Bioethanol auf Basis von Industrieabfallstoffen

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Einführung
1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise
1.3 Thematische Abgrenzung

2 Bioethanol
2.1 Bioethanolmarkt
2.1.1 Globaler Bioethanolmarkt
2.1.2 Deutscher Bioethanolmarkt
2.2 Preisentwicklung Bioethanol

3 Grundlagen der Herstellung von Ethanol
3.1 Biochemische und verfahrenstechnische Grundlagen
3.1.1 Zucker-, Stärke- und Zelluloseaufbau
3.1.2 Stärkeaufschluss
3.1.3 Zelluloseaufschluss
3.1.4 Fermentation
3.1.5 Destillation/Rektifikation
3.1.6 Entwässerung des Ethanols
3.1.7 Schlempe/ Koppelprodukte/ Nebenprodukte
3.2 Ethanolgewinnung aus zucker-, stärke-, und zellulosehaltigen Pflanzen

4 Herstellung von Bioethanol aus Industrieabfällen
4.1 Verwertbare Industrieabfälle/ -reststoffe
4.1.1 Abfall und Reststoff Aufkommen
4.1.2 Einflussfaktoren auf die Planung einer Abfallstoff-Ethanolanlage
4.2 Verfahren und Konzepte
4.2.1 Lingninsubstrat
4.2.2 Molke
4.2.3 Kohlenstoffdioxid

5 Ökonomische Bewertung der Bioethanolproduktion aus
Industrieabfällen
5.1 Bioethanolgewinnung aus Abfällen einer Molkerei
5.1.1 Rohstoffkosten
5.1.2 Konversionsprozesse
5.1.3 Koppelprodukte
5.1.4 Ethanolherstellungskosten
5.2 Ökonomischer Vergleich zwischen Abfällen und nachwachsenden
Rohstoffen
5.2.1 Ethanolherstellungskosten
5.2.2 Vergleich Brutto-Produktionskosten
5.3.3 Vergleich Netto-Produktionskosten

6 Schlussfolgerung

7 Literatur.

8 Anhang

Abbildungsverzeichnis

Abb.1.: Kraftstoffpreise: E-85 vs. Superbenzin

Abb.2.: Verfahrensablauf der Ethanolproduktion

Abb.3.: Abfall- und Reststoffe für die Ethanolherstellung

Tabellenverzeichnis

Anhang 1:

Tabelle 1.: Bioethanolabsatz

Tabelle 2: Investitionskosten Molkenmelasse-Ethanolanlage

Tabelle 3: Nebenkostenübersicht Molkenmelasse-Ethanolanlage

Tabelle 4: Personalkostenübersicht Molkenmelasse-Ethanolanlage

Tabelle 5: Produktionskostenübersicht Molkenmelasse-Ethanolanlage

Tabelle 6: Produktionskostenvergleich

Anhang 2:

Tabelle 7a: Arbeitskräfte für MMEA Kapazität 10 Mio. Liter Bioethanol

Tabelle 7b: Arbeitskräfte für MMEA Kapazität 5 Mio. Liter Bioethanol

Tabelle 7c: Arbeitskräfte für MMEA Kapazität 2 Mio. Liter Bioethanol

Tabelle 7d: Arbeitskräfte für AEA Kapazität 400 Mio. Liter Bioethanol

Tabelle 8a: Betriebsmittelkosten

Tabelle 8b: Betriebsmittelkosten Annex-Ethanol-Anlage

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Einleitung 1

1.1 Einführung

Der weltweite Erdölverbrauch steigt jährlich, aber die Förderung gestaltet sich zunehmend schwieriger. Dies ist einer der wichtigsten Gründe, weshalb der Erdölpreis auf lange Sicht steigen wird (vgl. Weyerstrass et al., 2008: 24). Die fossilen Kraftstoffe sind begrenzt und setzen bei der Verbrennung Kohlenstoffdioxid frei, das einen nicht unerheblichen Teil zur beschleunigten Erderwärmung beiträgt. Diese ökologischen und ökonomischen Faktoren veranlassten in der Vergangenheit die Suche nach alternativen Kraftstoffen und erzeugten so eine wachsende Nachfrage an regenerativen, umweltschonenden Biokraftstoffen. Hierdurch entstand ein Rohstoff-Konflikt auf den landwirtschaftlichen Flächen zwischen Nahrungsmittel und Biokraftstoffen. Die steigende Biokraftstoffnachfrage soll einer der Gründe für die Nahrungsmittelkrise im Jahre 2008 gewesen sein (vgl. Hermeling, Wölfing, 2011: 19ff). Bioethanol, das den größten Anteil an den Biokraftstoffen ausmacht (vgl. Hermeling, Wölfing, 2011: 9), entsteht nicht nur aus dem für die Zuckerherstellung genutzten Zuckerrohr, sondern auch aus Grundnahrungsmitteln wie Weizen, Mais und Reis. Ein weiterer Kritikpunkt ist, dass nur ein Teil der Pflanzen zu Ethanol vergoren wird, der Rest dient nur noch als Viehfutter oder Dünger. Bei einigen Verfahren zur Ethanolherstellung mit Einsatz von Braunkohle-Kraft-Wärme-Kopplung auf Basis von Zucker- und Stärkepflanzen wird mehr Kohlenstoffdioxid produziert, als die Pflanzen vorab speichern konnten, was eine negative Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten-Bilanz nach sich zieht (vgl. Kastenhuber, 2007: 123) und dem eigentlichen ökologischen Sinn eines Biokraftstoffes widerspricht.

Eine wahre umweltfreundliche Alternative könnten Biokraftstoffe aus biogenen Industrieabfällen sein. Gerade in Industrieländern, die einen hohen Kraftstoffbedarf besitzen, entstehen täglich große Mengen von Reststoffen, die sich oft ohne aufwendige Vorbereitung für die Ethanolerzeugung eignen würden und einen wesentlichen Teil zur Kraftstoffversorgung beitragen könnten. Eine kritische, ökonomische und ökologische Betrachtung der potenziellen Industrieabfälle für die Ethanolerzeugung und deren Verfahren wäre für die Einschätzung der Möglichkeiten sowie Grenzen dienlich.

1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise

Vorab soll dieses Werk nicht nur Konzepte, sondern bereits verwirklichte Verfahren der Bioethanolherstellung aus Industrieabfällen vorstellen. Überwiegend widmet sich diese Bachelorarbeit speziell der Betrachtung und – soweit möglich – der Bewertung des ökonomischen Potenzials der Nutzung von Abfällen und Reststoffen der Industrie zu Gewinnung von Bioethanol. Die ökonomische Betrachtung und Bewertung fokussiert sich zu Beginn auf den Einsatz von Molkenmelasse als Abfallstoff für die kommerzielle Bioethanolproduktion. Daraufhin folgt ein ökonomischer Vergleich zwischen der Produktion des Bioethanols aus Molkenmelasse mit Bioethanol aus landwirtschaftlicher Biomasse. Dieser Vergleich soll ein mögliches wirtschaftliches Steigerungspotenzial der deutschen Ethanolproduktion aufzeigen.

1.3 Thematische Abgrenzung

Die Betrachtung und Erläuterung umfasst alle Prozessschritte und Produkte der Ethanolherstellung, die für ein Grundverständnis und eine ökonomische Bewertung von Bedeutung sind. Soweit nicht anders angegeben beziehen sich sämtliche Daten, Werte, Angaben und Betrachtungen auf den Standort Deutschland. Diese räumliche Abgrenzung ist für eine homogene Bewertung notwendig, da die Rahmenbedingungen hinsichtlich Arbeitslohn, politischen Instrumenten der Förderung von Biokraftstoffen, Steuern, Produktionskosten, Industrieabfall-Aufkommen sowie der inländischen Verteilung global sehr unterschiedlich sind.

2 . Bioethanol

Bioethanol oder Ethanol ist eine organische Verbindung aus zwei Kohlenstoffatomen, Wasserstoff und einer Hydroxylgruppe. Ethanol wird meistens umgangssprachlich als Alkohol bezeichnet, da es der bekannteste Vertreter der Alkohole ist und ein Genussmittel darstellt. (vgl. Kastenhuber, 2007: 17f)

Bioethanol gehört zu den am häufigsten verwendeten Biokraftstoffen. Die überwiegende Verwendung von Bioethanol als Kraftstoff geschieht über unterschiedliche Mischverhältnisse mit Ottokraftstoffen. Lediglich in Brasilien wird durch den Einsatz spezieller Ethanolmotoren reines Ethanol E-100 als Kraftstoff genutzt. Der eingeschränkte Einsatz von reinem Ethanol als Kraftstoff beruht auf der nachteiligen Eigenschaft, dass reiner Alkohol leichter Feuchtigkeit aus der Umgebung bindet, was die Zündeigenschaften verschlechtert (vgl. Henniges 2007: 26).

Ein genereller Nachteil von Ethanol ist der geringe Energiegehalt im Vergleich zu anderen Kraftstoffen. Ein Liter Ethanol ersetzt etwa 0,66 Liter Normalbenzin (vgl. Brysch, 2008: 38). Der energetische Nachteil gegenüber anderen Kraftstoffen entsteht durch den sehr viel höheren Sauerstoffanteil im Ethanol, wiederum führt dieser zu einer besseren Verbrennung und damit zu einer Leistungssteigerung des Motors (Putensen 2005: 39). Beim Einsatz von E-85 statt Normalbenzin ergibt sich ein Mehrverbrauch an Kraftstoff von maximal 46 %, abhängig von der Hubraumgröße eines Ottomotors (vgl. Maierhofer, 2011).

Vorteile bietet Ethanol als Gemisch mit z. B. Normalbenzin, es können damit gängige Ottomotoren betrieben werden – bis zu einen Ethanolanteil von 25 %. Die hohe Oktanzahl von Ethanol im Vergleich zu anderen Kraftstoffen führt dazu, dass es als Oktanzahlverbesserer zugemischt wird. Eine Beimischung ermöglicht eine bessere Nutzung des optimalen Leistungspotenzials der Motoren und erhöht den Wirkungsgrad (leichte Leistungssteigerung des Motors) (vgl. Brysch, 2008: 38). Es bestehen zwei Möglichkeiten, Ethanol auf diese Weise zu nutzen. Die eine Möglichkeit ist eine direkte Beimischung von Ethanol zu Benzin, dabei entsteht z. B. E-5. Die indirekte Beimischung geschieht in Form von Ethyltertiär-Butyl-Ether (ETBE), der aus Ethanol (47 % Volumenanteil) und aus Erdöl gewonnenen Isobutylen (53 % Volumenanteil) entsteht (vgl. Putensen, 2005: 35). ETBE darf laut Qualitätsnorm bis zu 15 % beigemischt werden (vgl. Brysch, 2008: 38f). Die zunehmend bevorzugte Ethanol-Beimischung ist das s. g. E-85, dabei wird tatsächlich 15 % Benzin dem Ethanol beigemischt. Nicht alle Ottomotorkomponenten vertragen einen hohen Ethanolanteil (vgl. Henniges, 2007: 24) und die Verbrennung muss auf ein solches Gemisch abgestimmt werden. Bis auf wenige alte Fahrzeugmodelle können aber alle KFZ mit einem Ottomotor auf einen solchen Ethanolbetrieb gegen geringe Kosten umgerüstet werden (vgl. C.A.R.M.E.N, 2012). Fahrzeughersteller produzieren seit 2003 auf der ganzen Welt FFV (Flexible Fuel Vehicles), die serienmäßig mit E-85 betrieben werden können (vgl. Henniges, 2007: 27).

Der Vorteil der FFV und der umgerüsteten Fahrzeuge ist, dass sie mit allen Ethanol-Gemischen bis zu einem 85 %-Ethanolanteil betrieben werden können.

2.1 Bioethanolmarkt

2.1.1 Globaler Bioethanolmarkt

Das Wachstum des globalen Bioethanolmarktes lässt sich anhand der stetig steigenden Produktionszahlen von Bioethanol beobachten. In den Jahren von 2008 bis 2010 stieg die Jahresproduktion von 67 Mrd. auf 86 Mrd. l Bioethanol (vgl. REN21, 2011: 15). Der globale Bioethanolmarkt wird von Brasilien und den USA dominiert. Die beiden führenden Länder in der Bioethanolproduktion erzeugten zusammen im Jahre 2010 88 % des gesamten Bioethanols (vgl. REN21, 2011: 13).

Brasilien, wie auch die USA, begannen in den 1970er Jahren, hervorgerufen durch die Ölkrise, mit der Ethanolproduktion. Als Rohstoff verwendet die USA hauptsächlich Mais, und Brasilien nutzt Zuckerrohr für die Ethanolproduktion. Beide Regierungen beschlossen Förderungsmaßnahmen und Gesetze, wie das brasilianische PROALCOOL Programm, um Unabhängigkeit von der Rohölversorgung sowie der Preisentwicklung des Rohöls durch die OPEC zu erlangen (vgl. Becker, 2011: 7ff). Die Länder entwickelten sich in den folgenden Jahrzehnten zu den weltgrößten Erzeugern und Verbrauchern von Bioethanol. Brasilien war bis 2009, aufgrund der niedrigen Produktionskosten von 0,17 bis 0,19 €/l (vgl. Henniges 2007: 68) und der Tiefstpreise für Zucker sowie hoher Rohölpreise, der größte Exporteur für Bioethanol (vgl. Klepper, 2011: 97). Die starke Abhängigkeit zur Zuckerindustrie zeigte im Jahre 2010 die Schwächen des brasilianischen Exporteurs. Durch den Anstieg des Zuckerpreises verlagerte sich die Produktion zuungunsten des Ethanols (vgl. Klepper, 2011: 98). Ein Export des Ethanols war ökonomisch nicht vertretbar. Dies führte dazu, dass der traditionelle Markt in Europa wegbrach (vgl. REN21 2011: 36). Die USA wurden zum führenden Exporteur für Bioethanol (vgl. REN21 2011: 13). Die großzügigen Ethanolproduktions-Subventionen der US-Regierungen und niedrige Erlöse aus dem Verkauf von Mais als Nahrungsmittel waren wirtschaftliche Anreize für die Landwirte, Mais als Rohstoff für eine eigenständige Ethanolproduktion in Betracht zu ziehen. Trotz der staatlichen Förderung waren die Produktionskosten wie z. B. im Jahre 2007 ca. 0,25-0,29 €/l (vgl. Henniges, 2007: 75) sehr viel höher als die des brasilianischen Bioethanols. Ein weiterer Transport bis nach Europa wäre nur bedingt wirtschaftlich, deshalb exportiert die USA überwiegend nach Kanada. Nur 3,4 Mio. l Bioethanol wurden von den zwei führenden Ethanolproduzenten nach Europa geliefert (vgl. Neumann, 2011: 11). Die globale Nachfrage an Bioethanol wird in den kommenden Jahrzehnten weiter steigen, hervorgerufen durch Umweltbestimmungen in Ländern der ganzen Welt. Beimischungsquotengesetze für Bioethanol bestehen in den zwei größten Bioethanolabsatzmärkten bereits seit einigen Jahrzehnten und seit einigen Jahren in viele Länder der Europäischen Union.

Weitere Länder Asiens planen die Einführung von Gesetzen mit ähnlichen Beimischungspflichten (vgl. REN21, 2011: 60, 86). Die Ziele gehen über den Erlass hinaus, gefordert sind stetige Steigerungen der Quoten, um den Biokraftstoffanteil am gesamten Kraftstoffverbrauch zu erhöhen (vgl. Klepper, 2011: 89).

2.1.2 Deutscher Bioethanolmarkt

Die Nutzung von Ethanol als Kraftstoff wurde in der Vergangenheit von der deutschen Regierung vernachlässigt, stattdessen konzentrierten sich die Bemühungen darauf, Biodiesel als ökologische Alternative zu fossilen Kraftstoffen zu nutzen. (vgl. Kastenhuber, 2007: 38) Die Entwicklung und das Wachstum eines Ethanolmarktes innerhalb eines Landes zeigt starke Abhängigkeit von Politikinstrumenten der Regierungen. Dies beinhaltet Steuerbefreiungen, Subventionen und Quotenregelungen. Der Ethanolmarkt im Kraftstoffsektor beschränkte sich vor 2006 lediglich auf den Absatz des Kraftstoffzusatzes ETBE. Mit dem Beschluss des Biokraftstoffquotengesetzes im Jahre 2007, wodurch die Ottokraftstoffhersteller zu Beginn gezwungen waren, den Anteil von Ottokraftstoff durch mindesten 1,2 % Bioethanol zu ersetzen (vgl. BGBI. I, 2006: 3185), entwickelte sich ein stetig wachsender Bioethanolmarkt innerhalb des deutschen Kraftstoffsektors. Die Quote sollte bis 2010 jährlich um 0,8 Prozentpunkte auf einen Mindestanteil von 3,6 % Bioethanol in Ottokraftstoffen steigen. Jedoch wurde durch einen neuen Erlass im Jahr 2009 der Mindestanteil auf 2,8 % gesenkt (vgl. Hermeling, Wölfing, 2011: 57). Dennoch wuchs durch die aufgezwungene erhöhte Nachfrage der Bioethanolabsatz in dem genannten Zeitraum bis 2010 um mehr als das Doppelte auf 1,16 Mio. t Bioethanol, wie in der Tabelle 1 zu sehen ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Ein weiterer Trend lässt sich aus der Tabelle 1 entnehmen, der Absatz an E-85 hat sich in den Jahren von 2007 bis 2010 auf ca. 13.000 t mehr als verdoppelt. Der BDBe gibt sogar eine Absatzmenge von 18.000 t E-85 für das Jahr 2010 an (vgl. BDBe, Marktdaten 2012: 1). Begründet durch die Steuerbefreiung von Bioethanol bis 2015 entstand im Zeitraum von Anfang 2008 bis Anfang 2012 ein durchschnittlicher Preisunterschied zwischen E-85 und Superbenzin von 0,43 €/l, wie in der Abbildung 1 zu sehen ist.

Abbildung 1: Kraftstoffpreise: E-85 vs. Superbenzin

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Veränderte Darstellung, vgl. C.A.R.M.E.N, 2012a

Nur bei Fahrzeugen, deren Mehrverbrauch durch die Verwendung von E-85 auf das Maximum von 47 % steigt, kann der Preisunterschied häufig nicht den Mehrverbrauch kompensieren und E-85 stellt keine ökonomische Alternative zum Superbenzin dar (siehe Abbildung 1). Die Infrastruktur für E-85 hat sich in den letzten Jahren deutlich verbessert, immer mehr freie Tankstellen bieten den Biokraftstoff an. In den letzten drei Jahren stieg die Zahl von 272 auf nun 336 Tankstellen (BDBe Marktdaten 2012). Die deutsche Jahresproduktion 2011 aus den Hauptrohstoffen Futtergetreide und Zuckerrüben betrug 576.828 t Bioethanol, dem gegenüber steht eine Absatzmenge von 1,24 Mio. t Bioethanol (BDBe Marktdaten 2012: 1ff). Bereits im Jahr 2011 wurde mehr als doppelt so viel Bioethanol verbraucht, als im Inland produziert wurde. Die Entwicklung des Ethanolmarktes zeigt, dass in den folgenden Jahren dieses Defizit im Angebot weiter wachsen wird, denn die ausschlaggebenden Gründe für ein Wachstum, die Steuerbefreiung und eine unter Quotenregelung für Bioethanol, bestehen bis 2015. Darüber hinaus tritt im Anschluss das Treibhausgasemissionsgesetz in Kraft (vgl. BGBI. I, 2009, 1804).

2.2 Preisentwicklung Bioethanol

Die Preisentwicklungen von Bioethanol bestimmen die folgenden Faktoren: die Lebensmittelpreise, der Rohölpreis und diverse Politikinstrumente zur Förderung von Biokraftstoffen. Der Bioethanolpreis unterliegt großen Schwankungen, z. B. bestand im Zeitraum von September 2011 bis August 2012 zunächst ein Preis von 0,74 $/l, der bis auf 0,54 $/l sank und zum Ende des Zeitraumes innerhalb von 3 Monaten wieder auf annährend 0,73 $/l anstieg (Rohstoffbörse 2012).

Eine Prognose über die kurzzeitige Entwicklung des Preises ist aufgrund der vielen Faktoren und deren unterschiedliche Gewichtung nur bedingt möglich. Zurzeit werden die Preise überwiegend durch politische Instrumente beeinflusst. In den USA bestand im Jahr 2010 eine Subventionierung von 0,45 $ je Gallone reinen Ethanols, das Normalbenzin beigemischt wurde. Zudem besteht seit 1980 eine Zollgebühr von 0,54 $ je importierte Gallone Ethanol. Ähnliche Maßnahmen bestehen in allen Ländern, die Bioethanol produzieren, dazu gehört auch Deutschland. (vgl. Hermeling, Wölfing, 2011: 48-52) Die politischen Maßnahmen bewirken zum einen die Senkung der Produktionskosten im Inland durch Subventionen und gleichzeitig schützen die Import-Zollgebühren die im Inland herrschenden Marktpreise vor billigem Bioethanol aus Brasilien. Nach Berechnungen von Henniges würde im Extremfall bei einem Wegfall der Importzölle, unter der Annahme geringer Marktpreise in Brasilien, bei einer Lieferung nach Deutschland, der Bioethanolpreis nur noch 0,18 €/l betragen (vgl. Henniges 2007: 119). Dies ist jedoch aus aktueller Sicht in dem nächsten Jahrzehnt nicht zu erwarten. Wie im Kapitel (2.1.1) erwähnt verursachte ein enormer Anstieg der Zuckerpreise die Reduzierung der Ethanolherstellung, dadurch stieg der Bioethanolpreis im Inland und es musste sogar Bioethanol nach Brasilien importiert werden. Ein weiterer wichtiger Faktor für die Bildung des Bioethanolpreises ist der Rohölpreis. Biokraftstoffe gelten als kostengünstiger Ersatz für fossile Kraftstoffe, solange der Biokraftstoffpreis sich unter dem der fossilen Kraftstoffe befindet. Die Preise für fossile Kraftstoffe unterliegen konjunkturellen Schwankungen, jedoch ist eine Preissteigerung langfristig zu erwarten, hervorgerufen durch das Wachstum der Schwellenländer und dem daraus resultierenden steigenden Energiebedarf (Putensen 2005: 119). Auf Grundlage dessen ist davon auszugehen, dass der Preis von Bioethanol bei steigenden Rohölpreisen unabhängig von der Nachfrage, die durch die Politikinstrumente ausgelöst wird, ebenso steigt.

Die Rohstoffe für die weltweite Ethanolproduktion sind landwirtschaftliche Erzeugnisse. Die Rohstoffkosten machen den größten Anteil an den Gesamtherstellungskosten von Bioethanol aus. Damit beeinflussen die Lebensmittelpreise indirekt die Preise des Ethanolmarktes (vgl. Klepper, 2011: 91). In Deutschland wird neben der Zuckerrübe überwiegend auf importiertes Getreide zur Ethanolherstellung gesetzt. Damit beeinflusst der globale hohe Weizenpreis den deutschen Ethanolpreis, dieser steigt jedoch nicht unmittelbar im gleichen Umfang, wenn gleichzeitig hohe Futtermittelpreise vorliegen. Der Erlös durch die Koppelprodukte (z. B. Futtermittel) aus der Ethanolproduktion kompensiert zum Teil die höheren Rohstoffkosten.

Aufgrund aller erwähnten Faktoren, die den Bioethanolpreis beeinflussen, und deren Entwicklung ist nicht damit zu rechnen, dass der globale Bioethanolpreis in nächster Zukunft erheblich fallen wird. Dies schließt ebenso den Bioethanolpreis in Deutschland mit ein. Nur in Extremfällen ist eine rasche, dauerhafte und erhebliche Senkung der Ethanolpreise zu erwarten.

Der steigende globale Biokraftstoffbedarf müsste durch die Erschließung neuer Rohstoffe, Prozessoptimierung, Ertragserhöhung und durch wissenschaftliche Fortschritte schlagartig kompensiert werden, um ein Überangebot an Bioethanol zu erzeugen und damit den Preis massiv zu senken. Eine genauere Analyse der Preisentwicklung von Bioethanol ist wünschenswert, soll aber nicht Bestandteil dieser Arbeit sein. Nach der FAPRI (Food and Agricultural Policy Research Institute) fällt der Weltmarktpreis von Ethanol (dieser orientiert sich am brasilianischen Ethanolpreis) bis ins Jahr 2035 nicht unter 2 $ je Gallone (FAPRI, 2011: 1). Dies bedeutet nach der Rechnung 1a einen Bioethanolpreis von 406 €/m³. Für die ökonomischen Bewertungen, die in den späteren Kapiteln folgen, wird unterstellt, dass der deutsche Ethanolpreis in den nächsten Jahren nicht unter den brasilianischen Ethanolpreis 406 €/m³ fällt.

Rechnung 1a: globaler Ethanolpreis in Euro/1000 Liter

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Erläuterung der Rechnung 1a in Anhang 1 unter Gleichung 1.

Der Vollständigkeit halber muss erwähnt werden, dass ein Unterschreiten dieses Preises nur unter folgenden Annahmen denkbar wäre. Die Zollgebühren für importiertes Bioethanol in Europa entfallen völlig, die Zuckerpreise fallen und bleiben konstant niedrig. Dies erzeugt Anreize für Brasilien, den zweitgrößten Ethanolexporteur der Welt, Die Produktion zu steigern, um den europäischen Markt mit günstiger produziertem Bioethanol zu beliefern. Bioethanolpreis von nur 180 €/m³ in Europa und Deutschland wären, wie auch schon zu Beginn des Kapitels erwähnt, nur unter den genannten Extremfällen zukünftig möglich.

3 Grundlagen der Herstellung von Ethanol

Primär wird Ethanol aus zucker- und stärkehaltigen Pflanzen (z. B. Weizen, Zuckerrohr, Mais) durch Gärung mittels Hefen gewonnen. Nur der Zucker- und der Stärkeanteil werden vergoren. Diese landwirtschaftlichen Rohstoffe lassen sich in Konversionsanlagen, die nur einen bestimmten Rohstoff nutzen, sowie Annexanlagen, die mehrere Rohstoffe verarbeiten, oder in Brennereinen vergären (vgl. Putensen, 2005: 5). In Abbildung 2 ist eine schematische Darstellung der Ethanolproduktion mit Mais-Einsatz aufgezeigt.

Abb.2.: Verfahrensablauf der Ethanolproduktion

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Kaltschmitt (2009) Abb. 15.22

Sekundär wird Ethanol aus Zellulose (z. B. Pflanzenreste, Stroh, Holzresten) hergestellt. Diese Prozesse sind aktuell jedoch in der Ausführung energie- und kostenintensiver als Verfahren der Zucker- und Stärkevergärung. (vgl. Kastenhuber, 2007: 72f)

3.1 Biochemische und verfahrenstechnische Grundlagen

3.1.1 Zucker-, Stärke- und Zelluloseaufbau

Pflanzen sind in der Lage, das eingestrahlte Sonnenlicht als Energiequelle für die Prozesse der Fotosynthese zu nutzen und die Wasser-Moleküle in die Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Über die Luft aufgenommenes Kohlenstoffdioxid bindet sich mit dem erzeugten Wasserstoff in der Pflanze zu dem Kohlenhydrat Glucose, das als Energiesubstrat dient. Glucose ist das einzige Substrat, das direkt zu Ethanol vergoren werden kann. (vgl. Putensen, 2005: 5)

Das Polysaccharid Stärke entsteht aus Glucose-Bausteinen, hierbei handelt es sich um die wichtigste Nahrungsreserve der Pflanzen. Das Polysaccharid besteht aus zwei Bestandteilen,

Grundlagen der Herstellung von Ethanol 10

zu 70 bis 90 % aus wasserunlöslichem Amylopektin und zu 10 bis 30 % aus wasserlöslicher Amylose. (vgl. Kaltschmitt, 2009: 45)

Zellulose ist der am häufigsten verbreitete organische Stoff auf der Welt, der in den Pflanzenzellwänden als Gerüstbausubstanz fungiert, aber nur bedingt für den menschlichen Verzehr geeignet ist. Wie die Stärke entsteht Zellulose aus Glukose-Bausteinen, Zellulose ist ein Polymer, das fast vollständig aus gleichartigen D-Glucosemolekülen über ß-(1-4)- Bindungen kettenförmig verzweigt vorliegt. Dabei kann die Kettenlänge der Zellulose stark variieren und bis zu 14000 Glukose-Moleküle beinhalten. (vgl. Kaltschmitt, 2009: 336f)

Weitere Polymere sind die Hemicellulose und das Lignin. Die Hemicellulose besteht nicht aus gleichartigen D-Glucosemolekülen und ist deshalb nur ein Sammelbegriff für eine hohe Anzahl von zelluloseähnlichen Verbindungen. Hemicellulose besteht aus unterschiedlichen Zuckern (Mannose, Galactose). Dieser Aufbau ermöglicht es eine Vielzahl von Funktionen zu erfüllen. Lignin kommt nur in Begleitung von Cellulose und Hemicellulose in der Natur vor. Es ist für die Verholzung von Pflanzen verantwortlich. Lignin besteht nicht aus Glucose-Bausteinen, somit ist es für die Fermentation ungeeignet. (vgl. Kaltschmitt, 2009: 337)

3.1.2 Stärkeaufschluss

Stärke benötigte eine Vorbehandlung, bevor sie zu Ethanol vergoren werden kann. Die in den Zellwänden befindliche Stärke muss zunächst mit mechanischen und thermischen Prozessen herausgelöst werden. Dieser Prozess wird als Verkleisterung bezeichnet. Dabei bildet die Stärke mit dem heißen Wasser einen Kleister. Die Verkleisterung ist entscheidend für die folgende enzymatische Reaktion. Zwei enzymatische Reaktionen sind für den Abbau der verkleisterten Stärke in Zucker verantwortlich. Die α-Amylasen hydrolisiert (verflüssigt) die Stärke, indem es einige glykolytische Verbindungen des Polysaccharids löst, es entstehen dabei Oligosaccharide, die nur noch aus 7 bis 10 Glucose-Molekülen bestehen. Die Glucoamylasen und die β-Amylasen bewirken die nächste Hydrolyse und verzuckern die nun verflüssigte Stärke. Dabei werden die entstandenen Oligosaccharide weiter in die einzelnen Glucose-Moleküle aufgespalten. Erst nach diesen thermischen und enzymatischen Prozessen kann die Vergärung der Glucose beginnen. (vgl. Kaltschmitt, 2009: 794ff)

3.1.3 Zelluloseaufschluss

Der Aufschluss von Zellulose und Hemicellulose ist im Vergleich zum Stärkeaufschluss aufwendiger. Die miteinander mehrfach verknüpften Zellulose- und Hemicellulosemoleküle bilden kristalline Strukturen und sind eng mit Lignin und Pektin verbunden, was eine enzymatische Hydrolyse erschwert. Erst nach Zerstören der kristallinen Strukturen kann eine enzymatische Hydrolyse stattfinden. Dies kann mechanisch durch Vermahlung geschehen oder mittels eines energieintensiven Hochdruck-Dämpf-Verfahrens bewerkstelligt werden. Darauf folgt wie bei der Stärke die enzymatische Hydrolyse. (vgl. Kaltschmitt, 2009: 798ff)

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