen werden, ob der enthaltene Kohlenstoff ausschließlich organischer Natur ist, oder ob anorganischer Kohlenstoff (Carbonate) beigemischt ist.

Das β-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 hohen Halbwertszeit des ¹⁴C analytisch nicht von pflanzlichem Material der letzten Jahre zu unterscheiden. In beiden Fällen würde im Rahmen der Mess-unsicherheit 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 %.

Das zerkleinerte Probenmaterial wird getrocknet und in einer Verbrennungsapparatur (Bombenalorimeter) 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 δ¹³C-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.

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

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 preisbestimmend, zum anderen wird Strom, der aus Biomasse erzeugt, nach dem EEG (§ 8 EEG) mit einem deutlich höheren Tarif vergütet. Der An-lagenbetreiber 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.

Verbrennungsrohstoffe

• Holz
• Papier
• Pappe
• Kunststoffe (Mineralölprodukte)
• Klärschlamm
• Tiermehl

Verbrennung

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

Mit der Radiocarbon-Methode ist es auch möglich, so genannte Biokunststoffe (PET-Flaschen, Plastiktüten etc.), wie sie neuerdings z.B. von Mineralwasserproduzenten und Dis-kountern beworben werden, auf ihren Anteil an nachwachsenden Rohstoffen zu überprüfen.

Biokunststoff wird mit Hilfe neuartiger Technologien z.B. aus Melasse, einem Nebenprodukt der Zuckerherstellung, produ-ziert. Diese Verpackungs-Kunststoffe haben die gleichen Eigenschaften wie herkömmliche, erdölbasierte Kunststoffe, sind aber zum Teil oder zu 100 % aus nachwachsenden Roh-stoffen hergestellt und besser recycelbar.
Mit Hilfe der ¹⁴C-Bestimmung kann dieser Anteil an nachwachsenden Rohstoffen überprüft und quantifiziert werden.

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.