Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff: Umsetzungsgrad und Stand der Technik in Österreich
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FACHHOCHSCHUL-BACHELORSTUDIENGANG
Bio- und Umwelttechnik
Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff:
Umsetzungsgrad und Stand der Technik in
Österreich
ALS BACHELORARBEIT EINGEREICHT
zur Erlangung des akademischen Grades
Bachelor of Science in Engineering
von
Stephan Wüscht
Februar 2010
Betreuung der Bachelorarbeit durch
DI Harald Bala MSc
Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
Eidesstattliche Erklärung
Hiermit versichere ich an Eides statt, dass ich die vorliegende Bachelorarbeit ohne fremde Hilfe und
ohne Benutzung anderer als der angegebenen Quellen und Hilfsmittel angefertigt und die den
benutzten Quellen wörtlich oder inhaltlich entnommenen Stellen als solche kenntlich gemacht habe.
Diese Arbeit wurde in gleicher oder ähnlicher Form noch bei keiner anderen Prüferin/ keinem
anderen Prüfer als Prüfungsleistung eingereicht.
Wels, 12.2.2010
(Ort und Datum) (Unterschrift)
-II-
Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
Zusammenfassung und Abstract
Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff: Umsetzungsgrad und Stand der
Technik in Österreich
Stephan Wüscht
Zusammenfassung:
Erste Anzeichen des Klimawandels und sinkende Rohölreserven zwingen uns zum Umdenken im
Bereich der Verkehrsindustrie. In dieser Arbeit wird der Stand der Technik, sowie der
Umsetzungsgrad von biogenen Kraftstoffen in Österreich ermittelt. Dazu werden österreichische
Produktionsanlagen auf die verwendeten Rohstoffe und die jährlichen Produktionskapazitäten
untersucht. Ebenso wird die österreichische Tankstelleninfrastruktur von Ethanol, Biodiesel und
Biogas ermittelt. Es stellt sich heraus, dass Österreich die bisherigen Kraftstoffziele der EU übertraf
und sich seine Ziele für die kommenden Jahre höher als die EU steckt. Die Verwendung von
Biokraftstoffen erfolgt in Österreich fast ausschließlich durch die Substitution von fossilen
Brennstoffen. Lediglich ein geringer Anteil wird in Reinform über das kleine, aber bestehende und
wachsende Tankstellennetz vertrieben. Das Ziel der kommenden Jahre ist die flächendeckende
Nutzung von biogenen Treibstoffen, um eine Reduktion der Treibhausgase bis zur Markteinführung
emissionsfreier Antriebskonzepte zu erreichen.
Abstract:
The first signs of climate change and decreasing reserves of crude oil will force us to rethink the
current situation of the transport sector. This thesis reflects the austrian state of technology, as well
the grade of conversion of renewable fuels. Austrian production lines are tested on the used raw
materials and the annual production capacity. Also the infrastructure of renewable petrol stations is
determined. It turns out that Austria has higher aims for the use of renewable fuels than the EU.
Most of the austrian biogenic fuel that is put into circulation is implemented as substitute of fossil
fuel. Only a small amount is diffused in pure form over the small, but existing and growing
network of renewable petrol stations. We have to use renewable energy in the following years as
much as possible to decrease the emission of greenhouse gases until the market launch of emission-
free drive concepts.
-III-
Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
Inhaltsverzeichnis
1.Einleitung 1
1.1.Problemstellung 1
1.2.Zielsetzung 1
1.3.Erneuerbare Kraftstoffe und neue Antriebskonzepte 2
1.3.1.Geschichte der erneuerbaren Kraftstoffe 2
1.3.2.Antriebskonzepte 3
1.4.Ausblick über die mögliche Entwicklung der biogenen Kraftstoffe 4
1.4.1.Unterscheidung Biokraftstoffe 1. und 2. Generation 5
1.4.2.Vorreiter der Biokraftstoffherstellung 6
1.5.Klimaschutzziele der EU 7
1.6.Ethanol als Kraftstoff 9
1.6.1.Entstehungsprozess 10
1.6.2.Kraftstoffspezifikation für Ethanol 16
1.7.Pflanzenöle und Biodiesel als Kraftstoff 17
1.7.1.Entstehungsprozess von Pflanzenöl 19
1.7.2.Weiterverarbeitung des Pflanzenöls zu Biodiesel 21
1.7.3.Kraftstoffspezifikation für Biodiesel 21
1.8.Biogas als Kraftstoff 23
1.8.1.Entstehungsprozess 24
1.8.2.Kraftstoffspezifikationen für Erd- und Biogas 26
1.8.3.Aufbereitung von Biogas 28
1.9.Biomass-to-Liquid (BtL) 31
1.9.1.Herstellung 31
2.Erneuerbare Treibstofferzeugung in Österreich 33
2.1.Nationale Ziele 33
2.2.Bioethanolproduktion in Österreich 35
2.2.1.Rohstoffe 35
2.2.2.Schlempeverwertung 36
2.2.3.Tankstelleninfrastruktur von Bioethanol 37
2.3.Biodieselproduktion in Österreich 38
2.3.1.Rohstoffe 40
2.3.2.Tankstelleninfrastruktur von Biodiesel 40
2.4.Biogasproduktion in Österreich 41
2.4.1.Anlagen in Österreich 41
2.4.2.Substrate 43
2.4.3.Verwertung der organischen Reste als Dünger 44
2.4.4.Tankstelleninfrastruktur von Biogas 45
2.5.Rohstoffpreisentwicklung 46
3.Zusammenfassung und Ausblick 47
4.Literaturverzeichnis VII
-IV-
Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
Abkürzungsverzeichnis
Abb. Abbildung
AG Aktiengesellschaft
bspw. beispielsweise
BtL Biomass-to-Liquid
bzw. beziehungsweise
ca. circa
etc. et cetera
EU Europäische Union
FAME Fatty Acid Methyl Ester
Glymes Glycoldimethylether
GWh Gigawattstunde
kg Kilogramm
m Meter
Mio. Millionen
MW Megawatt
NAWARO nachwachsende Rohrstoffe
t Tonne
Tab. Tabelle
u.v.m. und vieles mehr
usw. und so weiter
Abbildungsverzeichnis
Abb. 1: Entwicklung von Kraftstoffen nach DaimlerChrysler 4
Abb. 2: Verwendeter Biodiesel und Bioethanol in Milliarden Liter 6
Abb. 3: Schematische Darstellung der Bioethanolherstellung 10
Abb. 4: Maischesilos der Pischelsdorfer Bioethanolanlage 12
Abb. 5: Sechs Fermenter der Bioethanolanlage Pischelsdorf (in rot eingefasst) 14
Abb. 6: Rektifikationskolonne der Pischelsdorfer Bioethanolanlage 15
Abb. 7: Biodieselrennwagen 17
Abb. 8: Verlauf der Pflanzenöl- bzw. Biodieselherstellung 18
Abb. 9: Schematische Darstellung der Biodieselherstellung 19
Abb. 10: Vier Phasen der Biogasentstehung 24
Abb. 11: Schematische Darstellung der Biogasherstellung 24
Abb. 12: Druckwasserwäsche zur Biomethananreicherung 30
Abb. 13: Schematische Darstellung des Choren Carbo-V®Verfahrens zur Biodieselherstellung 31
Abb. 14: Zukunft der Treibstoffe 34
Abb. 15: Bioethanolanlage Pischelsdorf 35
Abb. 16: Österreichs Bioethanoltankstellen 37
Abb. 17: Biodieselproduktionsanlagen Österreichs 39
Abb. 18: Biodieselproduktionskapazitäten von 2004 - 2008 39
Abb. 19: Verteilung der Biogasanlagen in Österreich im Jahr 2008 41
Abb. 20: Biogasauto 45
-V-
Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
Tabellenverzeichnis
Tab. 1: Erneuerbare Energie im Verkehrssektor 8
Tab. 2: Heizwert von Bioethanol, Benzin und Diesel 9
Tab. 3: Kraftstoffspezifikation für E85 16
Tab. 4: Heizwert von Rapsöl, Biodiesel und Diesel 18
Tab. 5: Kraftstoffspezifikation für Pflanzenöl 20
Tab. 6: Kraftstoffspezifikation für Biodiesel 22
Tab. 7: Zusammensetzung von Biogas 23
Tab. 8: Kraftstoffspezifikation für Erd- und Biogas 26
Tab. 9: Erneuerbare Energie im Verkehrssektor 33
Tab. 10: Ertrag und Ethanolausbeute unterschiedlicher Rohstoffe 36
Tab. 11: Übersicht ausgewählter Biodieselproduktionsanlagen Österreichs 40
Tab. 12: Substrate für die Biogasherstellung 43
Tab. 13: Bewertung der Wirkung und Eigenschaften als Dünger 44
-VI-
Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
1. Einleitung
1.1. Problemstellung
Es werden mehr Autos denn je gebaut, mehr Treibstoffe als je zuvor benötigt und mehr
Treibhausgase emittiert als die Atmosphäre und damit unser Klima verkraften. Einerseits sind
fossile Energieträger nur mehr begrenzt verfügbar, da sich die Reserven über kurz oder lang dem
Ende zuneigen, andererseits verspürt die Bevölkerung die ersten Auswirkungen des Klimawandels,
der erst durch die Verwendung von fossilen Treibstoffen hervorgerufen wurde. Das zunehmende
Verkehrsaufkommen sowie die steigenden Rohölpreise fordern ein Umdenken im Bereich der
Fahrzeugindustrie. Die EU veranlasste dazu Richtlinien, die die verpflichtende Verwendung von
Kraftstoffen aus erneuerbaren Rohstoffen vorsieht. Diese sind zu einem prozentuellen Anteil am
gesamten in den Verkehr gebrachten Kraftstoff zu nutzen. Das Ziel dieser Richtlinie ist die
Minimierung der Treibhausgase und ein weiterer Schritt in Richtung Unabhängigkeit von fossilen
Brennstoffen.
Die Nutzung erneuerbarer Kraftstoffe stellt eine Form der Fortbewegung dar, die mit dem
momentanen Stand der Technik verwirklicht werden kann. Diese Biotreibstoffe werden aus
Biomasse gewonnen, ermöglichen Senkungen der Treibhausgasemissionen von bis zu 80 % und
können in herkömmlichen Verbrennungsmotoren verwendet werden. Das Ziel ist eine
klimaneutralere Fortbewegung durch die Nutzung von Biokraftstoffen.[1]
1.2. Zielsetzung
Diese Arbeit befasst sich mit dem Umsetzungsgrad und dem Stand der Technik von Biotreibstoffen
in Österreich. Sie soll einen Überblick über biogene Treibstoffe geben, woher sie kommen, wie sie
produziert werden und wie die weitere Entwicklung aussehen kann. Ebenso soll diese Arbeit
Aufschluss über die Situation in Österreich geben. Dazu wurde eine Bestandsaufnahme der
Produktionsstätten von Biotreibstoffen durchgeführt. Diese Anlagen werden nach deren Größe und
Kapazität, sowie nach deren verwendeten Substraten und Rohstoffen unterschieden. Ein weiterer
Aspekt ist die Rohstoffpreisentwicklung, die unter anderem große Bedeutung für die weitere
Entwicklung dieses wirtschaftlich sehr interessanten Bereichs hat.
-1-
Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
1.3. Erneuerbare Kraftstoffe und neue Antriebskonzepte
Da die Verwendung von Mineralöl auf längere Sicht nicht mehr tragbar ist, wird nach neuen
Antriebskonzepten gesucht. Die Lösung des Problems wäre der Umstieg auf die Brennstoffzelle,
die eine emissionsfreie Fortbewegung ermöglicht. Aufgrund der Tatsache, dass es jedoch noch
technische und wirtschaftliche Hürden zu meistern gibt, bedarf es anderer Konzepte, die
kurzfristiger umsetzbar sind und auf der Weiterentwicklung der heute verwendeten
Verbrennungsmotoren basieren. Die Verwendung von erneuerbaren Kraftstoffen wie Biodiesel,
Pflanzenöl, Bioethanol und Methan aus Biogas entwickelte sich nicht zuletzt wegen ihren ähnlichen
Eigenschaften zu fossilen Brennstoffen.
1.3.1. Geschichte der erneuerbaren Kraftstoffe
„The fuel of the future is going to come from fruit like that sumach out by the road, or from apples,
weeds, sawdust – almost anything.“(Henry Ford, 1908)
Biokraftstoffe werden schon seit längerem genutzt. Bereits zu Zeiten der Entwicklung der heute
üblichen Motortechnik wurden Kraftstoffe aus Biomasse gewonnen. Während Rudolf Diesel bei der
Entstehung seines Motors mit Erdnussöl experimentierte, prognostizierte Henry Ford 1908, dass der
Treibstoff der Zukunft aus Früchten wie Äpfeln oder Abfällen wie Sägespänen gewonnen wird.
Bioethanol war um 1930 bereits ein häufig genutzter Treibstoff, der zum größten Teil aus
Zuckerrohrabfällen gewonnen wurde.
Der starke Preisdruck der Mineralölkonzerne führte jedoch zu einem Rückgang der produzierten
Biokraftstoffe. Lediglich die Ölkrisen des 20. Jahrhunderts führten zu Aufschwüngen in deren
Verwendung, diese dauerten jedoch immer nur kurz an. Die Herstellung von Biokraftstoffen in
großen Mengen war auf Grund der leichter zugänglichen und günstigeren fossilen Treibstoffen auf
längere Sicht nicht wirtschaftlich. Die momentane Besorgnis wegen des Klimawandels und
steigende Rohölpreise geben der Biokraftstoffindustrie erneut die Möglichkeit einen Aufschwung
zu erleben, der zu unserem Schutz und dem Wohle der Umwelt hoffentlich noch länger andauern
wird.
-2-
Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
Zur Herstellung von Biokraftstoffen werden unterschiedlichste Rohstoffe wie Ölpflanzen, Getreide,
Wald- und Restholz sowie Zuckerrohr und Zuckerrüben verwendet. Ihr bedeutender Vorteil liegt in
der CO2-Bilanz der Rohstoffe, da bei ihrer Verbrennung nur die Menge an Kohlendioxid freigesetzt
wird, die im Wachstum von der Pflanze zuvor gebunden wurde. Obwohl die Herstellungsverfahren
für Biokraftstoffe auch fossiles CO2 emittieren, werden die Treibhausgasemissionen im Vergleich
mit fossilen Treibstoffen um ein bedeutendes Maß verringert.[1]
1.3.2. Antriebskonzepte
Die Verwendung von 10 % Biokraftstoffen wird weder den Klimawandel stoppen, noch das
Problem der zunehmenden Ölknappheit und der steigenden Rohölpreise beseitigen. Der Einsatz von
Kraftstoffen aus Biomasse stellt mehr eine Übergangslösung dar, die uns helfen soll, unabhängiger
von fossilen Brennstoffen zu werden, bevor serienreife emissionsfreie Antriebskonzepte
verwirklicht und in ausreichender Menge verfügbar sind.[1]
1.3.2.1. Brennstoffzelle
Die Brennstoffzelle findet zur Zeit kaum Verwendung in der Fahrzeugindustrie. Obwohl in diesem
Bereich bereits seit mehreren Jahren Forschung betrieben wird, gibt es nach wie vor Probleme, die
vor einer marktreifen Einführung zu beseitigen sind. Die Hoffnungen beruhen teils auch auf der
Verwendung stationärer Systeme die bereits heute Anwendung finden. Möglicherweise geht aus
diesem Betrieb die alles entscheidende Entwicklung hervor, die einen sinnvollen mobilen Einsatz
ermöglicht. Einige namhafte Automobilhersteller planen deren Markteinführung bereits im
Jahr 2015.[1]
1.3.2.2. Elektromotor und Elektrohybrid
Elektromotoren kommen im Verkehrssektor momentan nur selten zum Einsatz. Einer der
Hauptgründe ist die limitierte Speichermöglichkeit von Energie, die zu begrenzten Reichweiten der
Fahrzeuge führt. Verursacht wird dies durch hohe Anschaffungskosten, das hohe Gewicht und die
geringe Energiedichte der Akkumulatoren. Dieses Problem wird mit Hilfe der Hybridtechnik
umgangen, die den Elektro- mit einem Verbrennungsmotor koppelt und im Stadtverkehr eine
nahezu emissionsfreie Fortbewegung ermöglicht. Während der Elektromotor im Stadtgebiet völlig
ausreicht, erfordert die Fahrt auf der Landstraße die Verwendung des Verbrennungsmotors.[1]
-3-
Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
1.4. Ausblick über die mögliche Entwicklung der biogenen Kraftstoffe
Alternative Treibstoffe 26
Wie bereits erwähnt, sind biogene Kraftstoffe ein Beitrag, um den CO2-Ausstoß zu verringern und
sichtsreichster Kraftstoff der entfernten Zukunft angesehen. Der Treibstoffpreis von
unabhängiger von fossilen
Wasserstoff Brennstoffen
ist gegenwärtig zu werden. Das Ziel der zukünftigen Treibstoff- und
nicht konkurrenzfähig.
Antriebskonzepte ist jedoch die Entwicklung einer emissionsfreien Fortbewegungsmöglichkeit.
Abbildung 7: Roadmap nach Daimler Chrysler
Quelle: HAbb.
ARTMANN, 2005.
1: Entwicklung von Kraftstoffen nach DaimlerChrysler
[Quelle: Alternative Treibstoffe, Landertshammer, S. (2006)][23]
3.3 Umstiegsbeispiel Wien Energie GmbH
Die Entwicklung steht niemals still, weshalb es in wenigen Jahren eine marktreife
Folgendesder
Weiterentwicklung Beispiel
heutezeigt, dass es in Österreich
verwendeten schon geben
Biokraftstoffe jetzt möglich ist,Momentan
sollte. den Fuhrparkund in naher
auf alternative Treibstoffe umzustellen. Die Wien Energie GmbH mit Hauptsitz in
Zukunft werden fast ausschließlich Biokraftstoffe erster Generation hergestellt.
1010 Wien, Schottenring 30, ging am 1. Oktober 2003 aus der Zusammenführung
von Wienstrom, Wien Energie Gasnetz und Fernwärme Wien hervor. Das Unter-
nehmen steht im 100%igen Besitz der Wiener Stadtwerke Holding AG und hält zu
100 % die Anteile der Wien Energie Gasnetz GmbH, Fernwärme Wien GmbH,
Energiecomfort Energie- und Gebäudemanagement GmbH und Wienstrom GmbH
(vgl. W IENER STADTWERKE, 2004, 52ff).
„Seit fünf Jahren schon leisten Erdgas-Fahrzeuge der Wien Energie Gasnetz hervor-
ragende Dienste und kommen im täglichen Kundendienst zum Einsatz. Jetzt wird die
umweltfreundliche Flotte von 26 auf 100 Fahrzeuge aufgestockt. Aus gutem Grund,
-4-Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
1.4.1. Unterscheidung Biokraftstoffe 1. und 2. Generation
1.4.1.1. Biokraftstoff 1. Generation
Diese Art der Treibstoffe wird aus der Pflanzenfrucht, bzw. aus dem Pflanzenöl hergestellt. Die
Verwendung dieser Kraftstoffe führte zu Diskussionen im Bezug auf die Verwertung von
Nahrungsmitteln zu Treibstoffen. Um diesen Vorwürfen entgegenzuwirken, wird intensive
Forschung zur Produktion von Biokraftstoffen der 2. Generation betrieben.[26]
1.4.1.2. Biokraftstoff 2. Generation
Obwohl Biokraftstoffe der 2. Generation fast ausschließlich in Forschungsprojekten Verwendung
finden, erscheint die Umsetzung in greifbarer Nähe. Die Forschung ist im Bereich der Bioethanol-
und Biodieselherstellung bereits weit fortgeschritten.
Die Herstellung von Biokraftstoff 2. Generation erfolgt aus der ganzen Pflanze (inklusive Stängel,
Blätter, usw.), während bisher nur die Pflanzenfrucht und das Pflanzenöl Verwendung fanden.
Durch die 2. Generation von Treibstoffen wird der flächenbezogene Kraftstoffertrag um mehr als
das Doppelte erhöht, wodurch auch Debatten im Bezug auf „Nahrungsmittel im Tank“
entgegengewirkt wird.[29]
Die Gewinnung von Bioethanol der 2. Generation erfolgt aus Lignocellulose (bspw. aus Resten der
Holzherstellung oder aus Stroh). Um Lignocellulose zur Herstellung von Bioethanol zu verwenden
müssen die Ausgangsstoffe in eine verwertbare Form gebracht werden. Dies wurde jedoch erst
durch die Forschung und Weiterentwicklung der Treibstoffe erster Generation ermöglicht.[29]
BtL (Biomass-to-Liquid) stellt die 2. Generation des Biodiesels dar und beruht auf dem Prinzip der
Vereinfachung von hochkomplexen chemischen Strukturen von Biomasse in eine, für die
Fortbewegung nutzbare, einfachere Struktur. Hierbei wird Biodiesel aus der ganzen Pflanze oder
aus Abfallstoffen, anstatt aus Pflanzenöl, gewonnen. [29]
-5-Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
1.4.2. Vorreiter der Biokraftstoffherstellung
Abbildung 2 stellt die länderweise Produktion an Biokraftstoffen in Milliarden Liter dar. Während
die USA und Brasilien den bedeutendsten Anteil an Biotreibstoffen produzieren, spielen Länder wie
Deutschland oder China lediglich eine kleine Rolle.
Abb. 2: Verwendeter Biodiesel und Bioethanol in Milliarden Liter
[Quelle: REN21 (2010)][41]
1.4.2.1. Brasilien
Der Vorreiter der Bioethanolherstellung ist Brasilien, das Ethanol bereits seit den frühen 1930er
Jahren aus Zuckerrohr erzeugt und diesen dem fossilen Kraftstoff beimengt. Die beiden Ölkrisen
der siebziger Jahre führten zu einem regelrechten Boom der Ethanolproduktion /-Industrie. Ethanol
wird seither zum größten Teil in Form von E85 (85 % Ethanol und 15 % Benzin) genutzt. Brasilien
betreibt bereits 70 % aller Fahrzeuge mit Bioethanol aus Zuckerrohr. [1]
-6-Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
1.4.2.2. Schweden
Ein weiterer Spitzenreiter der Bioethanolherstellung ist Schweden. Ein weit ausgedehntes
Tankstellennetz, die Verwendung von E100 (100 % Ethanol) für Busse im Nahverkehr, sowie die
standardmäßige Beimischung von 5 % Ethanol zu Benzin (E5) ist Teil der schwedischen
Erfolgsstrategie. Momentan gibt es in Schweden bereits 17 Städte, die für den Betrieb des
öffentlichen Verkehrs ausschließlich Ethanol verwenden. Rund 30 % der gesamten Kraftfahrzeuge
Schwedens werden mit Bioethanol betrieben. Im Vergleich zu Brasilien gewinnt Schweden das
Ethanol aus klimatischen Gründen zum größten Teil aus Holz und Weizen.[2]
1.4.2.3. USA
Aufgrund der staatlichen Förderungen, die Biokraftstoffhersteller in den Vereinigten Staaten
erhalten, steigt die Produktion von Biokraftstoffen. Dabei werden bereits jetzt Beimengungen von
mehr als 10 % Ethanol zu Benzin erzielt. Dies entspricht z.B. dem angestrebten Treibstoffziel
Österreichs, das die Beimengung von rund 10 % Biokraftstoffen an der gesamten Menge an
Treibstoffen im Jahr 2010 vorsieht.[4]
1.5. Klimaschutzziele der EU
Die aktuell gültigen europäischen Rahmenbedingungen der Umwelt- und Klimapolitik wurden
primär von der EU bestimmt. Sie erstellte Richtlinien, die in den letzten Jahren immer wieder
erweitert und erneuert wurden. Einer der Auslöser für die Erlassung der EU-Richtlinien ist die hohe
Treibhausgasemission des Kraftverkehrs und die damit verbundene Verschärfung des
anthropogenen Treibhauseffektes.
Die Richtlinie 2009/28/EG „Richtlinie zur Förderung der Nutzung von Energie aus erneuerbaren
Quellen und zur Änderung und anschließenden Aufhebung der Richtlinien 2001/77/EG und
2003/30/EG (Richtlinie zur Förderung der Verwendung von Biokraftstoffen oder anderen
erneuerbaren Kraftstoffen im Verkehrssektor)“ beinhaltet unter anderem die aktuell gültigen
Zielvorgaben für die Nutzung erneuerbarer Treibstoffe. Sie schreibt die prozentuelle Beimischung
von Biokraftstoff zu fossilen Kraftstoffen vor. Die Mitgliedsstaaten müssen diese Zielvorgaben
innerhalb des gesetzten Zeitrahmens verbindlich umsetzen.
-7-Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
Tab. 1. Erneuerbare Energie im Verkehrssektor.
Gültig ab EU-Vorgabe Wasserstoff Erdgas Gesamt
01.10.2005 2,00 % 2,00 %
01.10.2007 3,50 % 3,50 %
01.10.2008 4,25 % 4,25 %
01.10.2009 5,00 % 5,00 %
2010 5,75 % 0,00 % 2,00 % 7,75 %
2020 10 % 5,00 % 10 % 25 %
[Quelle:Biotreibstoffe in Niederösterreich, Agrar Plus GmbH, (2009)][6]
Wie man erkennen kann, fordert die EU seit 2010 die Nutzung von Erdgas und ab 2020 die
Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff. Für die kommenden Jahre werden hohe Ziele
angestrebt. Im Jahr 2020 soll bereits rund ein Viertel der Kraftstoffe aus erneuerbaren Quellen
bereitgestellt werden. Diese Vorgaben sollen unter anderem durch steuerliche Begünstigungen für
die Verwendung von Biokraftstoffen durchgesetzt werden.
Die EU stellt es den Mitgliedsländern frei, ob die Ziele durch Biokraftstoffnutzung in reiner Form
oder durch Beimischung erreicht werden. Ein Beispiel dafür stellt die Situation in Österreich im
Jahr 2008 dar, in der rund 4,7 Vol.-% Biodiesel zu gewöhnlichem Diesel beigemengt wurden.
Lediglich rund ein Viertel der gesamten, in den Verkehr gebrachten, Biodieselmenge des Jahres
2008 wurde in reiner oder hoch konzentrierter Form verwertet.[5]
-8-Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
1.6. Ethanol als Kraftstoff
Ethanol ist eine organische Verbindung mit der Summenformel C2H5OH. Es handelt sich um einen
klaren, farblosen, brennend schmeckenden, leicht entzündlichen und hygroskopischen Alkohol.[7] Es
wird bereits seit Beginn der Entwicklung von Ottomotoren als Kraftstoff genützt, später wurde es
schnell vom leichter zugänglichen und günstigeren Benzin verdrängt.[8]
Die Herstellung von Bioethanol erfolgt in einem mehrstufigen Prozess. Zu Beginn werden die
stärkehaltigen Rohstoffe im Maischapparat aufgeschlossen und in vergärbare Zucker umgewandelt.
Durch die anschließende Fermentation dieser Zucker entsteht Ethanol, das durch die nachfolgenden
Brennvorgänge gewonnen und gereinigt wird. Bei diesem Prozess fällt Schlempe als Nebenprodukt
an, welche als Futtermittel Verwendung findet. Als Rohstoffe für die Bioethanolherstellung dienen
Kartoffeln, Mais, Weizen Roggen, Zuckerrüben, Zuckerrohr, Zuckerhirse sowie Holz.[8]
Tab. 2. Heizwert von Bioethanol, Benzin und Diesel.
Bioethanol Benzin Diesel
Heizwert [MJ/kg] 27 43,5 43
Heizwert [MJ/l] 21 32,6 36
Dichte [kg/l] 0,79 0,75 0,84
[Quelle: ReFuelNet (2009)][9]
Im Vergleich zu Benzin besitzt Bioethanol eine höhere Oktanzahl. Es hat somit eine höhere
Klopffestigkeit, wodurch die mechanischen und die thermischen Belastungen des Motors verringert
werden. Der im Vergleich zu Benzin um 38 % geringere Energiegehalt von Ethanol führt zu einem
aliquot erhöhten Kraftstoffverbrauch. 1 Liter Ethanol ersetzt rund 0,66 Liter Benzin, somit
entspricht 1 Liter Benzin 1,5 Liter Ethanol. Speziell entwickelte Motoren erlauben die Verwendung
von E85 (85 % Ethanol und 15 % Benzin) oder reinem Ethanol. Die Substitution von rund 5 %
Benzin verursacht keine Schäden am Motor und ist daher bei jedem KFZ möglich.
-9-Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
1.6.1. Entstehungsprozess
Abbildung 3 stellt die wesentlichen Schritte der Ethanolgewinnung dar, die in den folgenden
Absätzen detaillierter erläutert werden.
Abb.3: Schematische Darstellung der Bioethanolherstellung
[Quelle: Deutsche bp (2009)][10]
1.6.1.1. Rohstoffe
Zur Bioethanolherstellung werden zucker-, stärke- oder cellulosehaltige Rohstoffe benötigt. Je
höher dieser Gehalt ist, desto höher ist die Ausbeute an Bioethanol. Es gibt aber noch andere
Kriterien für die Auswahl der Rohstoffe. So kann ein hoher Proteingehalt der Pflanzen zu einer
unerwünschten Volumenvergrößerung bei der Fermentation führen, aber auch den Wert der
anfallenden Schlempe erhöhen. Ein erhöhter Aschegehalt führt ebenso zur Wertsteigerung.
Während hohe Rohfasergehalte der Rohstoffe zu technischen Problemen im Maischprozess führen,
unterstützt ein höherer Fettgehalt eine schaumfreie Gärung.[8]
Für die Fermentation liegen von den verwendeten Rohstoffen lediglich zuckerhaltige Stoffe in
verwertbarer Form vor. Um Stärke und Cellulose der Rohstoffe für die Alkoholgewinnung
zugänglich zu machen, muss deren Abbau erfolgen.[8]
-10-Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
• Zu Beginn des Stärkeabbaus erfolgt die Erhitzung des Substrates. Die Stärkekörner nehmen
Wasser auf, wodurch es zur Kleisterbildung kommt. Um diese Form der Stärke in vergärbare
Zucker umzuwandeln bedarf es zwei Gruppen von Enzymen. Anfänglich erfolgt die
enzymatische Stärkeverflüssigung durch α-Amylase. Darauf folgt die enzymatische
Stärkeverzuckerung durch Glycoamylase. Diese beiden Vorgänge können auch durch die
Zugabe von Malz (gekeimte und anschließend getrocknete Gerste) erreicht werden. Eine
weitere Möglichkeit stellt die Autoamylolyse dar, dabei handelt es sich um den Abbau der
Stärke mancher Getreidearten durch Eigenamylase, ohne Zugabe von Enzymen.[8]
• Für den Abbau von Cellulose werden bakterielle Cellulasen eingesetzt, die sich aus mehreren
wirkenden Komponenten (Endo-β-1,4-Glucohydrolase, Exo-β-1,4-Glucan-Glucohydrolase,
Exo-β-1,4-Glucan-Cellobiohydrolase, β-1,4-Glucosidase) zusammensetzen. Die Hydrolyse
der Cellulose läuft im Vergleich mit der Stärke sehr langsam und unvollständig ab.[8]
1.6.1.2. Maischprozess
Der Maischprozess umfasst die Zerkleinerung und den Aufschluss der Rohstoffe. Substratabhängig
ist zuvor eine Vor- oder Aufbereitung der Rohstoffe notwendig. Die folgenden Punkte beschreiben
die Reinigung, sowie die Zerkleinerung.
• Die Reinigung der Rohstoffe dient der Entfernung von anhaftender Erde (z.B. von Zuckerrübe
oder Kartoffel).
• Die Zerkleinerung dient der Freisetzung von Zucker- und Stärkeanteilen aus dem Zellverband
des Substrats und ist für die Herstellung von Bioethanol unumgänglich. Dieser Schritt erfolgt
entweder durch die Verwendung von Mühlen oder Dispergiermaschinen.[8]
Für die Verwertung von stärkehaltigen Rohstoffen bedarf es zusätzlich zur Reinigung eines
Stärkeaufschlusses. Das Ziel ist die Umwandlung der Stärke in eine, für die Ethanolherstellung
zugängliche Form. Dieses Aufschlussverfahren kann unter Druck oder drucklos erfolgen.
-11-Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
Abb. 4: Maischesilos der Pischelsdorfer Bioethanolanlage
[Quelle: Chemiereport (2010)][44]
Beim Druckverfahren werden Temperaturen um 100 °C und Drücke von 4 - 6 bar erreicht. Der
Aufschluss der Stärke erfolgt durch die Anwendung von Wasserdampf, der zur Verkleisterung und
zum Lösen der Stärke führt. Dieses Verfahren benötigt - je nach Rohstoff - 40 bis 60 Minuten,
wobei das Substrat unter dem angelegten Druck im sogenannten Henze-Dämpfer verweilt. Durch
den Druckabfall beim Ablassen des Dämpfers werden die Zellstrukturen des Dämpfgutes zerstört.
Die Stärke wird mit Hilfe eines Enzyms (α-Amylase) verflüssigt, gekühlt und durch Zugabe eines
weiteren Enzyms (Glycoamylase) verzuckert und anschließend in die Gärtanks gepumpt.
Das drucklose Stärkeaufschlussverfahren wird, je nach Vorbehandlung des Substrats, in den Mahl-
Maischprozess und das Dispergier-Maischverfahren unterteilt.
• Für den Mahl-Maischprozess müssen die Rohstoffe gemahlen und anschließend in den
Maischapparat überführt werden, wo die Verkleisterung und die darauf folgende
Verflüssigung der Stärke mithilfe von Enzymen stattfinden.
• Im Dispergier-Maischverfahren werden die teilweise vorzerkleinerten Rohstoffe
feinstzerkleinert. Dabei kommt es zur Freisetzung der Stärke. Der wesentlichste Unterschied
zum Mahl-Maischverfahren stellt die Wiederverwendung der von Feststoffen getrennten
Schlempe dar. Dies führt zu Energieeinsparungen und zu optimierten Fermentations-
abbaugraden.
-12-Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
• Kontinuierliche großtechnische Stärkeaufschlussverfahren werden in Anlagen umgesetzt, die
Tageskapazitäten von bis zu 300.000 Liter realisieren. Diese Verfahren haben momentan
jedoch eine relativ geringe Bedeutung.[8]
Für die Ethanolherstellung aus cellulosehaltigen Rohstoffen muss ebenfalls ein Aufschluss erfolgen.
Dies ist durch die große Vielfalt von cellulosehaltigen Rohstoffen bedingt, da diese unterschiedliche
Resistenzen gegenüber dem säure- oder enzymkatalysierten Abbau aufweisen. Zum Abbau der
Cellulose wird eine Kombination von Säureaufschluss und enzymatischem Aufschluss eingesetzt.
Dazu wird die trockene Biomasse mit verdünnter Schwefelsäure versetzt und mit Wasserdampf auf
160 - 180 °C erhitzt um Hemicellulosen zu hydrolisieren. Nach der Kühlung erfolgt eine Fest-
Flüssigtrennung, um das flüssige Hydrolysat zu gewinnen und anschließend zu neutralisieren. Auf
diesen Weg entgiftetes Hydrolysat kann der anschließenden Ethanolfermentation zugeführt werden.[8]
1.6.1.3. Fermentation
Die Fermentation bewirkt die alkoholische Gärung, die die Grundlage der Alkoholgewinnung
darstellt. Es handelt sich dabei um eine biochemische Spaltung von Kohlenhydraten durch Zugabe
von mikrobiellen Enzymen (Hefe) unter Ausschluss von Sauerstoff (anaerober Vorgang). Die
verwendete Hefe wird in den meisten Fällen in Form von Hefemaischen speziell hergestellt. Dabei
wird verzuckerte Maische mit Hefe für 12 - 24 Stunden fermentiert und anschließend der
Hauptmaische beigemengt. Die eigentliche Fermentation erfolgt in Gärtanks im kontinuierlichen
oder diskontinuierlichen Betrieb. Abbildung 5 stellt die sechs Gärtanks der Pischelsdorfer
Bioethanolanlage dar.[8]
-13-Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
Abb. 5: Sechs Fermenter der Bioethanolanlage Pischelsdorf (in rot eingefasst)
[Quelle: Pörner Gruppe (2010)][45]
• Die diskontinuierliche Fermentation erfolgt durch die Zugabe der hergestellten Hefemaische
zur süßen Maische. Dieses Gemisch wird aus dem Maischapparat in Gärtanks überführt, in
denen die eigentliche Fermentation stattfindet. Die Fermentationsdauer hängt von den
einzelnen Substraten, dem Anteil an wiederverwendeter Schlempe, sowie der Temperatur in
den Fermentern ab und beträgt zwischen 30 und 80 Stunden. Die Verwendung recycelter
Schlempe anstelle frischer Prozessflüssigkeiten kann die Verzögerungsphase zu Beginn der
Fermentation bedeutend verkürzen. Die Infektionsgefahr der Hefen mit prozesshemmenden
Organismen wird zugleich deutlich verringert.[8]
• Die kontinuierliche Fermentation findet ausschließlich in großtechnischen Anlagen
Verwendung, da dessen Betrieb im Vergleich zur diskontinuierlichen Betriebsweise deutlich
aufwendiger und kostenintensiver ist.[8]
1.6.1.4. Destillation, Rektifikation, Absolution
Destillation, Rektifikation und Absolution dienen der Gewinnung, der Aufkonzentrierung und der
Reinigung des Alkohols aus dem möglichst gänzlich vergorenen Substrat. Diese drei Prozesse
laufen hintereinander ab.[8]
-14-Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
Abb. 6: Rektifikationskolonne der Pischelsdorfer Bioethanolanlage
[Quelle: Chemiereport (2010)][44]
• Der Rohalkohol mit rund 82 - 87 % wird mithilfe der Destillation gewonnen. Dies erfolgt
durch einen einfachen Destillationsvorgang der Maische, bei dem sowohl Alkohol als auch
Wasser gewonnen wird. Auf destillativem Wege kann nur ein maximaler Alkoholgehalt von
95,57 % erreicht werden.[8]
• Die Rektifikation ist eine Mehrfachdestillation, bei der die zu trennenden Substanzen unter
unmittelbarer Berührung im Gegenstrom zueinander geführt werden. Dieses Verfahren läuft in
mehreren Stufen, den sogenannten Kolonnenböden ab und ermöglicht die Gewinnung von
reinerem Alkohol mit über 96 %. Je höher der gewünschte Alkoholgehalt, desto aufwendiger
und kostenintensiver wird dessen Gewinnung.[8]
• Die Absolution ist notwendig, wenn das gewonnene Bioethanol einen hohen Reinheitsgrad
bzw. einen geringen Wasseranteil vorweisen soll. Diese Voraussetzungen sind vor allem bei
der Verwendung als Kraftstoff wichtig. Ein zu hoher Wasseranteil würde den Wirkungsgrad
des Gemisches senken und die Gefahr von Schäden an Automotoren vergrößern. Die Senkung
des Wassergehalts aus dem azeotropen Gemisch (Stoffgemisch, das beim Sieden
Reinstoffverhalten aufweist) wird durch die Zugabe eines Schleppmittels erreicht, dass eine
Änderung der Siedetemperatur des Gemisches hervorruft. Dadurch kann zu Beginn Wasser
und anschließend das Schleppmittel durch Destillation abgezogen werden, um am Ende
reinen Alkohol (Wasseranteil von unter 0,3 %) zu gewinnen.[8]
-15-Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
1.6.2. Kraftstoffspezifikation für Ethanol
Bioethanol kann in Form von Reinkraftstoff und als Mischkraftstoff verwendet werden. Während
zur Verwendung von reinem Ethanol spezielle Motoren notwendig sind, können bei Dieselmotoren
bis zu 15 % und bei Ottomotoren bis zu 25 % Ethanol beigemengt werden. Übliche
Verwendungsformen von Ethanol sind:
• E100 (100 % Ethanol)
• E85 (85 % Ethanol und 15 % Benzin)
• E5 (5 % Ethanol und 95 % Benzin)[1]
Tab. 3. Kraftstoffspezifikation für E85.
Eigenschaft Grenzwert Eigenschaft Grenzwert
Research Octanzahl Höhere Alkohole < 2 Vol.-%
> 95
(RON) Methanol < 1 Vol.-%
Motor - Octanzahl Ether < 5,2 Vol.-%
> 85
(MON) Phosphor nicht nachweisbar
Schwefelgehalt < 10 mg/kg Wassergehalt < 0,3 Vol.-%
Anorganisches
Oxidationsstabilität >6h < 1 mg/l
Chlor
Abdampfrückstand < 5 mg/ 100 ml pH 6,5 - 9
Aussehen klar, trübungsfrei Säure (als
< 0,005 % (m/m)
CH3COOH)
[Quelle: RIS (2010)][48]
-16-Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
1.7. Pflanzenöle und Biodiesel als Kraftstoff
Die Produktion dieser beiden Kraftstoffe wird zusammengefasst, da zur Herstellung von Biodiesel
aus Pflanzen eine Weiterverarbeitung des gewonnen Pflanzenöls erfolgt. Die Ölgewinnung aus
Pflanzen stellt einen Teilprozess der Biodieselherstellung dar. Bereits zu Beginn des
20. Jahrhunderts startete Rudolf Diesel einen Versuch, indem er Erdnussöl erfolgreich für den
Betrieb seines Dieselmotors nutzte.
Abb. 7: Biodieselrennwagen
[Quelle: PEGE (2010)][50]
Biodiesel wird aus Pflanzenöl in Form von Pflanzenölmethylester bzw. Fettsäuremethylester
gewonnen. Es handelt sich dabei um den in Österreich gebräuchlichsten Biokraftstoff. Eine Vielzahl
an Automobilherstellern ermöglicht die Verwendung von reinem Biodiesel durch Sonder-
ausstattungen oder Zubehör. Die Beimischung von Biodiesel zu Diesel ist bei Fahrzeugen ohne
Herstellerfreigabe bis zu einem Anteil von 30 % ohne Modifikation der Motoren möglich. In
Österreich wird seit 2005 in jeden Liter Diesel ein prozentueller Anteil an Biodiesel beigemischt.
Der am häufigsten verwendete Rohstoff für die Biodieselherstellung ist Raps, dessen Pflanzenöl
und der damit hergestellte Biodiesel die besten Vorraussetzungen im Bezug auf unsere
Klimaverhältnisse haben.[47]
-17-Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
Tab. 4. Heizwert von Rapsöl, Biodiesel und Diesel.
Pflanzenöl (Rapsöl) Biodiesel Diesel
Heizwert [MJ/kg] 38 37 43
Heizwert [MJ/l] 35 33 36
Dichte [kg/l] 0,92 0,88 0,84
[Quelle: ReFuelNet (2009)][9]
Die Verwendung von Biodiesel oder Pflanzenöl führt aufgrund des rund 14 % geringeren
Energieinhalts als Diesel zu einem aliquot erhöhten Kraftstoffverbrauch.
Abbildung 8 stellt den Verlauf der Pflanzenölgewinnung und der anschließenden Umesterung zu
Biodiesel systematisch dar.
Abb. 8: Verlauf der Pflanzenöl- bzw. Biodieselherstellung
[Quelle: FNR (2009)][11]
Die Erläuterung der abgebildeten Arbeitsschritte folgt auf den nächsten Seiten.
-18-Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
1.7.1. Entstehungsprozess von Pflanzenöl
Pflanzenöle bilden den Ausgangsstoff für die Biodieselproduktion, dienen aber zugleich auch in
purer Form als Kraftstoff. Wie zuvor erwähnt, experimentierte bereits Rudolf Diesel mit
Pflanzenölen. Als Rohstoffe für die Pflanzenölgewinnung dienen heimische Ölpflanzen wie Raps
und Sonnenblumen, sowie Sojabohne und Ölpalme.[12]
Abb. 9: Schematische Darstellung der Biodieselherstellung
[Quelle: Deutsche bp (2009)][10]
1.7.1.1. Herstellung
Bei der Herstellung von Pflanzenöl werden zwei Produktionsverfahren unterschieden.
• Die dezentrale Kaltpressung erfolgt in den landwirtschaftlichen Betrieben oder
Genossenschaften. Dabei wird die Ölsaat bei Temperaturen von maximal 40 °C unter
mechanischem Druck ausgepresst. Der verbleibende Presskuchen weist einen Ölanteil von
rund 10 % auf und dient als Futtermittel.
• Die zentrale Warmpressung findet in industriellen Anlagen statt. Dabei werden die Öle
anfänglich durch Auspressen und anschließend mithilfe von Lösemitteln bei einer Temperatur
von rund 80 °C gewonnen. Die dabei anfallenden Reste besitzen nur noch sehr geringe
Anteile an Öl und werden ebenso als Futtermittel weiterverwendet. Der negative Effekt der
Verwendung von Lösemitteln spiegelt sich in der aufwendigen Raffination wider.[1]
-19-Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
1.7.1.2. Kraftstoffspezifikation für Pflanzenöl
Pflanzenöl unterscheidet sich von fossilem Diesel durch einen höheren Flammpunkt und eine
deutlich höhere Viskosität, die speziell bei tieferen Temperaturen (im Falle eines Kaltstartes) zu
Problemen führen kann. Die Verwendung von Pflanzenöl erfordert den Umbau der Motoren um den
einwandfreien Betrieb zu gewährleisten. Es wurden monovalente Systeme entwickelt, bei denen
ausschließlich Pflanzenöle Verwendung finden und weitere Konzepte, die mit zwei Treibstoffen
funktionieren (bivalente Systeme). Bei diesen wird Diesel für die Startphase benötigt, Pflanzenöl
wird ab Erreichen der Betriebstemperatur verwendet.[8]
Tab. 5. Kraftstoffspezifikation für Pflanzenöl.
Eigenschaft Grenzwert Eigenschaft Grenzwert
Dichte 900 - 930 kg/m3 Gesamtverschmutzung < 25 mg/kg
Flammpunkt > 220 °C Neutralisationszahl < 2 mg KOH/kg
Heizwert > 35 MJ/kg Oxidationsstabilität > 5 h (bei 110 °C)
Kinematische Phosphorgehalt < 15 mg/kg
< 38 mm2/s
Viskosität (40 °C) Wassergehalt < 0,075 %
Koksrückstand < 0,4 % Aschegehalt < 0,01 %
Iodzahl 100 - 120 g/100 g
Schwefelgehalt < 10 mg/kg
[Quelle: RIS (2010)][48]
-20-Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
1.7.2. Weiterverarbeitung des Pflanzenöls zu Biodiesel
In diesem Verfahrensschritt erfolgt die Umesterung der Pflanzenöle. Hierbei wird Glycerin
(C3H8O3, dreiwertiger Alkohol) mit Methanol (CH4O, einwertiger Alkohol) im Verhältnis 1:3
gemischt. Dieser Arbeitsschritt erfolgt unabhängig von der Art des Pflanzenöls immer gleich, da
Öle und Fette immer aus Triglyceriden bestehen, die sich aus einem Glycerinmolekül und drei
Fettsäuremolekülen zusammensetzen.[1]
1.7.2.1. Umesterung
Zur Umesterung wird Pflanzenöl mit rund 10 % Methanol vermischt, wodurch die Viskosität
verringert wird. Zusätzlich wird ein Katalysator verwendet, der sich aus mehreren Chemikalien
(z.B. Kalium- oder Natriumhydroxid) zusammensetzt. Die Zugabe des Katalysators bewirkt die
Bildung einer Lauge, durch die Vermischung mit Wasser. Anschließend erfolgt die Aufspaltung der
Triglyceride durch Elektrolyse, wodurch Glycerin und Fettsäure entstehen. Diese Fettsäuren
reagieren hinterher mit dem zuvor hinzugegebenen Methanol zu Fettsäuremethylestern (FAME).[12]
1.7.2.2. Aufbereitung
Im folgenden Schritt erfolgt die Aufbereitung des entstandenen Gemisches aus FAME, Glycerin
und Katalysator. Zuerst findet die Trennung von Glycerin und FAME statt, danach wird der
Katalysator durch Zugabe anorganischer Säuren in schwer lösliche Salze überführt und abgetrennt.
Zuletzt erfolgt die Reinigung von FAME bzw. Biodiesel mithilfe mehrerer Waschvorgänge und
anschließender Trocknung. Das bei diesen Schritten anfallende Glycerin findet in der Kosmetik-
branche Verwendung. Bei der Aufbereitung werden ebenso anorganische Salze gewonnen.[8]
1.7.3. Kraftstoffspezifikation für Biodiesel
Der Grund der Biodieselproduktion liegt in der Verbesserung der Eigenschaften der verwendeten
Pflanzenöle. Die auffälligste Veränderung stellt die verringerte Viskosität dar, die die Verwendung
von winterhartem Biodiesel auch im Winter (bis zu Temperaturen um - 20 °C) gewährt, während
Pflanzenöle aufgrund ihrer hohen Viskosität bei tiefen Temperaturen zu Motorproblemen führen
können.
-21-Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
Zur Vermeidung von mechanischen Motorbelastungen durch Verwendung von Biodiesel in reiner
Form muss eine Umrüstung des Motors erfolgen. Einige Autohersteller bieten bereits
Motorkonzepte an, die von Werk aus für die Verwendung von Biodiesel geeignet sind. Dabei
kommen spezielle Sensoren zum Einsatz, die den Anteil an Biodiesel im Treibstoff bestimmen. Mit
den Messwerten kann eine Anpassung der Motorsteuerung an den Treibstoff erfolgen, um keine
Schäden zu verursachen.
Biodiesel wird auch zu einem bestimmten Anteil zu Diesel beigemengt. Übliche Gemische
erfordern meist keine Veränderung der Motoren und sind:[1]
• B5 (5 % Biodiesel und 95 % Diesel)
• B10 (10 % Biodiesel und 90 % Diesel)
• B20 (20 % Biodiesel und 80 % Diesel)
Tab. 6. Kraftstoffspezifikation für Biodiesel.
Eigenschaft Grenzwert Eigenschaft Grenzwert
Dichte 900 - 930 kg/m3 Gesamtverschmutzung < 25 mg/kg
Flammpunkt > 220 °C Neutralisationszahl < 2 mg KOH/kg
Heizwert > 35 MJ/kg Oxidationsstabilität > 5 h (bei 110 °C)
Kinematische Phosphorgehalt < 15 mg/kg
< 38 mm2/s
Viskosität (40 °C) Wassergehalt < 0,075 %
Koksrückstand < 0,4 % Aschegehalt < 0,01 %
Iodzahl 100 - 120 g/100 g
Schwefelgehalt < 10 mg/kg
[Quelle: RIS (2010)][48]
-22-Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
1.8. Biogas als Kraftstoff
Biogas ist ein Gasgemisch aus Methan, Kohlenstoffdioxid, Wasser, Schwefelwasserstoff, Stickstoff,
Sauerstoff und Ammoniak. Bereits Anfang des 20. Jahrhunderts wurde Biogas in Form von Klärgas
für den Betrieb städtischer Kraftwagen genutzt.[14]
Biogas entsteht durch den anaeroben Abbau von organischer Substanz durch Bakterien. Es handelt
sich dabei um ein Stoffwechselprodukt, das in einem vierphasigen Abbauprozess gewonnen wird.
Biogas kann nicht in Reinform als Treibstoff genutzt werden, da nur rund 50 - 75 % des Gases aus
Methan bestehen. In gereinigter Form weist Biogas starke Ähnlichkeiten mit Erdgas auf, was die
Verwendung als Kraftstoff in Erdgasfahrzeugen ermöglicht.[13]
Tab. 7. Zusammensetzung von Biogas.
Parameter Biogas
relative Dichte >1
Methan (CH4) 50 - 70 %
Kohlenstoffdioxid (CO2) 26 - 50 %
Wasser (H2O) gesättigt
Schwefelwasserstoff (H2S) 500 - 2000 ppm
Stickstoff (N2)Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
1.8.1. Entstehungsprozess
Die Biogasentstehung erfolgt in einem Vier-Phasen-Prozess, der in Abbildung 10 dargestellt ist und
in den nächsten Unterpunkten detaillierter erläutert wird. Dieser Prozess unterliegt gewissen
Anforderungen. Werden diese nicht beachtet, kann es zu einer Hemmung oder im schlimmsten Fall
zum Erliegen des Prozesses kommen. Prozessbeeinflussende Parameter sind Verweildauer des
Substrats, Temperatur, pH-Wert oder Wassergehalt im Reaktor.[8]
fakultativ Einfachzucker,
Hydrolyse anaerobe Bakterien Amino-, Fettsäuren
org.
Versäuerung säurebildende Säuren, Kohlendioxid,
Bakterien Wasserstoff
Essigsäure,
Essigsäurebildung Essigsäurebildende Kohlendioxid, Wasserstoff
Bakterien
Methan,
Methanbildung Methanbakterien Kohlendioxid, Wasser
Abb. 10: Vier Phasen der Biogasentstehung
[Quelle: Biogas - Praxis, Eder, B., Schulz, H., (2007)][15]
Abb. 11: Schematische Darstellung der Biogasherstellung
[Quelle: Deutsche bp (2009)][10]
-24-Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
1.8.1.1. Hydrolyse
In der ersten Prozessphase erfolgt der Abbau von hochmolekularen organischen Substanzen zu
niedermolekularen Verbindungen. Dabei werden Eiweiß, Kohlehydrate, Fette, sowie Zellulose
durch aerobe Bakterien mithilfe von Enzymen zu Einfachzucker, Aminosäuren, Fettsäuren und
Wasser umgewandelt.[5]
1.8.1.1. Versäuerung
In der zweiten Phase erfolgt die weitere Umwandlung und der Abbau der einzelnen Moleküle durch
säurebildende Bakterien. Diese fakultativ anaeroben Bakterien verbrauchen den noch verbleibenden
Sauerstoff im Reaktor und schaffen damit die anaeroben Bedingungen für die Methanbakterien. Es
erfolgt die Bildung von niedermolekularen Alkoholen wie Ethanol und Gasen wie Ammoniak,
Schwefelwasserstoff, Wasserstoff oder Kohlendioxid.[15]
1.8.1.2. Essigsäurebildung
In der dritten Prozessphase werden Essigsäure, Kohlendioxid sowie Wasserstoff aus den zuvor
gebildeten organischen Säuren produziert. Dies erfolgt durch temperaturempfindliche
wasserstoffreduzierende Essigsäurebakterien.[8]
1.8.1.3. Methanbildung
In der letzten Phase des Prozesses wird
• aus Essigsäure, Ameisensäure, Kohlenstoff und Wasserstoff
• Methan, Kohlendioxid sowie Wasser gebildet.
Diese Bildung findet im alkalischen Bereich mittels Methanbakterien statt.[15]
-25-Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
1.8.2. Kraftstoffspezifikationen für Erd- und Biogas
Tabelle 8 zeigt die Spezifikation für die Verwendung von Erd- und Biogas als Kraftstoff. Im
Vergleich zu anderen biogenen Treibstoffen wird die geforderte Mindestqualität von Biogas mit
deutlich weniger Parametern beschrieben. Während die Einspeisung von Erd- und Biogas einen
Methangehalt von über 90 % erfordert, kann Erd- und Biogas mit 80 % Methan bereits als
Kraftstoff eingesetzt werden.
Tab. 8. Kraftstoffspezifikation für Erd- und Biogas.
Parameter Kraftstoffspezifikation
relative Dichte 0,55 - 0,77
Brennwert 30,2 - 47,2 MJ (95 % Methan)
Wobbe-Index (T = 0 °C, p = 1013,25 mbar) 46, 1 - 56, 6 MJ/m3
Staub technisch frei
[Quelle: RIS (2010)][48]
Um die Beschädigung von Motoren und Motorteilen eines Kraftfahrzeuges zu vermeiden, muss
Biogas vor der Verwendung als Kraftstoff aufbereitet werden. Dabei erfolgt die Abtrennung von
festen und flüssigen Bestandteilen, die Trocknung, die Entfernung von H2S sowie die
Methananreicherung, die mit der Kohlenstoffdioxidabtrennung einhergeht. Das Ziel ist der Erhalt
eines Gases, das den Spezifikationen aus Tabelle 8 entspricht. [8]
-26-Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
1.8.2.1. Entfernung von flüssigen und festen Bestandteilen
In diesem Schritt werden Fest- oder Flüssigpartikel, die sich eventuell im Biogas befinden
mechanisch abgetrennt. Die gängigen Verfahren hierfür sind:
• Kiestopf:
Hierbei handelt es sich um einen mit Kies gefüllten Reaktor für die Grobfiltration und
Entwässerung.
• Patronenfilter:
Dieses Verfahren erfolgt mithilfe eines Feinfilters und findet speziell in gastechnischen
Anlagen Verwendung.
• Zyklonabscheider:
Diese Technik wird einerseits zur Abtrennung von festen und flüssigen Gasbestandteilen als
auch zur Vortrocknung angewandt. Es basiert auf dem Prinzip der Massenträgheit.
1.8.2.2. Gastrocknung
Aufgrund der hohen Wassergehalte von Biogas erfolgt eine Trocknung. Die folgenden Verfahren
stellen häufig angewandte Methoden dar:
• Trocknung durch Kühlung:
Bei dieser Technik erfolgt die Kühlung des Gases bis auf wenige °C. Das dabei anfallende
Kondensat wird abgetrennt. Erfolgt vor der Kühlung eine Komprimierung des Gases, können
geringere Feuchtigkeitsgehalte erzielt werden.
• Trocknung durch Adsorption:
Hierbei erfolgt die Abtrennung von Wasser durch die Verwendung unterschiedlicher
Adsorptionsmittel, wie z.B. Silica-Gel, Kieselgel, Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid.
• Trocknung durch Absorption:
In diesem Prozess wird das Gas mit Hilfe von Monoethylenglykol (MEG), Triethylenglykol
(TEG) oder hygroskopischen Salzen getrocknet.[16]
-27-Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
1.8.3. Aufbereitung von Biogas
1.8.3.1. Entschwefelung
Die Entschwefelung von Biogas ist einer der wichtigsten Reinigungsschritte, da H2S in Verbindung
mit O2 zur Bildung von Schwefelsäure führen kann. Die Methode der Entschwefelung hängt von
der Konzentration an H2S im Biogas ab. Die Werte können dabei von wenigen ppm bis hin zu
1500 ppm schwanken.[18]
Die Reinigung kann auf folgende Arten erfolgen:
• Integrierte biologische Entschwefelung:
Bei dieser Methode wird H 2 S mittels Luftsauerstoff im Nachfermenter durch
Schwefelbakterien zu elementarem Schwefel abgebaut.
• Externe biologische Oxidation:
In diesem Prozess erfolgt die Reinigung mittels eines nachgeschalteten Wäschers im
Gegenstrom oder mithilfe eines Biotropfkörpers, der kontinuierlich mit Nährlösung versorgt
wird. Bei beiden Methoden erfolgt die Umwandlung von H2S in elementaren Schwefel.
• Selexol-Verfahren:
Hierbei handelt es sich um ein Druckwäscheverfahren (p = 3 bar), bei dem die Entfernung
von H2S durch den Einsatz von Glymes (Glycol Dimethyl Ether) als Lösungsmittel erfolgt.
• Entschwefelung mit Eisenoxid:
Auf diese Weise wird H2S an Eisenhydroxidpellets in Eisensulfid überführt. Bei der
Regeneration wird elementarer Schwefel gewonnen.
• NaOH-Wäsche:
Bei diesem Vorgang erfolgt die Reinigung mittels eines einstufigen NaOH-Gegenstrom-
wäschers.
• Aktivkohle:
Diese Entfernung von H2S erfolgt durch katalytische Oxidation an imprägnierter Aktivkohle.
Dieser Prozess wird jedoch meist nur zur Feinreinigung verwendet.[17]
-28-Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
1.8.3.2. Methananreicherung
Biogas weist rund 50 - 70 % Methan auf. Für die Verwendung als Kraftstoff muss jedoch eine
Methananreicherung erfolgen. Die folgenden Punkte stellen die gängigen Aufbereitungsverfahren
dar:
• Druckwechseladsorption:
Bei diesem Verfahren erfolgt eine Anreicherung von Methan aufgrund der unterschiedlichen
Adsorption von CH4 und CO2 an einem Kohlenstoffmolekularsieb bei einem Druck von 8 - 10
bar. CO2 bindet sich schneller an den Feststoff und wird somit abgetrennt.
• Druckwasserwäsche:
Hierbei erfolgt die Anreicherung durch die Verwendung einer Absorptionskolonne. Dabei
wird das Gas bei einem Druck von 6 - 8 bar im Gegenstrom mittels Wasser gewaschen.
• Druckwäsche mit organischen Lösungsmitteln:
Dieses Verfahren erfolgt wie die Druckwasserwäsche, unterscheidet sich jedoch durch das
verwendete Waschmedium. Hierbei handelt es sich um Brauchwasser oder eine
Polyethylenglykollösung.
• Membrantechnologie:
Die Abtrennung von CO2 erfolgt mithilfe einer Membran, deren Material ausschlaggebend für
die Selektivität des Verfahrens ist. Übliche Formen der Anwendung sind 2-stufige Prozesse,
die eine erhebliche Steigerung der Reinigungsleistung mit sich bringen. Abzuscheidende
Stoffe wie H2S und CO2 diffundieren durch die Membran und werden an einem Spülgas oder
einer Spülflüssigkeit adsorbiert und abtransportiert. Abhängig vom verwendeten Spülmedium
wird zwischen Nass- und Trockenmembranverfahren unterschieden.[17]
-29-Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
Abbildung 12 stellt eine Methananreicherung mittels Druckwasserwäsche dar. Ebenso beinhaltet
diese Anlage Teile, die für die Trocknung des Gases benötigt werden. In den folgenden Zeilen
werden die wesentlichsten Bestandteile und die Funktionsweise der Anlage beschrieben. Bevor das
komprimierte Gas in die Absorptionskolonne eintritt, in der CO2 mittels Wasser ausgetragen wird,
erfolgt eine Trocknung des gesättigten Gases mithilfe der Absorptionstrockner. Die Flashkolonne
dient der Rückgewinnung von Methan, das in der vorgeschalteten Absorptionskolonne
„mitentfernt“ wurde. Die Regeneration des Waschmediums erfolgt in der Desorptionskolonne.
Dabei wird das angelagerte CO2 mittels Strippung (Lufteintrag) entfernt.
Abb. 12: Druckwasserwäsche zur Biomethananreicherung
[Quelle: DE Verband Group (2010)][51]
-30-Ethanol-Biodiesel-Biogas als Kraftstoff
1.9. Biomass-to-Liquid (BtL)
Die Entwicklung synthetischer Biokraftstoffe steckt noch in den Kinderschuhen. Diese Kraftstoffe
- auch bekannt als Biomass-to-Liquid - sind noch nicht am Markt verfügbar und finden
ausschließlich in Forschungs- und Pilotanlagen Verwendung. Die Gewinnung kann aus
unterschiedlichsten Rohstoffen, wie Holzabfälle, Bioabfälle, Stroh, Reste aus der Landwirtschaft
u.v.m. erfolgen. Die Verwendung von synthetischen Kraftstoffen erfordert keine technische
Veränderung der bestehenden Antriebsaggregate.[1]
1.9.1. Herstellung
Im Vergleich zu fossilen Brennstoffen, deren Struktur Jahrmillionen vereinfacht und abgebaut
wurde, besitzt Biomasse hochkomplexe Verbindungen, die nicht für den Einsatz als Kraftstoff
geeignet sind. Das Ziel von BtL ist die Vereinfachung molekularer Strukturen, um diese als
Kraftstoff verwertbar zu machen. Diese Vereinfachung erfolgt durch die Zerstörung der
Zellstrukturen durch Druck und Temperatur. Dabei wird ein Gas gewonnen, das durch Synthese und
Aufbereitung zu verwertbarem Kraftstoff wird.[1]
1.9.1.1. Carbo-V-Technologie
Die Entwicklung dieses Verfahrens erfolgte durch das Unternehmen Choren Industries®. Es handelt
sich dabei um ein 3-stufiges Vergasungsverfahren, das hauptsächlich zur Gewinnung von Biodiesel
aus Holz entwickelt wurde. Abbildung 13 stellt das Carbo-V®Verfahren schematisch dar.
Abb. 13: Schematische Darstellung des Choren Carbo-V®Verfahrens zur Biodieselherstellung
[Quelle: RAO Online (2010)][52]
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