Kraftstoffe aus Biomasse - mit integrierter Unterrichtseinheit

Inhaltsverzeichnis

I. EINLEITUNG — TEIL I

II. KRAFTSTOFFE AUS BIOMASSE
1. Definition des Begriffs „Biomasse"
2. Herstellungsverfahren von Kraftstoffen aus Biomasse
2.1. Kraftstoffe auf der Basis olhaltiger Biomasse
2.1.1. Biodiesel
2.2. Kraftstoffe aus starke- und zuckerhaltiger Biomasse
2.2.1. Ethanol Synthese
2.2.2. Methanol Synthese
2.2.3. Methan-Synthese/ Biogas
2.2.3.1. Wasserstoff-Synthese
2.3. Kraftstoffe aus lignin- und cellulosehaltiger Biomasse
2.3.1. SynFuel/SunFuel/BtL
2.3.1.1. Synthesegaserze ug ung
2.3.1.2. Gasreinig ung und—konditionierung .
2.3.1.3. Die Fischer- Tropsch Synthese
2.3.1.4. Upgrading
2.3.2. Synthesegas als Grundlage fur alternative Kraftstoffe
2.3.3. Bioethanol
3. Schwierigkeiten der Biomassekraftstoffe

I. EINLEITUNG — TEIL II

II. UNTERRICHTSEINHEIT ZUM THEMA „BIOMASSE UND KRAFTSTOFFEAUSBIOMASSE"
1. Didaktische Begrundung
2. Methodische Oberlegungen
3. Fachliche Hintergrunde/Versuche
3.1. Einstiegsstunde„Biomasse—Was ist das?"
3.2. Erarbeitungsphase und Stationenlernen (Stunde 2-6.)
3.2.1. Station 1: Kraftstoffe a usolhaltiger Biomasse .
3.2.2. Station 2: Kraftstoffe a us kohlenhydrathaltiger Biomasse
3.2.3. Station 3: Kraftstoffe a us cellulosehaltiger Biomasse
3.3. Kritische Betrachtung (7.-9. Stunde)
3.4. Bilanzierung (10. Stunde)

III. FAZIT

LITERATURVERZEICHNIS

ANHANG

I. EINLEITUNG — TEIL I

Weltweit haufen sich die Auswirkungen des Klimawandels. Wirbelstiirme, Überflutungen, Hitzewellen aber auch lange Kalteperioden, Diirre und Wassermangel sind nur einige der fiir den Menschen bedrohlichen Folgen. Aber nicht nur diese stehen im Zentrum der Beobachtung, auch die zunehmende wirtschaftliche Belastung durch Umweltschaden stellt eine Gefahr fiir unsere moderne Gesellschaft dar. Mit dem Kyoto- Protokoll wurden 1997 erstmals Richtlinien und verbindliche Ziele fiir den Umweltschutz institutionalisiert, die 2005 in Kraft traten. Demzufolge verpflichteten sich die 141 unterzeichnenden Staaten den Ausstoll an umweltschadlichen Treibhausgasen bis zum Jahr 2012 gegeniiber 1990 um 5% zu senken. (vgl. FICKINGER, 2005) Die vom IPCC ( Intergovernmental Panel on Climate Change) vorgestellten Forschungsergebnisse machen deutlich, dass die Industriestaaten ihre Treibhausgasemissionen bis 2020 um 50% senken miissten, um eine weitere Forcierung der Erwarmung des Weltklimas zu verhindern. (vgl. VERTRAGSSTAATENKONFERENZ Bali, 2007) Tatsachlich spricht die Bundesregierung derzeit von 50% Reduktion der „globalen Emission" bis 2050. (vgl. PRESSEMITTEILUNG BUNDESUMWELTMINISTERIUM, 2008) Die EU hat ehrgeizigere Plane. Mit der Klimaagenda 2020 will sie in der europaischen Union die Treibhausgasemissionen bis 2020 um 30% senken. „Ziel ist es, dass die globalen Emissionen bis 2050 unter 50% unter dem Nivea u von 1990 liegen." (BUNDESUMWELTMINISTERIUM, 2007, S.1)

Der Anteil von Biokraftstoffen am Kraftstoffverbrauch soll bis 2010, also schon in naher Zukunft, 5,75% betragen. (PULS, 2006) Erreicht werden sollen diese ehrgeizigen Ziele mit einem „Umba u der i ndustriegesellschaft". (BUNDESUMWELTMINISTERIUM, 2007, S.1) Darin sieht das Bundesumweltministerium eine Energieeffizienzsteigerung, den Ausbau erneuerbarer Energien und die „Forsch ung und Entwicklung,[...]" und die „rasche Marktdurchdring ung f u r ne ue, effiziente Produkte, innovative Produktionsprozesse und ne ue Verkehrskonzepte" als unerlasslich an. (BUNDESUMWELTMINISTERIUM, 2007, S. 1) Zusatzlich soll der Anteil der Biokraftstoffe auf 10% am Gesamt-Kraftstoffverbrauch gesteigert werden. Der zweite Teil des sogenannten Energie- und Klimapaketes, der jiingst innerhalb der Bundesregierung beschlossen wurde, wird als Vorraussetzung gesehen, den CO₂- Ausstoss in Deutschland bis 2020 um 40% zu senken. (vgl. MIHM, 2008; S. 11)

Diese Zielstellung macht sich nun in der Bandbreite neuer Forschungsgebiete auf dem Sektor der alternativen Kraftstoffe bemerkbar. Eine Vielzahl neuer Studien und Produkte werden derzeit entwickelt oder stehen bereits fiir den Verbraucher als Alternative bereit. Verursachend hierfilr sind allerdings nicht nur die EU oder die Bundesregierung, die in der Ausweitung der Biokraftstoff- Forschung eine Notwendigkeit filr den Umweltschutz sehen. Auch wirtschaftliche Faktoren halten die Mineralölkonzerne an, Alternativen zu entwickeln. Die jilngste Entwicklung der Kraftstoffpreise und die noch vermuteten Rohstoffreserven filhren derzeit der Bevölkerung die Dringlichkeit der Alternativensuche vor Augen und zu einer neuen Aufgeschlossenheit und Interesse gegenilber alternativer Kraftstoffe. (vgl. ADAC,2008) So hat Shell beispielsweise seit 2005 eine Beteiligung an „Choren Industries", der ersten Firma, die Kraftstoffe aus cellulosehaltiger Biomasse synthetisiert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1 (ADAC, 2008)

Den alternativen Kraftstoffen wird also derzeit eine ungeahnte Aufmerksamkeit beigemessen. Das Umdenken, weg vom 0l - hin zu Kraftstoff- und Energiequellen aus erneuerbaren Ressourcen, wird in Zukunft an Bedeutung gewinnen. Alternative Energien werden zum alltäglichen Leben eines jeden Schillers gehören. Ebenso die Energieeinsparungen, Effizienzerhöhungen und Weiterentwicklungen im Verkehrssektor oder in anderen Bereichen der Lebenswelt der Schiller stellen eine höhere Herausforderung an die nachwachsende Generation als an die bisherige. Die Rohstoffknappheit in allen Bereichen kann und wird eine maflgebliche Demarkation filr das Leben dieser neuen Gesellschaft bedeuten.

Mit Preisvoraussagen von 0,90 -1,00 € pro Liter, je nach Anlagengröfle, (LEIBLE, 2007) stellen sich Kraftstoffe aus Biomasse als kostengilnstige Alternative dar und erfordern deshalb einer genaueren Untersuchung. Zusätzlich ergibt sich aus der Thematik auch eine kritische Betrachtungs- und Herangehensweise: So trat z.B. die zuletzt von der Politik befilrwortete Beimischung von Bioethanol zu den Kraftstoffen in den Ländern, in denen massiver Lebensmittelmangel herrscht, eine Welle der Empörung los. Die filr den Anbau der für die Kraftstofferzeugung benötigten Ressoucen genutzte Fläche, brächte erhebliche Einschränkungen in der Nutzung agrarer Gebiete für die Landwirtschaft mit sich. Dadurch würde sich damit die Notsituation vieler verschärfen und zusätzlich die Preise von Lebensmitteln in die Höhe treiben. (MANNER, 2008) So sind gerade Ole, Fette und Getreide im letzten Jahr um ein vielfaches gegenüber dem langjährigen Durchschnitt gestiegen:

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Abb. 2: Preisveränderungen bei Lebensmitteln 2007-2008 (Die Presse, 2008)

Die bisherige Bearbeitung des Themenfeldes der organischen Chemie und Kraftstoffe stützt sich derzeit noch sehr auf die fossilen Brennstoffe und bezieht nur am Rande die regenerativen Energien mit ein. Da man von einer deutlichen Verknappung der fossilen Brennstoffe ausgehen kann1, sollte eine Verschiebung der Schwerpunktsetzung als eine mallgebliche Vorraussetzung zukunfts- und lebensweltorientierten Unterrichts erfolgen.

Im Folgenden wird zunächst ein Uberblick über die Herstellungsverfahren gegeben, um im Anschluss auf den aktuellen Stand der Entwicklung der Biokraftstoffe aus Biomasse einzugehen. Im weiteren Verlauf werden verschiedene Verfahrensvarianten vorgestellt, die sich nach den benötigten Grundstoffen gliedern lassen. Die Biokraftstoffe der ersten Generation umfassen dabei die weitgehend verbreiteten Krfatstoffe, die allerdings aus kohlenhydrathaltiger oder ölhaltiger, also Lebensmitterelevanter Biomasse besteht. Bei der Kraftstofferzeugung aus lignin- und cellulosehaltiger

Biomasse (Biokraftstoffe der 2. Generation) wird ausschliefllich das Verfahren der Firma „Choren" dargestellt, da dieses am weitesten entwickelt ist und bereits in einer Projektanlage produziert wird.

Am Ende des Hauptteils folgt eine Beschreibung der Unterrichtseinheit fur die Schule.

Abschlieflend werden im Fazit die Erörterungen kritisch beleuchtet und eine Schlussaussage zur Schulertauglichkeit getroffen. Zusatzlich wird im Rahmen der Vor-und Nachteilsdarstellung auf die ethische Vertretbarkeit der Nutzung der Rohstoffe eingegangen.

II. KRAFTSTOFFE AUS BIOMASSE

1. Definition des Begriffs „Biomasse"

Unter Biomasse versteht man organisches Material, welches durch die Natur und den Menschen entstandene Stoffwechsel- und Abfallprodukte beinhaltet. Dies umfasst alles abgestorbene und lebende Pflanzenmaterial wie auch Papier, Tiere, Hausm0ll, Klarschlamm, land- und forstwirtschaftliche Abfalle sowie Altholz. Wichtigster Bestandteil der Biomasse sind Kohlenwasserstoffe. Fur die Kraftstoffherstellung kommen unterschiedliche Arten der Biomasse in Frage. Dabei wird in drei verschiedene Kategorien unterschieden: a. Lignin2- und cellulosehaltige Biomasse
b. Kohlehydrathaltige Biomasse
c. Olhaltige Biomasse

(siehe Abb. 4; Grundstoffe; Seite 7) Von der zugrundeliegenden Biomasse ausgehend, zeigt Abb. 4 die möglichen Abläufe der Kraftstoffsynthese im Uberblick. Hieraus wird ersichtlich, dass die Art des Grundstoffs sowohl den Prozess der Herstellung als auch das Produkt bestimmt. Die hier gezeigte Abbildung macht die Bandbreite der Gewinnung möglicher synthetischer Kraftstoffe aus Biomasse deutlich.

Kraftstoffe aus Biomasse gelten als „CO₂- neutrale" Kraftstoffe, denn bei der Verbrennung wird ebensoviel Kohlendioxid freigesetzt, wie die Pflanze etc. vorher aufgenommen hat. Deshalb gelten diese Kraftstoffe als zukunftsweisend.

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Abb. 3 : CO₂- Kreislauf

„ Jährlich werden 150t Biomasse ne u gebildet; dies entspricht einer geb undenen Energiemenge in der GröSenordn ung = ..] der Hälfte der sicher gewinnbaren Erdölreserven " (SCHINDLER, 1997 S. 135) Die nutzbare Menge der Biomasse ist natürlich um ein Vielfaches geringer, da oft die Möglichkeit einer technischen Erschlieflung nicht besteht. Trotzdem wird deutlich, dass die Potentiale von Biomasse noch lange nicht vollstandig erkannt, geschweige denn ausgeschöpft sind. Wie aus Tabelle 1 zu entnehmen ist, stellt Biomasse eine echte Alternative zu bisher genutzten alternativen Energien da. Schon 2004 hatte Biomasse einen Anteil von 2,3% am Primarenergieverbrauch.3 Davon entfielen 0,6% auf Strom, 1,4% auf Warme und 0,3 % auf Kraftstoff.

Die Biomassenpotentiale in Europa und anderen westlichen Landern sind langst nicht ausgeschöpft. Viele Flachen fur den Anbau zusatzlicher Energiepflanzen und Walder sind noch ungenutzt. Global betrachtet ergibt sich jedoch gerade hier ein Problem für andere Lander: Afrikanische, asiatische und lateinamerikanische Staaten stehen vor der Entscheidung, den Anbau von Nahrungsmitteln für die hungernde Bevölkerung zu focieren oder diesen zugunsten der Produktion von Biomasse zu vermindern. Die Nutzung agrarer Flachen zur Biomasseerzeugung steht hier im Kontrast zum Lebensmittelanbau und gefahrdet damit die dortige Bevölkerung4. (PULS, 2006)

Energieform

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Tabelle 1: Realisierbare Potentiale an erneuerbaren Energien weltweit (grobe Schatzwerte) (SCHINDLER, 1997 S. 136)

2. Herstellungsverfahren von Kraftstoffen aus Biomasse

Die Kraftstoffherstellung aus Biomasse ist im Prinzip eine Kopie der natürlichen Entstehung von Erdöl, nur effektiver. Die Biomasse wird zerkleinert und anschlieflend auf unterschiedlichste Weise zu Kraftstoffen umgewandelt. Schon hier wird der klare Unterschied zwischen der ölhaltigen- und den anderen beiden Grundstoffarten deutlich. Bei der 0lherstellung wird die Pflanzenfaser, die Substanz der Pflanze, nicht benötigt. Hier reicht das erzeugte 0l. Bei der lignin- und cellulosehaltigen- und der kohlenhydrathaltigen Biomasse dagegen ist die Pflanzenfaser der Ausgangsstoff für die anschlieflende Kraftstoffherstellung. (Abb. 4; Seite 7) Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal wird in der weiteren Betrachtung der Prozessschritte deutlich. Das entstehende

Produkt kann sowohl gasförmig als auch flüssig sein. Die flüssigen Kraftstoffe sind dabei Ethanol, Ethyl-tert- Butylether (ETBE), Methanol, Synfuel/ BTL und Biodiesel (z.B. RME). Gasförmige Stoffe für den automobilen Antrieb sind Biogas und Holzgas.

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Abb. 4: Herstellungswege von Kraftstoff a us verschiedenen Grundstoffen (GADERER, 2006)

Die synthetischen Kraftstoffe aus Biomasse gehören der neuen, zweiten Generation von Biokraftstoffen an. VW und die Firma „Choren" kooperieren derzeit bei der Herstellung des noch in der Entwicklung befindlichen Treibstoffs SunFuel. Markenneutral ist er auch als SynFuel bekannt. Darüber hinaus existieren viele andere Verfahren zur Kraftstoffsynthese. Auch zur Wasserstoffsynthese gibt es Ansätze, die seine Produktion aus Biomasse vorsehen. Im nachfolgenden Teil werden deshalb zunächst die Möglichkeiten der einzelnen Verfahren vorgestellt und die einzelnen Synthesewege genauer beleuchtet. Aufgrund der Vielzahl an Verfahren und Syntheseschritten werden im folgenden Teil nur die wesentlichen Abläufe dargestellt.

2.1. Kraftstoffe auf der Basis ölhaltiger Biomasse

Bei der Herstellung von Kraftstoffen aus ölhaltiger Biomasse werden die Pflanzen zunächst gepresst, um die enthaltenen Triglyceride (97%) zu erhalten. Dabei kommen unterschiedliche Pflanzen zum Einsatz: Soja, Baumwolle, Sonnenblumen, Erdnüsse, Raps, Lein,

Sesam und Rizinus können verwendet werden. Dabei gilt Raps in Europa als wichtigste Olpflanze für die Erzeugung von Kraftstoffen zum automobilen Antrieb. Das gewonnene 0l wird nach dem Presse n entweder verestert5 (z.B. Rapsmethyleste r) oder direkt als

0l z.B. f r den automobilen Antrieb verwendet. (siehe Abb. 8 )

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Abb. 5: He rstellungsprozess von Pflanzenöl (EDER, ET AL., 2004)

Der Wi r kungsgrad und die Leistung der Motoren w ird durch reines

Rapsöl negativ beeinträchtigt, die Kohlenmo n oxidemissionen steigen stark an. (SCHINDLER, 1997) Schon bei geringen Minusg r aden flockt das Pflanzenöl und kann so den Motor schädig en. Um diese Problematik zu umgehen, ist die Umesterung des Pflanzenöls zu einem Pflanzenölmethylesther nötig. Fr die

Reaktio n bedarf es der Zugabe von Katalysatoren (Alkoholaten), die die Tri g lyceride spalten. Als Endprodukt entsteht ein Ester (hier allgem e in PME- Pflanzenölmethylesther genannt) u nd Glycerin. Der so entstandene PME muss im Anschluss gereini g t und destilliert werden , um noch enthaltenes Glycerin oder Metha n ol zu entfernen, da sich diese beiden Stoffe negativ auf die Brennei g enschaften des Biodies e ls auswirken. (siehe Abb. 6) Die Rei n igungsvorgänge sehen e ine Destillation des PME vor, um das re s tliche Methanol abzude s tillieren.

Abb. 6: Herstellungs prozess von Biodiesel (EDER, ET AL., 2004)

2.1.1. Biodiesel

Biodiesel ist ein Fettsauremethylesther (vgl. Abb. 7) und wird durch eine Umestherungsreaktion aus Raps Ölgewonnen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 7: Struktur Biodiesel

D ie Veresterung erfolgt in drei Schritten b ei 70°C „ unter K atalyse von geringen Mengen Natri mhydroxid mit

1 . Schritt: Erzeugung von Methanol a t-Ionen durch

k atalytische Mengen Natriumhydroxid:6

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G leichgewicht durch Methanol-Uberschuss a uf der Seite der ethanolat-Ionen. M

2. Schritt: Angriff der Methanolat-Ionen am Rapsöl:

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3. Schritt: Glycerolat reagiert unter Ruckbildung von

5 Methanolat-Ionen zu Glycerin:

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Biodiesel gehört zu der 1. Generation der Biokraftstoffe und ist bereits mit einem Anteil von 1,2% am gesamten Kraftstoffverbrauch vergleichsweise weit verbreitet. Seit 2004 drien bei der Dieselherstellung bis zu 5% des Biokraftstoffes zugesetzt werden. (UNRUH, 2006)

Dabei gilt Biodiesel als der konventionellste Biokraftstoff und ist als einziger an vielen Tankstellen neben den normalen Treibstoffen erhältlich.

Die Triglyceride der gepressten Biomasse werden bei der Herstellung mit Methanol katalytisch verestert. Es entsteht ein Methylester und das Abfallprodukt Glycerin. (siehe Abb. 8:) Dabei muss der Katalysator so eingesetzt werden, dass die Verseifungsreaktion der Fettsäuren zu Natriumsalzen verhindert wird. (Eilks, 2000)

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Abb. 8: Reaktionsschema RME-Herstellung (BASF, 2006)

Dabei k6nnen aus 100kg Raps6l und 11kg Methanol 99kg

RME, 10kg Glycerin und 2 kg Rückstande gewonnen werden. (SCHINDLER, 1997) Damit liegt „ das energetische Input zu Output Verhältnis für die Gewinn ung von RME = ...]

bei 1:1,3; Verbesserungen a uf 1:2,6 werden vor allem durch
Verbesserungen bei der Düngerherstellung und beim Düngereinsatz für erreichbar gehalten. " (SCHINDLER, 1997 S. 160) Allerdings hat diese Art Treibstoff auch starke Nachteile. So ist der hier entstandene Stoff hygroskopisch und kann, sobald er mit genügend Wasser verdünnt ist, die Motoren stark schadigen. (FISCHER, ET AL., 2007)

Die Daten in Tabelle 2, wie Cetanzahl und Gemischheizwert, machen deutlich, dass der RME dem Diesel naher kommt als das reine Raps6l. Es lasst sich erkennen, dass einige Inhaltsstoffe gegenüber dem Diesel beim RME niedrigere Schadstoffemissionen zulassen. So ist bspw. der Schwefelwert deutlich geringer, sodass leichter Oxidations-Katalysatoren eingesetzt werden k6nnen. Einzig der hohe Sauerstoffgehalt bedingt einen niedrigeren Heizwert.7 Dieser kann teilweise durch die h6here Dichte ausgeglichen
werden. Allerdings macht dieser Umstand einen Mehrverbrauch an RME von ca. 3,5 % gegenüber konventioneller Kraftstoffe aus. (SCHINDLER, 1997) Ein weiterer, nicht zu vernachlassigender Vorteil besteht in der biologischen Abbaubarkeit des RME. So ist RME nach 20
Tagen im Boden zu 98 % abgebaut. Deutlich wird hier auch die Problematik von Raps6l und RME bei kalten Temperaturen. Der CFPP (Cold Filter Plugging Point) bestimmt das FliefIverhalten eines Treibstoffs bei niedrigen

Temperaturen. Er wird bestimmt, indem bei Unterdruck nach
DIN EN 116 eine vorab definierte Menge Diesel über einen Filter gesaugt wird. Die Temperatur, bei der die erforderliche Menge nicht mehr über den Filter gelangt, ist der CFPP, also der Art und dem Zustand des Brennstoffs sowie seiner Verbrennungsprodukte abhtingt. " (Römpp Chemie Lexikon , 1995) die tiefste mOgliche Temperatur, bei der der Kraftstoff die nOtigen Fliefleigenschaften erfillt.

Diesel erfillt die erforderlichen Fliefleigenschaften bis minus 24°C , RME bis unter minus 12°C, aber RapsOl nur bis plus

18°C (vgl. Tabelle 2). Die Durchschnittstemperatur in Deutschland liegt schon deutlich unter 18°C, sodass sich RapsOl nicht als Kraftstoff eignet. RME zeigt die Eignung nur bedingt, denn im Winter werden die Temperaturen auch in Deutschland oft noch unterschritten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2: Eigenschaften von Ra ps15l und RME im Vergleich zu Diesel (SCHINDLER, 1997 S. 104)

2.2. Kraftstoffe aus starke- und zuckerhaltiger Biomasse

Aus starke- und zuckerhaltiger Biomasse kOnnen unterschiedliche Kraftstoffe synthetisiert werden (vgl. Abb. 9), deren Herstellung in den folgenden Kapiteln naher erlautert wird. MtG- Benzin soll hierbei vernachlassigt werden.

Abb. 9: Kraftstoffe aus Starke- und Zuckerhaltiger Biomasse

2.2.1. Ethanol Synthese

D ie bekannteste Methode zur Ethanolhe r stellung ist die a lkoholische Gärung. Dabei bilden glukosehaltige
G rundstoffe wie Rohrzucker und Zuckerrüb e n die Basis. Es önnen k allerdings auch kohlenhydrathaltig e Maischen aus
K artoffeln, Weizen, Reis und Mais Grundlage der H erstellung sein. (SCHINDLER, 1997) Ver e infacht verläuft d abei die Reaktion gemäll:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

P flanze in ihrem Leben vorher aufgeno m men hat. Der P rozess gilt damit als CO₂- neutral. ie berechneten Kosten der Ethanolh erstellung aus uckerrüben beliefen sich 1997 auf 0,9 5 — 1,28 DM/l. SCHINDLER, 1997 S. 156) Nach heutigen Mallstäben und rotz der Berücksichtigung der allgemeinen
P reissteigerungen könnte demnach ein L iter Ethanol zu u nter 1,00€/l hergestellt werden, was heute i m Gegensatz zu d en damaligen Verhältnissen eine deutlich e Verbesserung g egenüber konventionellem Kraftstoff darstel lt.

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Tabelle 3: Stoffdaten Ethanol (RANFFT, 2006)

Bei der Herstellung aus Getreide kann auch bereits verdorbenes benutzt werden, um Ethanol- Kraftstoff herzustellen. Diese Möglichkeit kann dazu beitragen, die

Konkurrenz zwischen Nahrung und Treibstoff zu verringern.

Zur Ethanolherstellung müssen zunächst die Stärkeketten aufgebrochen werden, um eine „ Molek i ligröSe zu erzielen, die die Hefe passieren kann ". (RANFFT, 2006 S. 75) Dabei bedarf es spezieller Enzyme8, den a- und 13- Amylasen.

Anschliellend werden Glucoamylasen eingesetzt, die zur
sog. „Verzuckerung" führen. Laut Ranfft (2006) werden dem Fermentationsrohstoff9 nun Saccharomyces cerevisiae-Kulturen (Hefe) zugesetzt, um anaerob die Kohlenstoffe zu vergären. Die Gesamtglykolyse verläuft dementsprechend:

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RG 2: Glykolyse bei der Ethanolherstellung (R ANFFT , 2006)

Dabei wird, durch die Enzyme katalytisiert, Glukose oxidativ im Hefezytoplasma zu Brenztraubensaure umgewandelt.

Unter aeroben Bedingungen verlauft die Reaktion gemall des Zitronensaurezyklus:

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RG 3: Zitronensäurezyklus bei der Ethanolherstellung (R ANFFT , 2006)

Dabei wird der „Wasserstoff a uf die Redoxcarrier NAD und FAD u bertragen, die dadurch reduziert werden." (RANFFT, 2006 S. 83) (siehe Abb. 10)

Die Gesamtgleichung der Ethanolfermentation verläuft gemäfl:

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RG 4: Gesamtgleichung Ethanolherstellung (R ANFFT , 2006)

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Abb. 10: Gesamtreaktion der Ethanolherstellung durch Vergarung (Seilnacht, 2008)

Ethanol hat zahlreiche Vor- und Nachteile gegenüber konventionellen Kraftstoffen. Grofle Vorteile sind aber die hohe Oktanzahl und die niedrige Kohlendioxidemission, ebenso wie die biologische Abbaubarkeit und die hohe Klopffestigkeit. Zudem erzielen Motoren, die speziell auf Ethanol ausgerichtet sind, einen höheren Wirkungsgrad als mit Benzin betriebene Fahrzeuge. Dagegen hat der

Bioethanolkraftstoff eine geringere Schmierfähigkeit und kann so Korrosion10 am Motor verursachen. Den gröflten Nachteil aus ökologischer Sicht stellt die verstärkte Acetaldehydbildung bei der Verbrennung dar. Allerdings wird auch weniger Formaldehyd erzeugt als bei Benzinmotoren, was die Acetaldehydbildung mehr als ausgleicht. (RANFFT, 2006) Ethanol ist zu normalem Ottokraftstoff bis zu einem bestimmten Prozentsatz zumischbar. Die deutsche Automobilindustrie hat sich 2005 verpflichtet ihre Fahrzeuge auf 10% Ethanolzumischung zum normalen Benzin auszurichten. Die Einführung einer höheren Zumischung scheiterte Anfang 2008 allerdings am Wiederwillen der Gebrauchtwagenfahrer, die eine Gefährdung ihrer Motoren durch den höheren Anteil Ethanol nicht hinnehmen wollten. Weiter ist da Südafrika, dort werden sog. FFV gebaut,

Korrosion: „ Bezeichnung filr die Reaktion eines metallischen Werkstoffes mit seiner Umgebung, die eine messbare Vertinderung des Werkstoffes bewirkt und zu einer Beeintrtichtigung des Funktion [...]bewirkt. " (Rompp Chemie Lexikon , 1995)

Flexible Fuel Vehicles. Diese Wagen können mit jedem Anteil an Ethanol betrieben werden. Die Motorelektronik erkennt hierbei das Mischungsverhältnis und stellt den Motor entsprechend um. Es stellen sich also zwei Möglichkeiten r die automobile Ethanolnutzung dar: Die Anpassung der
Motoren an das Ethanol oder die Anpassung des Ethanols an die Motoren. Um das Ethanol an die Motoreigenschaften anzupassen, wird es durch Zugabe von Isobuten zu ETBE11 umgewandelt. ETBE wird dann dem Ethanol zugemischt, um die Klopfeigenschaften des Kraftstoffs zu verbessern.

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Tabelle 5: Produktion von Ethanol und ETBE in der EU 2003 und 2004 in Tonnen (PutS, 2006 S. 55)

Tabelle 5 macht deutlich, dass die europaweite Produktion von Ethanol und ETBE durchschnittlich einen starken Anstieg zu verzeichnen hat. Bemerkenswert ist, dass Deutschland die Produktion von Null binnen eines Jahres auf 20.000t steigerte. Derzeit hat Ethanol einen Anteil von 20,5 % unter den Biokraftstoffen. Hauptsächlich ist dieser

Anstieg durch die Beimischung von Ethanol zu konventionellen Ottokraftstoffen zu erklären. (siehe Abb. 11)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 11: Vergleich Lebensmittel preise und Bios prit produktion 2000-2008 (Die Presse, 2008)

2.2.2. Methanol Synthese

Die Methanol-Synthese kann aus unterschiedlichen Arten von Biomasse, entweder direkt aus stärke- und zuckerhaltiger Biomasse oder indirekt iiber die Synthesegaserzeugung aus lignin- und cellulosehaltiger Biomasse, hergestellt werden. Dabei verläuft die Reaktion gemäll der Grundgleichung RG 5:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Methanol Synthese verläuft bei Driicken zwischen 50 bis 360 bar und Temperaturen von 230 bis 450°C. (EIDGENOSSISCHE TECHNISCHE HOCHSCHULE ZURICH,

2004/2005) Katalysatoren sind bei dieser Reaktion Kupfer, Zinn oder Chrom und deren Oxide. Dabei wird zunächst Biogas durch anaerobe Gärung von organischen

Substanzen hergestellt. Es werden mehrere Schritte durchlaufen:

Zunächst ist eine Reinigung des Biogases notwendig. Durch Zugabe von Zinkoxid wird das Gas bei 400°C entschwefelt. Im Anschluss wird „ dem entschwefelten und vorgewärmtem Gas in einer Mischkammer Wasserdampf zugesetzt und im Reformer zu Synthesegas konvertiert. " (BANDI, ET AL., 2004 S. 14) Die Methanolgewinnung erfolgt dann bei 20- 80 bar Druck und 250-280°C.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 6: Eigenschaften Methanol (BIA GESTIS Stoffdatenbank, 2008)

Die hohe Oktanzahl zeigt eine hervorragende Eignung von

Methanol als Treibstoff auf. Allerdings ist die vollständige Mischbarkeit mit Wasser negativ zu bewerten, da dadurch die Gefahr einer Verunreinigung des Grundwassers bei Unfällen bestünde.

2.2.3. Methan-Synthese/ Biogas

Die konventionelle Methanherstellung aus Synthesegas verläuft gemäll der folgenden Gleichung über mehrere Schritte:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die biologische Variante der Methan-Synthese dagegen ist ein Gärprozess:

In der Verflüssigungsphase wird die Biomasse durch sog. Exoenzyme in ihre Einzelteile zerlegt. Dabei werden „die

20 Aminos a uren a us den Proteinen her a usgelöst, die Fette in ihre Fetts a uren gesp a lten, und die Kohlenhydr a te " zerlegt. (FISCHER, ET AL., 2007 S. 171) Der folgende Schritt ist die Versäuerung. Die zuvor gespaltenen Kohlenhydrate, die

Aminosäuren und Fettsäuren werden durch

Mikroorganismen anaerob verwertet, wodurch durch die Vergärung Alkohole, Propionsäuren12, Buttersäure13, Wasserstoff und Essigsäure entstehen. Im nächsten Schritt werden die entstandenen Stoffe durch eine andere Art

Mikroorganismen zu Essigsaure und Wasserstoff abgebaut. (sog. Acetogenese) Die Essigsaure wird wiederum zu Wasserstoff und Methan (55%) weiterverwertet. (FISCHER, ET AL., 2007) Es handelt sich also um einen mikrobiellen Abbau biogener,
organischer Stoffe in Anwesenheit von Wasser, im Sauerstofffreien, neutralen bis schwach alkalischem Milieu bei 20-55°C. (Baader, 1990)

Bei Methan als Kraftstoff kann die weitverbreitete

Erdgastechnologie der Fahrzeuge verwendet werden. Ein Nachteil bleibt die Schwierigkeit der Speicherung und der geringe Energiegehalt, wodurch sich der Verbrauch erhöht. Als alleinstehender Kraftstoff, wie Diesel, Benzin oder sogar Biodiesel, kann Methan nicht gelten. Die Herstellungskosten und auch die verfügbare Menge schlieflen die Möglichkeit der starken Verbreitung aus. Für die Methansynthese können allerdings alle Arten von Biomasse, aufler lignin- und cellulosehaltiger Biomasse verwendet werden.

Die Methan-Synthese ist allerdings wichtig in der Hinsicht auf einen weiteren Syntheseschritt, die Wasserstoff-Synthese:

2.2.3.1. Wasserstoff-Synthese

Im Anschluss an die Methan-Synthese kann mit Hilfe des Synthesegases durch das sog. Dampfreforming und die Shift-Reaktion Wasserstoff synthetisiert werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dabei wird im Schritt des Reformings ein Synthesegas hergestellt. Dazu wird dem Methan Wasserdampf zugesetzt und an einem heterogenen Katalysator endotherm umgesetzt. Im zweiten Prozessschritt, der Shift-Reaktion, wird der Kohlenmonoxidgehalt zugunsten des Wasserstoffgehalts reduziert. Dazu wird erneut Wasserdampf zugesetzt, wodurch das Kohlenmonoxid exotherm und katalytisch zu Kohlendioxid reagiert.

Für die Synthese wird feuchte Biomasse als am
geeignetsten bewertet, da sie bereits Wasserstoff enthält. Das durch eine Wirbelschichtvergasung entstehende Synthesegas wird bei 200-400°C im Shift-Reaktor katalytisch zu Wasserstoff und Kohlendioxid umgesetzt. Die beiden Gase müssen in einem
abschlieflenden Schritt getrennt werden. Dies geschieht durch Druckwechseladsorption. (RANFFT, 2006) Dabei wird das zu trennende Gas bei erhöhtem Druck durch eine Adsorptionsmittelschüttung geleitet. Das leicht adsorbierbare CO₂ lagert sich am Adsorptionsmittel an,
während H2 hindurch strömt. Hier wird durch Zeolithe als Adsorbens das Kohlendioxid adsorbiert und der Wasserstoff gewonnen (bei ca. 20bar) (KUHLMANN, 2007).

2.2.3. Kraftstoffe aus lignin- und cellulosehaltiger Biomasse

Der Syntheseweg von Kraftstoffen aus lignin- und cellulosehaltiger Biomasse ist der neueste Entwicklungsschritt in der Kraftstoffherstellung und zeichnet sich durch die Designbarkeit des Produkts aus. Der Prozess der Erzeugung ist komplex und beinhaltet eine mehrstufige thermochemische Umwandlung der Pflanzenmasse. Die Firma „Choren" entwickelt zusammen mit VW und Shell ein eigenständiges Verfahren zur BtL14- Herstellung. Das einzige, bereits existierende, zweistufige Verfahren, welches im Rahmen einer Pilotanlage bereits Kraftstoff synthetisiert. Dieser Kraftstoff ist unter mehreren Namen in der Fachliteratur zu finden. VW nennt ihn SunFuel®. Weiter gebräuchlich ist auch BtL, (Biomass to Liquids) benannt nach dem Prozess der „Kraftstofferzeugung aus Biomasse" und SynFuel für Synthetischer Kraftstoff.

[...]

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¹ „ Die bisher nachweisbaren Roh d lreserven reichen bei d em gegenwärtigen
weltweiten Roh d lverbrauch noch 40 Jahre. " (Umbach, 2004)

² Lignin:„Ein hochmolekularer, aromatischer Stoff, der in verholzenden Pflanzen die Rtiume zwischen den Zellmembranen ausf u ll und zu Holz werden ltisst 1...]. Lignin ist als höher molekularer Abkömmling des Phenylpropans aufzufassen. Je nach Holzart ist der Phenylring mit ein bis zwei Methoxy-Gruppen und die Propan-Einheit mit Hydroxy-Gruppen substituiert."(R6mpp Chemie Lexikon , 1995)

³ Primarenergieverbrauch: „ die Nutzung von Primtirenergietrtigern f u r Energiedienstleistungen wie Heizen, Beleuchten, Bewegen oder Produzieren. Dabei entstehen Umwandlungsverluste, so dass rund ein Drittel der Primtirenergie f u r die Umwandlung eingesetzt wird. Der Primtirenergieverbrauch ist in Deutschland seit Jahren r i k k ltiufig. " (Wissen.de, 2008)

⁴ Deshalb wird bs pw. in Japan an alternativen Methoden zur Biomasseerzeugung aus Algen gearbeitet.

⁵ (Sie h e Abb. 5)

⁶ Schritte eins bis drei übernommen aus (Eilks, 2000 S. 4)

⁷ Heizwert: „ (1-1u) [...] Ma 7 f u r die bei der Verbrennung eines Brennstoffs gebildete Wtirmemenge, die von

⁸ Enzyme: „ (veraltet: Fermente) Bezeichnung f u r eine umfangreiche Gruppe 1...]hochmolekularer Proteinen, die 1...] als biologische Katalysatoren durch Beeinflussung der Aktivierungsenergie die Reaktionsgeschwindigkeit chemischer Prozesse spezifisch zu erh o hen verm o gen. " (Rompp Chemie Lexikon , 1995)

⁹ Fermentation: ,, biochemisches Verarbeitungsverfahren 1...] durch Enzyme " (Brockhaus, 2004)

¹⁰ M ethanol zu Rapsmethylestera. (Eilks, 2000 S. 4)

¹¹ ETBE: Ethyl-tert-buthylether

¹² Pro pionsaLlre: Trivialname von Pro pansaLlre

¹³ BLlttersaLlre: Trivialname von BLltansaLlre

¹⁴ BtL: Biomass to Liquids