mini|Holzkohle mini|Holzkohle, mikroskopische Aufnahme
Holzkohle (fachsprachlich, gemäß Deutschem Arzneibuch: Carbo pulveratur, Carbo medicinalis) 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 °C bis 400 °C an (Holzverkohlung, ähnlich der Verkokung von Kohle). Dabei verbrennen die leichtflüchtigen Bestandteile des Holzes. Im Gegensatz zu Holz brennt bzw. glüht Holzkohle flammenlos. Als Rückstand erhält man neben gasförmigen Zersetzungsprodukten (siehe Methanol) etwa 35 % Holzkohle.
Mit der gleichen Technik kann man auch Torf zu Torfkohle und allgemein pflanzliche Ausgangsstoffe in Pflanzenkohle 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. Biokohle wird ein Potential als Mittel zur Kompensation der Kohlenstoffdioxid-Emissionen in Anbetracht der globalen Erwärmung zugeschrieben, ihre Herstellung wurde in den vergangenen Jahren intensiviert.Y. Kuzyakov, I. Subbotina, H. Chen, I. Bogomolova, X. Xu: Black carbon decomposition and incorporation into soil microbial biomass estimated by 14c labeling. In: Soil Biology & Biochemistry. 41, 2009, 210–219.
Die Holzkohle unterscheidet sich in vielen Eigenschaften von anderen Pyrokohlen, Hydrokohle oder Faserkohle (Fusit).
Geschichte mini|Entwaldung Haitis (links) im Vergleich zur Dominikanischen Republik (rechts) Seit dem Altertum konnten die zum Verhütten und Schmelzen von Metallen, insbesondere Eisen notwendigen Temperaturen nur durch die Verbrennung von Holzkohle erreicht werden. Die große Nachfrage nach Holzkohle führte im 16. Jahrhundert zur Holzknappheit durch Entwaldung, eine ökologische Katastrophe, der erst im 19. Jahrhundert durch AufforstungHelmut Gebelein: Das Element Feuer in Haushalt und Familie. In: Trude Ehlert (Hrsg.): Haushalt und Familie in Mittelalter und früher Neuzeit. Sigmaringen 1991, ISBN 978-3-7995-4156-5, S. 137–151, hier: S. 146. entgegengewirkt wurde.
Anfang des 18. Jahrhunderts waren die Wälder in Großbritannien und später auch in Deutschland (siehe Lahn-Dill-Gebiet) durch den zunehmenden Verbrauch von Holzkohle (und durch die anderen Verwendungen wie Schiffbau, Bauholz, Pfahlfundamente, Kanalbau etc.) so weit ausgebeutet worden, dass sich die Knappheit an Holzkohle in der Eisenproduktion zu einem ernsten nationalen Problem entwickelte.J. C. Carr, W. Taplin: History of the British Steel Industry. Basil Blackwell, Oxford 1962, ISBN 978-0-631-07100-6, S. 1: “… the industry’s growing demand for fuel had so depleted timber reserves … as to create a serious national problem.” Die Eisenhütten waren deshalb gezwungen, andere Verbrennungsmaterialien zu suchen. Die Lösung des Problems bestand im Einsatz von Koks als Brennstoff für die Hochöfen und in der Entwicklung des mit Steinkohle betriebenen Puddelverfahrens zur Erzeugung von Schmiedeeisen.
Um die von der Holzkohle ausgehenden Gefahren zu mindern, wurden Anfang des 19. Jahrhunderts baupolizeiliche Verordnungen hinsichtlich der Brandverhütung erlassen. Beispielsweise erließ die herzoglich-nassauische Regierung im November 1826 eine solche Verordnung. Der Ort und die Art der Aufbewahrung mussten dem Ortsschultheißen angezeigt werden, der eine polizeiliche Aufsicht veranlassen konnte.
Mit dem Ausbau der Eisenbahnen und der Verkehrswege wurde die Holzkohle immer mehr durch die Steinkohle verdrängt. Auch gewannen Strom und Gas als Energieträger immer mehr an Bedeutung. Während des ersten und Zweiten Weltkriegs wurde die Holzkohle vom Gewerbe, der Industrie und der Armee wieder begehrt (Holzvergaser etc.).
Während in einigen Industrieländern Holzkohle nur noch als Grillkohle bekannt ist, werden weiterhin in Brasilien große Mengen für die Eisenverhüttung hergestellt, da das Land kaum Steinkohle besitzt. Um den Holzbedarf zu decken, wurden große Eukalyptusplantagen angelegt.Dieter Osteroth: Biomasse: Rückkehr zum ökologischen Gleichgewicht. Springer, 1992, ISBN 3-642-77410-5, S. 110–122.
Auch heute noch ist in manchen Ländern die Abholzung zur Holzkohlegewinnung ein gravierendes Problem, zum Beispiel in Haiti, wo sie 60 % der heimischen Energie liefert.Jake Kheel: The charcoal war latinamericanscience.org, abgerufen am 23. November 2015 (englisch).Andrea Viala: auf liportal.de, abgerufen am 23. November 2015. Das gleiche Schicksal droht Madagaskar, wo ebenfalls Holzkohle der verbreitetste Brennstoff ist.François Missier: Holzrodung in Madagaskar – Ein Paradies wird geplündert. taz vom 17. Oktober 2012; abgerufen am 23. November 2015.
Eigenschaften und Zusammensetzung mini|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 und nur unbedeutenden Mengen Schwefel.
Die Holzkohle bildet ein lockeres, schwarzes Produkt mit einer Rohdichte zwischen 0,15 und 0,40 g cm−3 und Reindichte zwischen 1,38 und 1,46 g cm−3.Holzkohle auf spektrum.de, abgerufen am 12. August 2016. Die Porosität der Holzkohle schwankt in Abhängigkeit von der Holzart sowie der Geschwindigkeit und Endtemperatur der Verkohlung zwischen 72 % und 85 %,Krais die Innere Oberfläche beträgt 50–100 m2/g, deshalb weist sie ein hohes Adsorptionsvermögen auf. Die Wärmeleitfähigkeit beträgt circa 0,042 W/(m·K) bei 0 °C und 0,073 W/(m·K) bei 200 °C.Patentanmeldung Wärmedämmstoffe aus Holzkohle und Schafwolle (PDF; 111 kB), auf systemanalysen.net, abgerufen am 5. Februar 2017.Wolfgang M. Willems (Hrsg.) u. a.: Lehrbuch der Bauphysik. 7. Auflage. Springer, 2013, ISBN 978-3-8348-1415-9, S. 701, ().
Bezogen auf das Holzeinsatzmaterial treten bei der Pyrolyse ein Volumenschwund von 35 % bis 45 % und ein Massenschwund von 65 % bis 75 % ein.
Holzkohle lässt sich verhältnismäßig leicht entzünden (350 °C bis 400 °C)Krais und brennt ohne Flamme weiter, weil die flammenbildenden Gase bereits bei der Verkohlung entwichen sind. Sie brennt mit einer höheren Temperatur als Holz. Die Verbrennungstemperatur der Holzkohle beträgt 800 °C.
Pro Kilogramm Holzkohle werden bei der Verbrennung je nach Qualität etwa 28–35 MJ an Energie frei. Nach einer anderen Quelle beträgt der Heizwert je nach verwendeter Holzsorte umgerechnet 31,6–32,9 MJ/kg.H. M. Bunbury: S. 115.
Der Heizwert erhöht sich mit wachsender Verkohlungstemperatur. Durch Erhöhung der Pyrolyseendtemperatur von 400 °C auf 1200 °C steigt die spezifische Wärme von 1,02 auf 1,60 kJ/(kg·K) an.
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 adsorbiert sie bestimmte Gasbestandteile und Dämpfe sowie aus Flüssigkeiten suspendierte Stoffe.
Durch die Adsorption von Gasen und speziell Wasserdampf tritt eine Gewichtszunahme der Holzkohle nach dem unter Luftabschluss ausgeführten Erkalten ein. Die Gewichtszunahme frischer Kohle beim Liegen an der Luft beträgt in 24 Stunden bei Eichen- und Birkenkohle 4–5 %, Fichten-, Buchen-, Erlenkohle 5–8 %, Kiefern-, Weiden-, Pappelkohle 8–9 %, Tannenkohle 16 %.
Qualitätskriterien für Holzkohle sind Stückigkeit, Wassergehalt, Aschegehalt und Gehalt an flüchtigen Bestandteilen. Frische, trocken aus den Verkohlungsanlagen ausgetragene Holzkohle neigt zur Selbstentzündung. Deshalb ist eine Alterung unter kontrollierten Bedingungen erforderlich, wobei das Entstehen von Wärmestauungen in den ersten 48 Stunden nach der Pyrolyse vermieden werden muss. Gute Holzkohle ist glänzend schwarz und hat die Struktur des Holzes, „schlecht verkohlte“ Kohlen haben eine braune, braunrote Färbung; sie werden als Rotkohlen, Brände, Füchse bezeichnet und entstehen durch eine niedrige Verkohlungstemperatur, unter 300 °C. Diese wurde auch absichtlich zur Schwarzpulverherstellung erzeugt oder in der hüttenmännischen Verarbeitung.Th. Geilenkirchen: Grundzüge des Eisenhüttenwesens. 1. Band. Springer, 1911. Nachdruck: ISBN 978-3-642-89738-2, S. 124.Klar
mini|Modell eines Kohlenmeilers (Albstadt Onstmettingen) mini|Vorne ein Kohlenmeiler im Bau, dahinter ein ebensolcher in Betrieb. Im Bildhintergrund ein Hauberg zur Gewinnung des benötigten Holzes mini|Versuch zur Herstellung von Holzkohle: Blechdose mit Holz in ein Feuer stellen
Herstellung Holzkohle wird durch Erhitzen von Holz bei Luftabschluss hergestellt, es entsteht Holzkohle, Holzessig, Holzgas, Holzteer. 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. Holz gibt beim Erhitzen bis 150 °C nur das hygroskopisch enthaltene Wasser ab; dann entwickeln sich saure Dämpfe; steigt die Temperatur über 150 °C, so zersetzt es sich. Bis etwa 280 °C vermehrt sich die Freisetzung dieser Stoffe in einer pyrolytischen Zersetzungsphase, die ebenso wie die Initialphase endotherm ist. Ab 280 °C kommt es dann zu einer starken exothermen Reaktion, bei der etwa 880 kJ/kg Holz als Energie freiwerden und den Prozess auf über 500 °C aufheizen. Ab 300 °C entstehen immer dichter werdender gelber oder gelbbrauner Dampf und Gase. Die brennbaren Gase (siehe auch unter Holzgas) sind vor allem Kohlenmonoxid, Methan, Formaldehyd, Essig- und Ameisensäure sowie Methanol und Wasserstoff, die verbrennen und unter Rauchentwicklung austreten. Beim Abkühlen der entweichenden Produkte erhält man Holzteer und Holzessig. Die Struktur des Holzes verändert sich oberhalb von 400 °C von der fibrillären Holzstruktur 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 Holzkohle als Rückstand.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, S. 384.Franz Liebetanz: Die Kalziumkarbid-Fabrikation. 3. Ausgabe. O. Leiner, Leipzig 1909, .
Rotkohle (Röstkohle) entsteht bei Verkohlungstemperaturen zwischen 270 °C und 350 °C, ist braun-schwarz und hat bei einer um die Hälfte größeren Ausbeute fast denselben Heizwert wie die über 350 °C entstehende Schwarzkohle. Diese wird deshalb vielfach zu metallurgischen Zwecken und wegen gewisser Eigenschaften zur Schießpulverfabrikation hergestellt. Schwarzkohle entsteht bei Temperaturen über 350 °C, 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. Unter 270 °C erzeugte Kohle ist fest, unausgebrannt, rotbraun (Rotholz).Carl Schnabel: Lehrbuch der Allgemeinen Hüttenkunde. 2. Auflage. Springer, 1903. Nachdruck: ISBN 978-3-642-50415-0, S. 178.Akademischer Verein Hütte: „Hütte“: Taschenbuch für Eisenhüttenleute. W. Ernst & Sohn, Berlin 1910, , S. 294.
Die Dichtigkeit und quantitative Ausbeute der Kohle wird durch die Verkohlungsgeschwindigkeit bestimmt, eine geringere Geschwindigkeit ergibt eine dichtere Kohle sowie eine größere Ausbeute.Klar