Kurs: Grundlagen und Perspektiven der Energiewende | OnCourse UB

  • Lektion 5

    • Biokraftstoffe

      Kraftstoffe enthalten chemische Energie die durch Verbrennung, in Verbrennungsmotoren, Turbinen und anderen Maschinen in Bewegungsenergie umgewandelt wird und zur Fortbewegung eingesetzt werden. Die meisten der derzeit verwendeten Kraftstoffe sind Produkte aus Erdöl, die wir schon in Kapitel 6 behandelt haben. Biokraftstoffe sind jedoch solche Kraftstoffe, die aus Biomasse gewonnen werden.
      Kraftstoffe sind sehr homogen, d.h. sie bestehen nur aus einer oder wenigen chemischen Verbindungen, die sich in ihren Eigenschaften ähnlich sind. Um Stoffe mit diesen Eigenschaften zu erzeugen muss Biomasse verarbeitet werden. Heute wird zwischen Biokraftstoffen der ersten und zweiten Generation unterschieden.

      Zu Biokraftstoffen der ersten Generation zählen Pflanzenöl, Biodiesel, Bioethanol und Biogas. Vereinzelt wird Biogas auch den Biokraftstoffen der zweiten Generation zugeordnet. Die Gewinnung von Biogas wurde bereits in der vorherigen Lektion besprochen. Es spielt derzeit eine geringe Rolle als Kraftstoff, ist aber nach Umbau in bestimmten Motoren einsetzbar. Es wird dann als CNG (Compressed Natural Gas) bezeichnet. 

      Pflanzenöl spielt nur eine geringe Rolle, daher werden hier vor allem Biodiesel und Bioethanol, die den Großteil der erneuerbaren Kraftstoffe im Verkehrssektor stellen, betrachtet. Beide können, bestimmte Modifikationen an den Motoren vorausgesetzt, auch in herkömmlichen Verbrennungsmotoren verwendet werden.


       

      Biodiesel wird aus ölhaltigen Pflanzen, bzw. deren Früchten gewonnen: u.a. Raps, Soja, Ölpalmen oder Sonnenblumen. Zunächst wird das Öl extrahiert und die Pflanzenrückstände häufig als Futtermittel eingesetzt. Diese müssen dann nur gereinigt werden. Die Öle werden dann chemisch verestert und zu sogenannten Fettsäuremethylestern umgewandelt. Fette und Öle bestehen aus einem Glycerinmolekül, an welches bis zu drei Fettsäuren angehängt sind. Diese Fettsäuren werden mit Hilfe eines Katalysators abgespalten und mit Methanol durch eine Esterbindung verknüpft. Daraus entstehen Fettsäuremethylester (FAME), bei Rapsöl auch als Rapsmethylester (REM) bezeichnet. Auch Altöle und Fette aus der Lebensmittelindustrie oder der Gastronomie können für diesen Prozess verwendet werden. Das Produkt wird dann als HVO (hydrotreated vegetable oil) bezeichnet.

      Die Fettsäuremethylester (FAME) sind deutlich weniger zäh und kommen den Eigenschaften von Diesel sehr nah und wird daher auch als Biodiesel bezeichnet. Er wird zum Teil normalem Diesel beigemischt, wobei der Anteil des Biokraftstoffs in Prozent aus der Bezeichnung des Kraftstoffs erkennbar ist. B10 zum Beispiel enthält 10% Kraftsoff aus Biomasse und B100 ist reiner Biodiesel.

      Der in Deutschland verwendete Biodiesel wird nur zum Teil in Deutschland gewonnen. Ein Großteil stammt aus Asien, wo er aus den Früchten der Ölpalme gewonnen wird (siehe Abbildung (Stand 2021)):

      (Grafik: Fehrenbach & Bürck (2022),S. 17)

      Aktuelle Daten zur Rohstoffzusammensetzung für die deutsche Biodieselproduktion erhalten Sie bspw. hier: https://biokraftstoffverband.de/biokraftstoffe/biodiesel/ 

       

      Bioethanol wird durch alkoholische Gärung gewonnen, indem der Zucker zuckerhaltiger Pflanzen wie Zuckerohr oder Zuckerrübe vergoren wird. Er kann aber auch aus Getreide, Mais und anderen stärkehaltigen Pflanzen gewonnen werden, indem die Stärke zuerst aufgeschlossen wird. Die Prozesse sind dabei denen bei der Herstellung mancher alkoholischen Getränke, wie Wein oder Bier, vergleichbar.

      Die Schritte der beiden hauptsächlichen Herstellungsverfahren sind die Folgenden: Maische oder Zuckersaft werden in einem Fermenter vergoren. Der Alkohol wird dann destilliert, indem das Gärgemisch erhitzt wird und das flüchtige Ethanol aufgefangen wird. Bei der Herstellung des Bioethanol fallen auch Reststoffe an, die als Futtermittel oder Substrat für Biogasanalagen verwendet werden können.

      Der in Deutschland eingesetzte Bioethanol wird, Stand 2021, vor allem aus Mais (48%) und andere Getreidesorten (33,7%) gewonnen. Nur ein kleinerer Teil wird aus Zuckerohr (9,7%) oder Zuckerrüben (2,9%) gewonnen. 5,7% werden aus Abfall gewonnen (Lauf et al. (2023)). Nur ein kleiner Teil der Biomasse stammt dabei aus Deutschland. Der überwiegende Teil wird aus verschiedenen europäischen Ländern importiert (siehe Grafik in Biodiesel).

    • Biokraftstoffe der zweiten Generation
      Gelegentlich werden, neben der zweiten Generation, auch noch Kraftstoffe der dritten Generation unterschieden, was wir uns hier nicht zu eigen machen. Kraftstoffe der zweiten Generation sind derzeit noch nicht auf dem Markt verfügbar. Prinzipiell werden diese aus fester Biomasse hergestellt, weswegen Biogas, gelegentlich auch dazu gezählt wird. Die anderen angestrebten Kraftstoffe sind aber flüssig, weswegen von Biomass to Liquid (BtL) Kraftstoffen gesprochen wird. Die Herstellung flüssiger Kraftstoffe aus ganzen Pflanzen oder Reststoffen wie Stroh und Holz erfordert komplexe Verfahren, die i.d.R. in zwei Schritten durchgeführt werden.

      Schritt 1: Zuerst wird aus der Biomasse mittels hoher Temperaturen durch Vergasung ein sogenanntes Synthesegas erzeugt. Das entstehende Gas besteht u. a. aus molekularem Wasserstoff (H2), Kohlenstoffmonoxid (CO) oder Methan. Dieses wird dann in einem zweiten Schritt mittels Fischer-Tropsch Synthese zu einem Kraftstoffgemisch umgewandelt. Diese Synthese ist seit den 1920er Jahren bekannt und funktioniert mittels hohen Druckes, Temperaturen von bis zu 200°C und dem Einsatz bestimmter Katalysatoren. Das Gemisch besteht zunächst aus Flüssiggasen, Benzin, Kerosin und Paraffinen und kann dann weiter aufgearbeitet werden, um den gewünschten Kraftstoff zu gewinnen. Dieses Verfahren wurde in Ländern, die keinen oder sehr begrenzten Zugang zu Öl hatten, in der Vergangenheit eingesetzt, um aus Kohle Kraftstoff zu gewinnen. Für die Gewinnung von Kraftstoff aus Biomasse werden derzeit verschiedene Ausgangsstoffe und Verfahren erprobt.

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