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Kohlenmonoxid

Kohlenmonoxid (auch Kohlenmonoxyd oder Kohlenstoffmonoxid oder Kohlenstoffmonooxid) (CO) ist ein brennbares und sehr giftiges Gas, welches bei der unvollständigen Verbrennung kohlenstoffhaltiger Kraft- und Brennstoffe entstehen kann – insbesondere bei der Verbrennung unter Sauerstoffmangel (d. h. bei zu kleinem Verbrennungsluftverhältnis). Im Gegensatz zum Kohlendioxid (CO₂) ist beim Kohlenmonoxid-Molekül das Kohlenstoffatom mit nur einem Sauerstoffatom (statt mit zweien) verbunden.

Kohlenmonoxid kann unter Sauerstoffzufuhr weiter zu Kohlendioxid verbrannt werden, welches in mäßigen Konzentrationen nicht giftig ist. Die Reaktionsgleichung ist 2 CO + O₂ → 2 CO₂. Da hierbei Wärme entsteht, kann Kohlenmonoxid (in konzentrierter Form oder als Anteil von Synthesegas) auch als Brennstoff (Energieträger) verwendet werden. Der Heizwert von CO (11,5 MJ/m³) ist allerdings gering – beispielsweise über dreimal kleiner als der von Methan.

Kohlenmonoxid-Moleküle sind etwa gleich schwer wie Stickstoff-Moleküle (N₂), sodass auch die Dichte dieses Gases ziemlich genau der von Luft entspricht. Deswegen steigt in die Atmosphäre entlassenes Kohlenmonoxid weder auf (wie Erdgas), noch sammelt es sich am Boden.

Entstehung, Vermeidung und Nutzung von Kohlenmonoxid

Die meisten kohlenstoffhaltigen Brennstoffe und Kraftstoffe verbrennen am Ende hauptsächlich zu Kohlendioxid (CO₂) und nur in Spuren zu Kohlenmonoxid (CO), wenn bei der Verbrennung genügend Sauerstoff zugeführt wird. (In Zwischenstufen des Verbrennungsprozesses entstehen oft erhebliche Mengen von Kohlenmonoxid, die jedoch in späteren Phasen zu Kohlendioxid oxidiert werden.) Bei Sauerstoffmangel können jedoch erhebliche Mengen von Kohlenmonoxid im Abgas verbleiben. Selbst wenn insgesamt genügend Sauerstoff vorhanden wäre, können z. B. in Holzfeuern Stellen mit Sauerstoffmangel auftreten, wo Kohlenmonoxid entsteht. Dieses kann allerdings weiter zu CO₂ verbrannt werden, falls es an andere Stellen der Flammen gerät, in denen zusätzlicher Sauerstoff vorhanden und die Temperatur nicht zu niedrig ist.

Im Allgemeinen ist die Verbrennung in Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung (insbesondere in Ottomotoren) wesentlich heikler als eine gleichmäßige Verbrennung z. B. in Heizkesseln. Die höchsten CO-Emissionen (wie auch Emissionen unverbrannter Kohlenwasserstoffe) treten bei Ottomotoren im Leerlauf direkt nach dem Kaltstart auf. (Früher wurde bei Benzinmotoren in der Warmlaufphase oft ein so genannter Choke verwendet, der die CO-Emissionen durch Anfettung des Gemisches noch stark erhöhen konnte.) Bei Heizkesseln z. B. für Heizöl oder Erdgas können dagegen fast keine CO-Emissionen auftreten, außer wenn die Luftzufuhr zu tief eingestellt ist. Bei Heizkesseln für feste Brennstoffe wie Kohle oder Holz ist es wesentlich schwieriger, CO-Emissionen zu minimieren, insbesondere wenn gleichzeitig ein hoher Luftüberschuss aus energetischen Gründen vermieden werden soll. Moderne Konstruktionen z. B. von Holzkesseln, bei denen die Verbrennungsluft mit einem Gebläse gut dosiert zugeführt wird, sind diesbezüglich wesentlich besser als nicht optimierte Kessel.

Vor allem bei Heizkesseln mit modulierendem Brenner wird oft der Restsauerstoffgehalt im Abgas mithilfe einer Lambdasonde überwacht, um das Verbrennungsluftverhältnis stets korrekt einzustellen. Damit wird die CO-Bildung zuverlässig auf einem sehr niedrigen Niveau gehalten, ohne dass ein unnötig hoher Luftüberschuss verwendet wird. Die verwendete Regelelektronik sollte auch Defekte von Komponenten, die zu massiv ansteigenden CO-Emissionen führen können, sicher erkennen können, um die Anlage dann automatisch abzuschalten. Ältere Geräte wie Gasthermen verfügen aber häufig noch nicht über eine solche Technik und können im Falle von Defekten sehr hohe CO-Emissionen erzeugen, die unter Umständen auch zu lebensgefährlichen CO-Werten in Räumen führen können.

Unerwünschte Kohlenmonoxid-Emissionen werden vor allem bei Verbrennungsmotoren häufig mit Hilfe von Abgaskatalysatoren vermindert, in denen CO mit zusätzlichem Sauerstoff zu CO₂ aufoxidiert wird. Allerdings läuft dieser Prozess nur ab, wenn einerseits genügend Restsauerstoff im Abgas enthalten ist (also nicht im Falle einer Volllastanreicherung) und andererseits der Katalysator ausreichend heiß ist. Deswegen sind Autokatalysatoren direkt nach dem Kaltstart – wenn die motorischen CO-Emissionen besonders hoch sind – leider noch unwirksam, und dies gilt aus anderen Gründen häufig auch beim Betrieb von Motoren mit Vollgas. Trotz dieser Einschränkungen sind die CO-Emissionen heutiger Autos durch die zunehmend verschärften Abgasnormen weitaus geringer, als was noch 1990 erlaubt war und heute nur noch bei Oldtimern auftritt.

Besonders viel Kohlenmonoxid kann auch in der Glut gebildet werden, die beispielsweise in einem Grill oder auch nach weitgehendem Abbrand in einem Holzofen entstehen kann. Deswegen ist es sehr gefährlich, beispielsweise einen Holzkohlengrill in einer Garage mit geschlossenem Tor zu betreiben. Dass solche mit Holzkohle beheizte Geräte mitunter sogar als "Indoor-Grill" beworben werden, ist angesichts der massiven Gefahrensituation nicht nachvollziehbar; gelegentlich kommt es sogar zu Todesfällen.

Enorm hohe CO-Emissionen treten häufig bei motorisierten Kleingeräten (z. B. Rasenmähern, Motorsägen und Laubbläsern) auf. Insbesondere für handgehaltene Arbeitsgeräte wie Laubbläser, bei denen der Einsatz von Viertaktmotoren und Abgaskatalysatoren schwierig ist, gelten bislang sehr hohe CO-Emissionsgrenzwerte, beispielsweise von 805 g/kWh bei Motoren mit einem Hubraum unterhalb von 50 cm³. Ein Automotor könnte mit solchen Werten die heutigen Abgasgrenzwerte (z. B. Euro 5: 1 g/km) bei Weitem nicht einhalten: Pro gefahrenen Kilometer erzeugt ein solcher Motor grob geschätzt 0,1 kWh Antriebsenergie, was bei Emissionen von 805 g/kWh einer CO-Menge von ca. 80 g/km entsprechen würde; dies läge 80 mal über dem Euro-5-Grenzwert. Kleingeräte erzeugen zwar insgesamt viel geringere Abgasmengen als Autos, führen aber lokal zu starken Beeinträchtigungen der Atemluftqualität beispielsweise für Arbeiter, die in den Abgasfahnen solcher Geräte stehen müssen.

CO wird auch in der Atmosphäre zu CO₂ oxidiert. Dieser Prozess ist zwar langsam, aber er verhindert trotzdem, dass sich längerfristig CO in der Atmosphäre anreichert. Typische atmosphärische CO-Konzentrationen (abseits von Emittenten) liegen in der Größenordnung von 0,1 ppm, was gesundheitlich völlig unbedenklich ist.

Kohlenmonoxid wird in gewissen industriellen Prozessen gezielt hergestellt, beispielsweise bei der Kohlevergasung. Das mit Hilfe der Wassergas-Reaktion entstehende Stadtgas, welches außer dem brennbaren Kohlenmonoxid noch Wasserstoff und diverse andere Gase enthält, wird allerdings wegen der hohen Giftigkeit kaum mehr verwendet. Auch Generatorgas, welches durch Verbrennung von Koks unter Sauerstoffmangel entsteht, dient in der Regel nicht als Stadtgas. Meist wird Kohlenmonoxid unmittelbar zu anderen Substanzen weiter verarbeitet, beispielsweise zu Methanol, Ameisensäure oder Essigsäure, oder es wird zwecks Wärmeerzeugung zu Kohlendioxid verbrannt. Beispielsweise kann CO-haltiges Synthesegas aus der Kohlevergasung in einem Gas-und-Dampf-Kombiprozess verstromt werden, wodurch eine effizientere und sauberere Nutzung der Kohle möglich ist, verglichen mit konventionellen Kohlekraftwerken.

Es wird an Verfahren geforscht, mit denen Kohlenmonoxid zukünftig mithilfe elektrischer Energie aus Kohlendioxid hergestellt werden könnte. Dies könnte so aussehen, dass durch eine elektrische Gasentladung ein Plasma in Kohlendioxid erzeugt wird, indem ein Teil des Gases zu Kohlenmonoxid und Sauerstoff umgesetzt wird; Wirkungsgrade von bis zu ca. 60 % sind bereits demonstriert worden und könnten zukünftig noch höher werden. Letztendlich ließen sich aus dem Kohlenmonoxid z. B. klimaneutrale Chemierohstoffe oder Kraftstoffe herstellen. Dies wäre eine Art von Power to Gas, die nicht auf Elektrolyse basiert und deswegen deren Nachteile vermeidet, deswegen auch möglicherweise kostengünstiger realisierbar sein wird.

Giftigkeit und Gesundheitsschädlichkeit

Kohlenmonoxid ist wie Kohlendioxid farb- und geruchlos, im Gegensatz zu jenem jedoch sehr giftig. Seine toxische Wirkung entsteht dadurch, dass es sich viel stärker als Sauerstoff (O₂) an das Hämoglobin der roten Blutkörperchen bindet; da diese dann keinen Sauerstoff mehr transportieren können, kommt es zu Sauerstoffmangel. Bereits Konzentrationen von Kohlenmonoxid in der Atemluft ab 100 ppm (0,01 Volumenprozent) gelten bei längerfristiger Exposition als gesundheitsgefährdend. Solche Werte werden in verkehrsreichen Stadtgebieten häufig erreicht. Eine akut tödliche Wirkung durch Ersticken innerhalb weniger Minuten tritt bei Konzentrationen in der Größenordnung von 20 000 ppm (2 Volumenprozent) auf. (Eine eingeatmete CO-Menge in der Größenordnung von einem Gramm genügt, um einen Menschen zu töten.) Solche Konzentrationen können schnell entstehen, wenn beispielsweise ein Automotor in einem kleinen geschlossenen Raum (etwa einer Garage) betrieben wird (vor allem mit noch kaltem Abgaskatalysator). Auch in Tabakrauch treten erhebliche CO-Konzentrationen auf, weswegen bei starken Rauchern die Sauerstoffversorgung deutlich herabgesetzt ist.

Wenn begrenzte Mengen von CO eingeatmet werden (z. B. in stark belasteter Stadtluft), dauert es in frischer Luft anschließend einige Stunden, bis das CO wieder weitgehend ausgeschieden ist. Solange kann die körperliche und geistige Leistungsfähigkeit etwas reduziert sein. Bei chronischer Exposition können jedoch auch diverse chronische Gesundheitsschäden eintreten, beispielsweise Herzschädigungen und Depressionen.

In kritischen Umgebungen wie z. B. Tiefgaragen sollte die CO-Konzentration der Luft mit Gassensoren (CO-Meldern) automatisch überwacht werden, um bei Überschreiten eines gewissen Grenzwerts eine Lüftungsanlage anzuschalten (bzw. deren geförderte Luftmengen zu erhöhen) oder aber einen Alarm auszulösen. Auch in Haushalten oder Kellern, in denen Gasthermen (vor allem älterer Bauart), Kaminöfen oder offene Feuerstellen betrieben werden oder wo Holzpellets gelagert werden, sollten CO-Melder eingesetzt werden, um gefährliche Situationen rechtzeitig zu erkennen.

Siehe auch: Kohlendioxid, Abgas, Stadtgas, Synthesegas, Brennstoff, Energieträger, Verbrennung, Messverfahren für Kraftstoffverbrauch und Abgaswerte