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CO2

Entwicklung des CO2-Gehaltes in der Atmosphäre seit 1960.

CO2-Konzentration in der Atmosphäre in vergangenen 60 Mio Jahren im Vergleich zu den 419ppm heute. Quelle: Univ. Utah, USA

Kohlenstoffdioxid (im normalen Sprachgebrauch auch Kohlendioxid, oft fälschlich Kohlensäure genannt) ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff und gehört damit neben Kohlenstoffmonoxid (auch Kohlenmonoxid), Kohlenstoffsuboxid und dem instabilen Kohlenstofftrioxid zur Gruppe der Kohlenstoffoxide.

Kohlenstoffdioxid ist ein farb- und geruchloses Gas. CO₂ ist zunächst ein natürlicher Bestandteil der Luft. Dieser ist allerdings durch menschliche Einwirkung in den letzten Jahren von 280ppm (parts per million) auf 419ppm gestiegen und steigt stetig weiter. Es entsteht sowohl bei der vollständigen Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Substanzen unter ausreichendem Sauerstoff als auch im Organismus von Lebewesen als Kuppelprodukt der Zellatmung. Das CO₂ wird dabei über den Atem abgegeben. Umgekehrt sind Pflanzen, manche Bakterien und Archaeen in der Lage, CO₂ durch die Kohlenstoffdioxid-Fixierung in Biomasse umzuwandeln. So produzieren Pflanzen beispielsweise bei der Photosynthese aus anorganischem CO₂ Glukose.

Überkritische CO2 (sCO2)

Überkritisches (sCO2), oft auch superkritisches Kohlenstoffdioxid genannt, ist in einem Zustand, in dem es sowohl die kritische Temperatur als auch den kritischen Druck überschreitet. Es existiert dann als homogenes Fluid ohne unterscheidbare Gas- und Flüssigphase.

Im Vergleich zu überkritischem Wasser (ÜKW) sind die kritischen Bedingungen für deutlich milder:

Kritische Temperatur (Tc): 31,1 ^∘C
Kritischer Druck (pc): 73,8 bar (oder 7,38 MPa)

Diese relativ milden Bedingungen machen sCO2 zu einem praktikablen und vielseitigen industriellen Lösungsmittelek

Besondere Eigenschaften

sCO2 vereint vorteilhafte Eigenschaften von Gasen und Flüssigkeiten:

Löslichkeit (wie eine Flüssigkeit): Es hat eine hohe Dichte (ähnlich einer Flüssigkeit), was ihm ein starkes Lösungsvermögen für unpolare und lipophile (fettlösliche) Substanzen verleiht (z. B. Fette, ätherische Öle, Aromastoffe, Wachse). Polare Substanzen (z. B. Zucker, Salze, Aminosäuren) sind darin hingegen kaum löslich.
Diffusions- und Transporteigenschaften (wie ein Gas): Es besitzt eine geringe Viskosität und eine hohe Diffusionsgeschwindigkeit (ähnlich einem Gas), wodurch es sehr schnell und tief in poröse Materialien eindringen kann.
Einstellbare Lösungsmittelstärke: Die Lösungsmittelstärke von sC=2 lässt sich präzise über kleine Änderungen von Druck und Temperatur steuern. Eine Druckerhöhung erhöht typischerweise die Dichte und somit die Löslichkeit.
Umweltfreundlich und sicher: ist nicht toxisch, nicht brennbar und hinterlässt keine Rückstände im Endprodukt, da es nach der Anwendung einfach durch Druckentlastung wieder in den Gaszustand überführt und recycelt werden kann. Es wird daher oft als „grünes Lösungsmittel“ bezeichnet.

Wichtige Anwendungen

Die Kombination dieser Eigenschaften macht sc$\text{CO}_2$ zu einem idealen Medium für Prozesse in vielen Industrien:

Extraktion (Überkritische Fluidextraktion - SFE): Die wichtigste und bekannteste Anwendung. sCO2 wird verwendet, um selektiv wertvolle Substanzen aus Naturmaterialien zu gewinnen:
- Entkoffeinierung von Kaffee und Tee (selektive Entfernung des polaren Koffeins).
- Gewinnung von ätherischen Ölen und natürlichen Aromastoffen (z. B. aus Hopfen, Gewürzen, Kräutern).
- Gewinnung von Speiseölen und fetthaltigen Inhaltsstoffen (z. B. Omega-3-Fettsäuren).
Reinigung und Entfettung: Wird zur schonenden Reinigung und Entfettung von Präzisionsteilen (z. B. in der Elektronik- und Luftfahrtindustrie) sowie von Textilien (-Trockenreinigung) verwendet, da es keine schädlichen organischen Lösungsmittel benötigt.
Trocknung: Es dient zur schonenden Trocknung temperaturempfindlicher Materialien, z. B. bei der Herstellung von Aerogelen oder biologischen Proben für die Elektronenmikroskopie, da die Oberflächenspannung ist und somit kein Zerbrechen feiner Strukturen (Kapillarkräfte) verursacht wird.
Verfahrenstechnik: sCO2 wird als Arbeitsfluid in Wärmepumpen oder neuartigen Kreislaufprozessen zur Stromerzeugung (z. B. Allam-Zyklus) erforscht, da es hohe Wirkungsgrade bei kompakter Bauweise verspricht.

Bezug zur Geothermie

In den in der Geothermie genutzten Thermalwässern ist oft CO₂ in mehr oder weniger großen Konzentrationen enthalten. Obleich dieses CO₂natürlichen Ursprungs ist und somit nicht zum anthropogenen Kohlenstoff zählt ist es klimafreundlicher, es bei der Erdwärmenutzung nicht in die Atmosphäre zu entlassen. Dies wird entweder dadurch erreicht, dass der übertägige Thermalwasserkreislauf unter Druck gehalten wird, so dass das CO₂ gelöst bleibt, oder indem das CO₂ separiert wird, in einem Bypass um die Anlage geführt und dem Thermalwasser von der Reinjektion wieder zugemengt wird.

In der Tiefengeothermie kann sCO2 in verschiedenen Arten genutzt werde, in offenen oder geschlossenen unterirdischen Kreisläufen (anstelle des Themalwassers) aber auch in überirdischen Anlagenteilen.