Allgemeine Informationen über CO₂

Was ist CO₂?

Kohlendioxid ist die Kombination von zwei Sauerstoff-Atomen mit einem einzigen Kohlenstoff-Atom. Seine chemische Formel heisst CO₂ (Kohlendioxid), welches auch öfters anstelle des ausgeschriebenen Namens genannt wird und fast so bekannt wie die Formel von Wasser („H₂O“) ist.

Es liegt in der Natur, dass die gegenseitige Abhängigkeit der Pflanzen und Lebewesen durch die Verbindung von Kohlendioxid aufrechterhalten wird. Bei jedem Atemzug geben wir dieses für die Pflanzen lebensnotwendige Gas ab. Die Pflanzen separieren das Kohlenstoff-Atom vom Sauerstoff-Atom durch den Prozess der Photosynthese. Im Gegenzug geben die Pflanzen reinen Sauerstoff ab, welcher für uns lebenswichtig ist. Wir drehen den Prozess um, indem wir Sauerstoff mit Kohlenstoff aus den von uns gegessenen Lebensmitteln verbinden und somit wieder Kohlendioxid entsteht.

Kohlendioxid (CO₂), ein farbloses stabiles Inertgas (ca. 1 1/2 Mal schwerer als Luft) ist im Allgemeinen zu 0.03 % in der Erdatmosphäre vorhanden. Es ist geruchlos, schmeckt süsslich (Sodawasser) und ist sehr stabil (schwierig zu teilen). Hergestellt werden kann es durch die Verbrennung von Brennstoffen mit hohem Kohlenstoffgehalt. Der übliche Brennstoff ist Diesel, welcher, mit der richtigen Menge Luft vermischt und verbrennt werden. Dabei entsteht ca. 15 % CO₂ im Rauchgas einer CO₂-Anlage. Dieses CO₂ wird dann vom Rauchgas getrennt und nach weiterer Verarbeitung, für die verschiedensten kommerziellen Zwecke verwendet.

CO₂ kann in drei Formen existieren:

- als Gas (für die Getränke- und Lebensmittelindustrie)
- in flüssiger Form (im Lagerbehälter unter Druck als komprimiertes Gas)
- in fester Form Trockeneis (für Kühl-/Strahlzwecke etc.)

Gasförmiges CO₂

Gasförmiges CO₂ kann unter Druck verflüssigt werden, vorausgesetzt, seine Temperatur ist unter 31 °C. Diese Temperatur wird als der „KRITISCHE PUNKT“ bezeichnet. Durch die Verdichtung und Kühlung unter dem kritischen Punkt, wird eine farblose Flüssigkeit mit einer vergleichbaren Dichte von Wasser hergestellt. CO₂ bleibt in der flüssigen Form, solange seine Temperatur unterhalb dieses kritischen Punktes bleibt. Es wird jedoch gasförmig, sobald seine Temperatur über jenem kritischen Punkt ansteigt, ungeachtet, welcher Druck angewendet wird.

Flüssiges CO₂

Flüssiges CO₂ kann unbegrenzt gelagert werden unter:

Hoch- oder Niederdruck

Hochdruck CO₂:
Hochdruck-Flüssig-CO₂ wird durch Verdichtung von gasförmigem CO₂ in einem mehrstufigen Kompressor hergestellt. In diesem Stufenverdichter wird eine Dichte von ca. 69 bar erreicht. Das verdichtete CO₂ wird dann auf ca. 18 °C runtergekühlt. Danach wird es in speziellen konstruierten Stahlflaschen abgefüllt. Flüssiges CO₂ kann somit wie Wasser gewogen werden. Dies ist die übliche Messmethode.

Niederdruck CO₂:
Als Alternative kann CO₂ auch in Niederdruck gelagert werden. Dies wird durch Entspannung von Hochdruck-CO₂ zu einem tieferen Druck oder durch Kühlung erzielt. Es wird dann in speziell konstruierten Lagertanks aufbewahrt. Diese Lagertanks sind stark isoliert und ein eingebautes Kühlaggregat gewährleistet dem inneren Tank einen Druck von oder unter 21 bar sowie -18 °C Temperatur. Druckschalter sind eingebaut, um das Kühlaggregat zu kontrollieren. Sicherheitsmechanismen sowie ein elektrischer Alarm sind zusätzlich montiert. Dadurch kann der Tankdruck einen Alarm ablassen und kann im Falle einer Fehlfunktion dieses Kühlaggregat ablösen.

Niederdruck-CO₂ wird in einem isolierten Strassentankwagen oder Anhänger (in manchen Ländern in Bahntankwagen) transportiert. Das flüssige CO₂ wird einfach von mobilen zum stationären Lagertank mittels Pumpen oder Schwerkraft gefüllt.

Flüssiges Kohlendioxid kann nicht wie Wasser in der Atmosphäre existieren. Es muss unter Druck bzw. gekühlt gehalten werden (oder einer Kombination dieser beiden), um die flüssige Form beizubehalten.

Festes CO₂ (allgemein bekannt unter „Trockeneis“)

Trockeneis wird aus flüssigem CO₂ hergestellt. Wenn der Druck von flüssigem CO₂ plötzlich entspannt, geht ein Anteil von diesem flüssigen CO₂ in den festen Zustand über (wird zu Trockeneisschnee), und der Rest fällt als Gas an. Wenn dieser Schnee hydraulisch oder mechanisch verdichtet wird, werden Blocks oder Pellets geformt. Das als Gas angefallene CO₂ kann zurückgewonnen werden und dann durch Wiederverdichtung wieder verflüssigt werden. Damit kann es wieder in den Trockeneisproduktionprozess  (Trockeneismaschine oder Trockeneispelletizer) gespeist werden.

Die Temperatur von Trockeneis beträgt – 79 °C, und in der Atmosphäre geht es direkt vom festen in den gasförmigen Zustand über, ohne Feuchtigkeit oder Spuren zu hinterlassen ausser Kälte.

CO₂ ist unser Leben

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Vom flüssigen CO₂ zum Trockeneis

Kohlendioxid hat 3 physikalische Stadien. Diese sind gasförmig, flüssig und fest und unterscheiden sich durch die Temperatur und Dichte.

Woher kommt CO₂: 
CO₂ wird aus mehreren Bezugsquellen wie der Verbrennung von fossilen Brennstoffen, Fermentation, natürlichen Quellen sowie als Nebenprodukt von chemischen Prozessen, wie zum Beispiel aus der Ethylenoxid- oder Bioethanolproduktion und bei der Ammoniakherstellung, gewonnen.

Solides CO₂ (Trockeneis):
CO₂ kann unterhalb des Tripelpunkts (5.18 bar, -56.6 °C) nur in solider (fester) Form und gasförmig existieren. Solides CO₂ wird in der Umgangssprache Trockeneis genannt. Trockeneis hat eine Temperatur von -79 °C, und es kehrt direkt in den gasförmigen Zustand zurück (sublimiert). Diese Sublimation hinterlässt keine Rückstände. Trockeneis ist nicht giftig, nicht entflammbar, inert, geruchslos und bakterienhemmend. Es ist weiss und hat eine Härte von ca. 1‘500 kg/m3 in seiner kompakten Form. Trockeneis ist ein qualifiziertes Kältemittel für verschiedenste Anwendungen. Es hat eine enorme Kühlkapazität, und der Temperaturtransfer ist bei direktem Kontakt zum zu kühlenden Material sehr hoch.

Die flüssige Form:
Flüssig-CO₂ hat eine Temperatur zwischen -56.6 °C und 31 °C und hat einen Druck von über 5.2 bar und weniger als 74 bar. Das bedeutet, dass CO₂ bei einem Druck unter 5.2 bar nur in festem oder gasförmigen Zustand existieren kann. Bei 5.2 bar und -56.6 °C existieren alle drei Formen (fester, flüssiger und gasförmiger Zustand). Dies nennt man den Tripelpunkt.

Der „kritische Punkt“ liegt bei einer Temperatur von ungefähr 31 °C und bei einem Druck von ca. 74 bar. Normales Flüssig-CO₂ kann nur bei Temperaturen unter 31 °C geformt werden. Über dem „kritischen Punkt“ kann keine klare Trennung von Flüssig- und gasförmigen CO₂ festgestellt werden. Die flüssige Form ist notwendig, um CO₂ zu lagern und zu transportieren sowie bei Kühl- und Gefrieranwendungen. Es wird eine Temperatur von -79 °C beim Ablass von Flüssig-CO₂ in die Atmosphäre erreicht. Dies bedeutet eine enorme Kühlkapazität aufgrund der verdampften Wärme in der Umgebungsluft .

Der gasförmige Zustand:
CO₂-Gas hat eine Dichte von ca. 1.9 kg/m3 bei atmosphärischem Druck und +15 °C. CO₂ zeichnet sich durch seine nützlichen Eigenschaften bei der Haltbarmachung von verpackten Lebensmitteln, im Explosions- und Feuerschutz, der Ungezieferbeseitigung und als Schutzgas beim Inert-Gas-Schweissen aus. Bei all diesen Anwendungen ist es wichtig, dass das CO₂-Gas den atmosphärischen Sauerstoff verdrängt und ersetzt. CO₂ wird ausserdem zur Anreicherung der Luft in Treibhäusern, bei der Lagerung von Früchten und Gemüse sowie für die pH-Kontrolle beim Aufbereiten von Trink- und Abwasser angewendet.