Beim Experimentieren den Allgemeinen Warnhinweis unbedingt beachten.

Primärer Rohstoff zur Holzkohlegewinnung ist Holz. Dessen stoffliche Zusammensetzung hängt stark von der Baum- oder Pflanzenart ab, von der das Holz stammt. Einblick in die ungefähre Zusammensetzung gibt die folgende Tabelle.

Inhaltsstoffe	Gehalt (Masse%)
Cellulose	40-50
Hemicellulosen (Pentosane)	25-30
Lignin („Holzstoff“)	25-30
Harzstoffe (Harzsäuren, Harzseifen, Kolophonium)	1-5
Terpene (Terpentinöl, Pinen etc.)	1-5
Tallöl (Fettsäuren)	1-2
Mineralische Bestandteile	< 1

Letztlich sind alle Inhaltsstoffe bis auf die wenigen anorganischen Bestandteile organische Verbindungen, basieren also letztlich auf Kohlenstoff. Dass gerade die mineralischen Bestandteile die Asche ausmachen, gibt der Vorstellung über deren Anteil ein zu großes Gewicht.

Über die Verwendung der Holzinhaltsstoffe gibt eine besondere Webseite Aufschluss.

Hier und heute geht es aber nicht um die Rolle von Holz als Nachwachsender Rohstoff und auch nicht um seine Rolle als Brennstoff, sondern um Holz als Rohstoff zur Holzkohlegewinnung.

Die Herstellung von Holzkohle
Zur Gewinnung von Holzkohle geht man von gut abgelagertem Buchenholz aus.

Bild 1: Buchenholz (Foto: Blume)

Versuch 1: Destillation von Holz Den Versuch beschreiben wir hier.

Es bildet sich eine Menge an Kondensat. Dieses können wir chemisch untersuchen.

Versuch 2: Analyse des Kondensats bei der Verschwelung von Holz Den Versuch beschreiben wir hier.

Holzkohle ist eigentlich „Holzkoks“
Holz ähnelt in gewisser Weise der Steinkohle. Das gilt nicht nur für die stoffliche Zusammensetzung, sondern auch für das Brennverhalten. Schließlich stammt die Kohle ja vom Holz ab (Inkohlung).

So wie Kohle letztlich ein hochvernetzter Kohlenwasserstoff ist, so gilt Ähnliches auch für das Holz. Das trifft besonders auf den polymeren „Holzstoff“ Lignin zu.

Wie Kohle setzt auch Holz beim Erhitzen bzw. Verbrennen eine Vielzahl von chemischen Substanzen frei - dazu auch Wasser. Alle zusammen hemmen eher den Brennvorgang als dass sie ihn fördern. Damit werden vor allem technische Verwendungsmöglichkeiten stark eingeschränkt.

Bei der Kohle ist deshalb als Voraussetzung für viele chemische Anwendungen das Verkoken erforderlich, also die Destillation unter Luftabschluss. Das gilt auch für das Holz. Hier heißt das entsprechende Verfahren Holzverkohlung.

Dass Holz beim Verkohlen viel Substanz verliert, wirkt sich auch auf die Dichte aus. Beträgt die Dichte von Buchenholz noch 0,72 g/cm³, so ist die von Holzkohle nur 0,45.

Der Unterschied zwischen Steinkohlekoks und Holzkohle ist evident. Zwar sind beide ausgeglüht und bestehen (neben den mineralischen Bestandteilen) nur noch aus Kohlenstoff (genau: aus Graphit). Aufgrund der hohen Verkokungstemperaturen (1000 °C) ist der Steinkohlekoks oberflächlich angeschmolzen (gesintert) und im häuslichen Umfeld (Grill, Kachelofen) entsprechend schlecht brennbar. Die Holzdestillation läuft bei wesentlich geringeren Temperaturen ab. Deshalb kann man die Holzstruktur sogar noch richtig erkennen. Holzkohle lässt sich (im Gegensatz zum Koks) zum Beispiel leicht anzünden.

Bild 2: Holzkohle (Foto: Blume)

Versuch 3: Vergleich von Koks und Holzkohle Wir versuchen, Stücke von Koks und von Holzkohle mit einem Bunsenbrenner anzuzünden. Ergebnis: Holzkohle brennt deutlich schneller und besser.

Warum sieht man keine Flamme, wenn Holzkohle brennt? Das liegt daran, dass die Flammen bildenden Gase durch das Destillieren entfernt worden sind.

Verwendung der Holzkohle
Die größte Bedeutung kommt der Holzkohle in der Metallverarbeitung zu. Einmal wurde und wird die Holzkohle als Reduktionsmittel für Eisen- und andere Erze geschätzt. Auch hochwertige Legierungsbestandteile wie Ferrosilicium konnten früher nur mit Holzkohle hergestellt werden.

Außerdem wurde die Holzverkohlung früher betrieben, weil die mittelalterlichen Schmiede Holzkohle für die Beheizung ihrer Essen benötigten. Die damals durchaus schon bekannten Steinkohlevorkommen lagen an der Erdoberfläche und lieferten nur schlechte, weil vom Wetter ausgelaugte Kohlesorten.

Auch die in Sandsteinen vorkommende Lettenkohle nutzte man durchaus; das Einsammeln war aber sehr mühsam. Also bediente man sich der Holzkohle. Damit konnte man nicht nur die Esse heizen, sondern auch den Kohlenstoffgehalt des an sich weichen Eisens regulieren; zur Härtung wurde das weiche Eisen nach dem Schmieden „aufgekohlt“; so entstand Stahl.

Die resultierende Holzkohle hat einen viel größeren Heizwert als Holz.

Heizwerte

Kohlenart	Heizwert (MJ/kg)
Holz	15 (Durchschnitt)
Holzkohle	29-33
Steinkohle	30 (Durchschnitt)
Steinkohlekoks	29

Außerdem ist die Holzkohle im Vergleich zum Holz raucharm, was sie zum Beispiel für Grillzwecke geeignet macht.

Die folgende Übersicht zeigt die wesentlichen Verwendungsmöglichkeiten für die Produkte der Holzdestillation.

Bild 3: Destillationsprodukte von Holz (nach [1])

Leitet Holzkohle den elektrischen Strom?
Nein. Deshalb kann man auch keine Stäbe aus Zeichenkohle für Versuche zur Elektrolyse verwenden. Dennoch versuchen unverdrossene Junglehrer das immer wieder...

Anders ist das mit dem Koks. Aus dem werden sogar Elektroden hergestellt, die zum Beispiel bei der Schmelzfluss-Elektrolyse von Aluminiumoxid zur Gewinnung von Aluminium genutzt werden.

Einige wichtige Nebenprodukte der Holzdestillation
Als wichtigste Stoffe sind neben der Holzkohle Holzteer, Essigsäure („Holzessig“) und Methanol („Holzgeist“) zu nennen.

Aus dem Holzteer stellte man u. a. Farbstoffe, Medizinbestandteile und sogar Flotationsöl her, das man zum Anreichern von Erzen oder der Abtrennung der „Bergteile“ bei der Kohlegewinnung nutzte.

Methanol lässt sich katalytisch zu Formaldehyd oxidieren, dessen Potential zur Kunststoffsynthese wie beim Bakelit man schon damals erkannte.

Aus dem Holzessig wird natürlich Essigsäure gewonnen - aber nur für Industriezwecke. Durch Erhitzen von Calciumacetat („Essigsaurer Kalk“) gewann man Aceton und andere Ketone.

Wenn Holzkohle verbrennt, entsteht wertvolle Asche

Bild 4: Holzkohlenasche im Grill (Foto: Blume)

Um die Asche kümmerte sich früher der professionelle Aschensammler. Damit wurde zum Beispiel Seife gesiedet. Heute spielt diese Asche keine große Rolle mehr. In dem Aschesammlertipp beschreiben wir auch die Analyse der Holzkohlenasche.

Hobbygärtner sollten diese Asche aber nicht ohne weiteres als Dünger verwenden. Dazu ist sie zu alkalisch. Auch auf dem Kompost hat sie nichts zu suchen.

Ein Blick in die Geschichte
Früher gab es den Köhler (auch Kohler genannt, wovon sich auch der Name Kohl ableitet), welcher sprichwörtlich einsam im Walde wohnte und in großen Meilern Holz unter Luftabschluss destillierte. Das mit dem Luftabschluss stimmt nicht ganz, denn zum Heizen musste der Meiler im Inneren etwas brennen oder glühen. Die dazu notwendige minimale Luftzufuhr erforderte ein technisches Know-how, das man heute noch ab und zu wenigstens als Demonstration durch Amateurköhler in Bauernhausmuseen usw. bewundern kann. Die Vorführung geht Tag und Nacht und das über 6-8 Wochen, denn so lange dauert das Brennen eines Meilers!

Was der Köhler macht, können wir eigentlich auch. Das geht am Besten, wenn man dabei zum Beispiel bei einer Klassenfahrt um einem gut und vor allem lange Zeit brennenden Lagerfeuer sitzt.

Versuch 4: Herstellen von Holzkohle Wir besorgen uns eine Konservendose, an der der Deckel noch dranhängt. Die Dose füllen wir mit trockenen, nicht zu kleinen Holzstückchen. Dann „verschließen“ wir die Dose (natürlich nicht luftdicht, sonst explodiert die Dose…) und stellen sie in das Lagerfeuer. Wir lassen sie möglichst lange darin stehen. Das Feuer darf natürlich nicht ausgehen. Ergebnis: Nach dem Abkühlen öffnen wir die Dose. Das Holz darin hat sich in Holzkohle verwandelt.

Dass aufgrund der Köhlerei die Wälder der Umgebung immer weniger wurden, ist eine zwangsläufige Folge dieses Verfahrens. Nur durch strenge Bewirtschaftung dieser Hauwälder gelang es später, dieses für die damalige Zeit charakteristische Waldsterben einzudämmen. Dazu kam noch die Gewinnung von Brennholz und Holzkohle zum Salzsieden. Alles zusammen hat zum Beispiel die großflächigen Buchen- und Eibenwälder um Lüneburg in die waldfreie Lüneburger Heide verwandelt.

Die Wege, die in die Hauwälder führten, waren keine Durchgangswege, sondern kannten nur eine Richtung: Hin und Zurück. Das Sprichwort für einen Irrweg („...auf dem Holzweg sein“) hat hier seinen Ursprung.

Die Holzkohleherstellung ist auch heute noch ein nicht unbedeutender Industriezweig. Die dazu genutzten, von außen beheizten Retorten sind natürlich deutlich größer geworden als die klassischen Meiler. Außerdem kann man in Retorten die Verfahren besser steuern, als es der Köhler im Wald bei jedem Wind und Wetter tun konnte. Ein Grund dafür ist sicherlich auch, dass man aus den Kondensaten, die bei der Retorten-Destillation des Holzes anfallen, eine Reihe von Profit versprechenden Chemikalien gewinnen kann.

Die nicht kondensierbaren Abgase sind brennbar. Früher fackelte man sie nur ab. Heute nutzt man sie zur Umwandlung in Prozesswärme, etwa zur Retortenbeheizung oder (wie in der Nachkriegszeit) zum Antrieb von Autos. Letztere trugen einen entsprechend großen Holzvergaser mit sich. Dieser musste natürlich vor Fahrtantritt angeheizt werden.

Rüdiger Blume

Weitere Tipps des Monats

Literatur:
[1] A. Schlinkert: Die Holzverkohlung im Sauerland. Beiträge 2 des Schieferbergbaumuseums Schmallenberg-Holthausen. Jos. Grobbel Verlag. Fredeburg (1987).