Holzkohle

Holzkohle

Holzkohle ist ein fester Brennstoff und entsteht, wenn lufttrockenes Holz (auf 13 bis 18 % Wasser getrocknet) unter Luft­abschluss und ohne Sauerstoff­zufuhr auf 275 °C erhitzt wird (Pyrolyse). Die Temperatur steigt dabei von selbst auf 350 bis 400 °C an (Holzverkohlung, ähnlich der Verkokung von Kohle). Dabei verbrennen die leichtflüchtigen Bestandteile des Holzes. Als Rückstand erhält man neben gasförmigen Zersetzungsprodukten (siehe Methanol) etwa 35 % Holzkohle. Diese schlägt beim späteren Verbrennen keine Flammen und brennt mit einer höheren Temperatur als Holz.

Mit der gleichen Technik kann man auch Torf zu Torfkohle umwandeln. Torfkohle, die ähnliche Eigenschaften hat wie Holzkohle, war im 18. und frühen 19. Jahrhundert aufgrund von Holzknappheit recht verbreitet, ist heute aber kaum noch anzutreffen.

Eigenschaften und Zusammensetzung

Holzkohle ist der kohlenstoffhaltige Überrest von der Holzverbrennung bei begrenzter Luftzufuhr.

Holzkohle ist ein Gemisch organischer Verbindungen mit 81 bis 90 % Kohlenstoff, 3 % Wasserstoff, 6 % Sauerstoff, 1 % Stickstoff, 6 % Feuchtigkeit und 1 bis 2 % Asche.

Die Holzkohle bildet ein lockeres, schwarzes Produkt mit der scheinbaren Dichte von 450 kg/m³ (porös) und der wahren Dichte von 1400 kg/m³ (porenfrei). Wegen der vielen mikroskopisch kleinen Nischen, Vertiefungen, Kanäle und ähnlichem (Porenvolumen 70 bis 85 %, innere Oberfläche 50 bis 80 m²/Gramm) weist sie ein hohes Adsorptionsvermögen auf.

Holzkohle lässt sich verhältnismäßig leicht entzünden (200 bis 250 °C) und brennt ohne Flamme weiter, weil die flammenbildenden Gase bereits bei der Verkohlung entwichen sind. Die Verbrennungstemperatur der Holzkohle beträgt 800 °C.^[1]

Pro Kilogramm Holzkohle werden bei der Verbrennung etwa 28 bis 34 Megajoule an Energie frei. Sie verbrennt schwefelfrei.

Modell eines Kohlenmeilers (Albstadt Onstmettingen)

Versuch zur Herstellung von Holzkohle: Blechdose mit Holz in ein Feuer stellen

Herstellung

Holzkohle wird durch Erhitzen von Holz bei Luftabschluss hergestellt. Dabei werden abhängig von der Temperatur verschiedene Phasen des Pyrolyseprozesses unterschieden.

In der Initialphase kommt es bei Temperaturen von bis zu 220 °C vor allem zu einer Aufheizung und Trocknung des Materials, wobei vor allem Wasserstoff sowie Spuren von Kohlendioxid, Essigsäure und Ameisensäure entweichen. Bis etwa 280 °C vermehrt sich die Freisetzung dieser Stoffe in einer pyrolytischen Zersetzungsphase, die wie die Initialphase endotherm ist. Ab 280 °C kommt es zu einer starken exothermen Reaktion, bei der etwa 880 kJ/kg Holz als Energie freiwerden und den Prozess auf über 500 °C aufheizen. Hierbei entstehen brennbare Gase (siehe auch unter Holzgas), vor allem Kohlenmonoxid, Methan, Formaldehyd, Essig- und Ameisensäure sowie Methanol und Wasserstoff, die verbrennen und als Rauch austreten, die Struktur des Holzes verändert sich oberhalb von 400 °C von der fibrillären Struktur des Holzes in die kristalline Struktur von Graphit. Beim letzten endotherm ablaufenden Prozess werden die Rauchgase beim Durchtritt durch bereits verkohlte Schichten in brennbares Kohlenmonoxid und Wasserstoff aufgespalten, zurück bleibt die Holzkohle als Rückstand.^[2]

Verkohlung in Meilern und Haufen

Die älteste Methode der Holzkohlengewinnung (Kohlenbrennerei) ist der aus dem Altertum stammende Meilerbetrieb (Köhlerei), bei dem das Holz in annähernd halbkugel- oder kegelförmigen Haufen (Meilern) in großen Scheiten regelmäßig (und zwar stehend oder liegend) um drei in der Mitte errichtete Pfähle (Quandel) aufgesetzt und mit einer Decke von Rasen, Erde und Kohlenklein bedeckt wird. Unter dieser Decke leitet man die Verbrennung bei sorgsam geregeltem Luftzutritt in der Weise, dass möglichst nicht mehr Holz verbrennt, als unbedingt erforderlich ist, um die gesamte Holzmasse auf die Verkohlungstemperatur zu erhitzen.

Im Wesentlichen sollen nur die sich aus dem erhitzten Holz entwickelnden Gase und Dämpfe verbrennen. An der Farbe des entweichenden Rauchs erkennt man, ob die Verkohlung vollendet ist. Anschließend lässt man den Meiler abkühlen und nimmt ihn auseinander (Kohlenziehen, Kohlenlangen).

Früher verkohlte man das Holz besonders in Süddeutschland, Russland und Schweden in Haufen oder liegenden Werken. Die Verkohlung des geschichteten Holzes erfolgte nur allmählich von einem Ende des länglichen Haufens zum anderen. Die fertig verkohlten Stücke wurden nach und nach gezogen.

Verkohlung in Öfen

Ganz ähnlich wie in Meilern oder Haufen verläuft die Verkohlung in runden oder eckigen gemauerten Meileröfen, die eine leichtere, vollständigere Gewinnung der Nebenprodukte (Teer, Holzessig, die beim Meilerbetrieb in der Regel verloren gehen) gestatten, aber eine geringere Ausbeute und weniger gute Kohle liefern. Bei diesen Öfen tritt, wie bei Meilern und Haufen, Luft zu dem zu verkohlenden Holz, und ein Teil desselben erzeugt durch seine Verbrennung die nötige Temperatur.

Man hat aber den Verkohlungsprozess besser unter Kontrolle, wenn man das Holz in Gefäßen, die von außen geheizt werden, also ohne Luftzutritt, verkohlt. Dies geschieht in Retorten, Röhren oder Zylindern zuweilen mit erhitzter Luft, mit Gichtgasen der Hochöfen, mit überhitztem Wasserdampf oder mit Anwendung von Gebläseluft.

Holzkohle zur Herstellung von Schwarzpulver

Eine solche sorgfältige Verkohlung ist besonders zur Gewinnung von Kohle für die Schwarzpulverfabrikation erforderlich. Dazu benutzt man große eiserne Zylinder, die außerhalb des Ofens gefüllt, mit einem Deckel verschlossen und in den Ofen geschoben werden. Ein großer beweglicher Deckel schließt den Raum, in dem sich der Zylinder befindet. Die aus dem Holze sich entwickelnden Gase leitet man in die Feuerung. Die Temperatur wird mittels eines Pyrometers bestimmt. Rotkohle für Jagdpulver wird mit überhitztem Wasserdampf hergestellt. Als Nebenprodukt erhält man Holzkohle bei der Herstellung von Leuchtgas aus Holz, bei der Herstellung von Holzessig und bei der Teerschwelerei. Holz gibt beim Erhitzen bis 150 °C nur hygroskopisches Wasser ab; dann entwickeln sich saure Dämpfe, von 300 °C ab immer dichter werdender gelber oder gelbbrauner Dampf und Gase. Beim Abkühlen der entweichenden Produkte erhält man Teer und Holzessig (der auch Methanol enthält). Die Ausbeute an Kohle sinkt mit steigenden Temperaturen. Zugleich wird die Kohle beständig reicher an Kohlenstoff und Asche und entsprechend ärmer an Wasserstoff und Sauerstoff.

Das zwischen 270 und 300 °C entstandene Produkt ist braun-schwarz (Rotkohle, Röstkohle) und hat bei einer um die Hälfte größeren Ausbeute fast denselben Heizwert wie die über 340 °C entstehende Schwarzkohle. Rotkohle wird deshalb vielfach zu metallurgischen Zwecken und wegen gewisser Eigenschaften zur Schießpulverfabrikation hergestellt. Mit dem Steigen der Verkohlungstemperatur wächst die Dichtheit und die Leitungsfähigkeit der Kohle für Wärme und Elektrizität; zugleich aber sinkt die Entzündlichkeit der Kohle und ihre Neigung, Feuchtigkeit anzuziehen.

Ergebnisse der Verkohlung mit diversen Holzarten

Dem tatsächlichen Volumen nach beträgt die durchschnittliche Kohlenausbeute 47,6 Prozent.

Öfen im Erzgebirge zur Herstellung von Holzkohle

Historische Holzkohlenöfen in Heligan

Vergleicht man das scheinbare Volumen (ohne Abzug der Zwischenräume) des Holzes mit dem der Kohle, so liefern die Holzarten folgende Volumenprozentanteile Kohle:

• Eichenholz 71,8 % bis 74,3 %
• Rotbuchenholz 73 %
• Birkenholz 68,5 %
• Hainbuchenholz 57,3 %
• Kiefernholz 63,6 %

Man erhält bei verschiedenen Holzarten folgende Gewichtsprozente der Kohle (bei 150 °C getrocknet und bei 300 °C verkohlt):

• aus Eichenholz 46 %
• aus Fichtenholz 40,75 %
• Ulme 34,7 %
• Hainbuche 34,6 %
• Birke 34,17 %
• Faulbaum 33,6 %
• Esche 33,3 %
• Linde 31,85 %
• Pappel 31,1 %
• Rosskastanie 30,0 %

Harzfreies, nicht saftreiches Holz gibt glanzlose, höchst poröse Kohle; die aus harzigem, saftreichem Holz erhaltene Holzkohle enthält im Innern der Zellen die aus den Saftbestandteilen gebildete Glanzkohle. Stets ist Holzkohle leicht zerreibbar, aber nur infolge ihrer Struktur; die Kohlensubstanz selbst ist hart und ein gutes Poliermittel für Metall. Bei gewöhnlicher Temperatur ist sie höchst beständig und liegt jahrhundertelang im Boden, ohne sich zu verändern; an der Luft absorbiert sie begierig Gase und Dämpfe (siehe Adsorption) und aus Flüssigkeiten gelöste Stoffe.

Die Gewichtszunahme frischer Kohle beim Liegen an der Luft beträgt in 24 Stunden bei Eichen- und Birkenkohle 4 bis 5 Prozent, Fichten-, Buchen-, Erlenkohle 5 bis 8 Prozent, Kiefern-, Weiden-, Pappelkohle 8 bis 9 Prozent, Tannenkohle 16 Prozent.

Absorptionseigenschaft der Holzkohle

Im Allgemeinen absorbiert bei niedriger Temperatur hergestellte Kohle am stärksten. Kohle absorbiert Sauerstoff und wird dabei oxidiert. Dieser reagiert beispielsweise mit Schwefelwasserstoff zu Schwefelsäure und Wasser, mit Ammoniak zu salpetersaurem Ammoniak und mit Schwefelammonium zu schwefelsaurem Ammoniak.

Auch Fäulnisprodukte werden energisch zerstört. Mit Kohle umgebenes Fleisch zersetzt sich erst nach längerer Zeit, und zwar ohne Fäulniserscheinungen. Kohle absorbiert auch Gerüche. Übelriechendes, fauliges Wasser kann durch frisch ausgeglühte Holzkohle gereinigt und Weingeist von Fuselölen befreit werden.

Aber die Kohle wirkt nicht auf die im Wasser enthaltenen mikroskopischen Organismen (Bakterien usw.), und beim Filtrieren des Wassers durch Kohle gehen dieselben durch den Filter; das Wasser wird also geruchlos, aber nicht von den Krankheiten übertragenden Organismen befreit. Holzkohle absorbiert auch

• Farbstoffe, insbesondere wirkt die stickstoffhaltige Kohle (Knochenkohle in erster Reihe) stark entfärbend. Neben den Farbstoffen werden auch
• Salze von der Kohle absorbiert, und darauf beruht zum großen Teil der Wert der Knochenkohle für die Zuckerfabrikation.
• Kohle entzieht dem Kalkwasser den Kalk, fällt Metalloxide, besonders die der schweren Metalle, aus den wässrigen Lösungen ihrer Salze oder absorbiert letztere unverändert.
• Silber- und Kupfersalze werden durch Kohle reduziert.
• Bitterstoffe, Glycoside, Kohlenhydrate, besonders Alkaloide, werden ebenfalls absorbiert.

Bei längerem Liegen an der Luft verliert sie ihr Absorptionsvermögen, erlangt es aber wieder durch Ausglühen; auch können der Kohle die aus Flüssigkeiten aufgenommenen Substanzen wieder entzogen werden (Wiederbelebung), sodass sie namentlich nach darauf folgendem Ausglühen von Neuem benutzbar ist.

Verwendung

Japanischer Binchōtan

Man benutzt Holzkohle zur Erzeugung intensiver Hitze besonders überall da, wo Rauch- und Flammenbildung vermieden werden muss, beispielsweise im Schmiedefeuer, beim Glühendmachen von Plättstählen, bei chemischen Vorgängen, beim Erhitzen von Gegenständen im Zimmer usw. Heute wird Holzkohle vor allem für Freizeitzwecke (z. B. zum Grillen) technisch hergestellt.

Da sie Metalloxide reduziert, diente oder dient Holzkohle

• zur Gewinnung von Metallen aus den Erzen,
• zur Herstellung von Schwarzpulver,
• zum Entfuseln von Branntwein,
• zum Klären und Entfärben von Flüssigkeiten,
• zum Filtrieren von Wasser,
• zum Konservieren fäulnisfähiger Substanzen,
• zum Desinfizieren,
• zum Reinigen von Kohlensäure (für Mineralwässer), Wasserstoff, ranzigen Fetten und dumpfigem Getreide,
• als Zahnpulver,
• als Poliermittel für Metalle,
• zur Füllung von Aspiratoren für die Benutzung in Räumen, in denen sich schädliche Stoffe befinden,
• zur Bearbeitung in Zigarettenfiltern,
• als Farb- und Aromastoff in der Lebensmittelindustrie.

Als Bodenverbesserer macht Holzkohle den Boden locker und wirkt außerdem durch ihre Absorptionsfähigkeit für Ammoniak und Kohlensäure. Zierpflanzen mit faulenden Wurzeln können geheilt werden, wenn sie in mit Kohle gemischte Erde gebracht werden. Große Wunden an Saftgewächsen heilen leicht, wenn man sie mit Kohlenpulver bestreut, auch kann man solche Gewächse, Knollen und Samen für langen Transport gut in Kohle verpacken. Seit kurzem wird Holzkohle auch als wiederentdeckter Bodenhilfszusatzstoff im Gartenbau und in der Landwirtschaft diskutiert unter dem Namen Pflanzenkohle (auch Biokohle oder biochar) oder Terra preta.

Retortengraphit und nach besonderem Verfahren bereiteter Koks werden zu galvanischen Batterien und zu den Polspitzen beim elektrischen Licht benutzt. Tierische Kohle dient namentlich zum Entfärben von Flüssigkeiten. Manche Kohlensorten dienen als schwarze Farbe (Frankfurter Schwarz, Beinschwarz, chinesische Tusche usw.), und Linden- und Weidenkohle werden zum Zeichnen benutzt.

Holzkohle war vor Entwicklung der Verkokung von Steinkohle zu Koks der notwendige Brennstoff zur Metallverhüttung sowie für die Esse des Schmiedes. Holzkohle, deren fein gegliederte Oberfläche viele unerwünschte organische Substanzen bindet, kann auch als Aktivkohle zum Filtern und Reinigen diverser Stoffe eingesetzt werden; zum Beispiel bei der Herstellung von Wodka oder als Kohletablette bei Durchfall.

Produktion und Markt

Holzkohlefabrik
Rechts wird das Holz angeliefert und gelagert. Die Verarbeitung erfolgt links in den Gebäuden

Der Beruf des Köhlers, eines Arbeiters, der in Meilern Holzkohle herstellte, ist in Europa praktisch ausgestorben. Vereinzelte Köhlereien gibt es unter anderem noch im Harz und im Frankenwald. Dabei ist der Rückgang vor allem auf gestiegene Umweltstandards (im Zuge der EU-Osterweiterung auch in Osteuropa) sowie den Mangel an billig verfügbarem Holz als Rohstoff zurückzuführen.

Der größte Teil der weltweit hergestellten Holzkohle stammt aus den so genannten Schwellen- und Entwicklungsländern. Die Gesamtmenge wird auf mindestens 43 Millionen Tonnen geschätzt, aufgrund der Datenunsicherheit wird diese Menge allerdings als Mindestmenge angenommen. Die in europäischen Ländern verwendete Holzkohle wird überwiegend importiert, wobei für Deutschland eine Importquote von etwa 98 % angenommen wird. Im Zeitraum von Januar bis April 2009 importierte Deutschland 76.700 Tonnen Grillkohle. Davon stammten 32,4 % aus Paraguay, 17,5 % aus Argentinien und 10,7 % aus Polen.^[3]

Literatur

• Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann, Hermann Hofbauer (Hrsg.): Energie aus Biomasse. Grundlagen, Techniken und Verfahren. 2. Auflage. Springer, Berlin 2009, ISBN 978-3-540-85094-6.
• Kohle. In: Meyers Konversations-Lexikon. 4. Auflage. Band 9, Bibliographisches Institut, Leipzig 1885–1892, S. 914.

Weblinks

• Commons: Charcoal – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
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• Harzköhlerei Stemberghaus, aktive Köhlerei und Museum

Einzelnachweise