Unsere Kraftstoffe für die Zukunft

Biokraftstoffe sind flüssige oder gasförmige Treibstoffe hergestellt aus organischer Substanz/Biomasse. Öl-, stärke- und zuckerhaltige Pflanzen wie Raps, Sonnenblumen, Soja oder Jatropha, Getreide und Mais, Zuckerrüben oder Zuckerrohr sind geeignet. Aber auch aus cellulosehaltigem Pflanzenmaterial, wie Holz, Stroh oder auch aus Algen können Kraftstoffe hergestellt werden.

Biokraftstoffe werden als Reinkraftstoffe oder als Beimischung (Blends) eingesetzt. Pflanzenöl /PPO kann in reiner Form nur in umgerüsteten Dieselmotoren zum Einsatz kommen. Biodiesel Rapsölmethylester (RME/FAME) ist als Reinkraftstoff (B100) besser an die Anforderungen der Dieselmotoren angepasst als Pflanzenöl und kann von freigegebenen LKWs und Bussen ohne Probleme getankt werden. PPO und FAME ist nicht in allen EU-Ländern (Frankreich) als Reinkraftstoff zugelassen. Bioethanol kann als Reinkraftstoff (sog. E85) in speziellen Flex-Fuel-Motoren gefahren werden. Biogas wird in Erdgasfahrzeugen als Treibstoff (CNG) in Form von Biomethan eingesetzt. Voraussetzung ist die Aufbereitung des Biogases auf Erdgasqualität. Biogas betriebene Fahrzeuge zeichnen sich durch geringere Schadstoffemissionen als Benzin- oder Dieselfahrzeuge aus. Hinsichtlich des Ertrags von einem Hektar Anbaufläche sind der Energiegehalt und die Reichweite von Biogas besonders groß. BtL-Kraftstoffe sind synthetische oder Biomass-to-Liquid-Kraftstoffe (XtL-Kraftstoffe) der „Zweiten Kraftstoff Generation“. Diese Kraftstoffe befinden sich noch in der Forschungs- bzw. Pilotphase und werden aus verschiedenen Bio-Rohstoffen (Zellulose/Holz) hergestellt. Die Designer-Kraftstoffe sind auf die Anforderungen der Motoren zugeschnitten.

Zu den Biokraftstoffen der 1. Generation zählt man Biodiesel, Pflanzenöl, Ethanol, als Kraftstoffe der 2. Generation bezeichnet man Methan aus Biogas (-einspeisung) und die Synthese- oder BtL-Kraftstoffe (Biomass-to-Liquid).

Beimischung

Als Zumischungsanteil tanken wir Biokraftstoffe heute bereits mit jeder Tankfüllung (Biokraftstoffquote). Bei der Beimischung werden gesetzlich vorgeschriebene Anteile von Biokraftstoffen den fossilen Kraftstoffen beigemischt. Die Höhe dieser Beimischungsanteile wird auf europäischer und nationaler Ebene festgelegt (Europäische Kraftstoffqualitätsrichtlinie). Zu einem Liter Normalbenzin darf in Europa bis zu 10 % Bioethanol (sog. E10) beigemischt werden, eine Kennzeichnung an der Tankstelle ist nicht erforderlich. Bei Dieselkraftstoff darf in Europa seit 2009 bis zu 7 % Biodiesel beigemischt werden (sog. B7), dieses wird an der Zapfsäule entsprechend gekennzeichnet.


Biokraftstoffe

Biomethan

Eine Alternative zur Verstromung von Biogas stellt die Verwendung als Kraftstoff dar. Der Vorteil gegenüber flüssigen Biotreibstoffen liegt in der Nutzung konventioneller Erdgasmotoren und im höheren Flächenertrag. Bezogen auf einen Hektar Anbaufläche kann ein Fahrzeug mit Biomethanantrieb die dreifache Entfernung zurücklegen wie ein pflanzenölgetriebenes Fahrzeug. In PKW kommt Biomethan als verdichtetes Gas zum Einsatz (CNG), während LKW, Schiffe oder auch Schienenfahrzeuge verflüssigtes Gas mit einer höheren Energiedichte verwenden können (LNG).

Das ins Erdgasnetz eingespeiste Biomethan wird bilanziell an einen Betreiber einer Gastankstelle übertragen, der dabei von der Befreiung von der Energiesteuer profitiert. Alternativ ist Biomethan auf die Biokraftstoff-Quotenziele der Bundesregierung anrechenbar. Bis 2014 betrug die energetische Gesamtquote für Biokraftstoffe 6,25 % der jährlich in Verkehr gebrachten Kraftstoffe, wobei mindestens 2,8 % der Otto- und 4,4 % der Dieselkraftstoffe als sog. Unterquote durch Biokraftstoffe ersetzt werden mussten. Biomethananteile im Erdgas wurden anteilig zu ihrem Energiegehalt auf die Gesamtquote angerechnet. 2015 wurde die Biokraftstoffquote auf eine Treibhausgas(THG)-Minderungsquote umgestellt. Zunächst müssen durch das Inverkehrbringen von Biokraftstoffen mindestens 3 % und bis 2020 7 % THG-Emissionen eingespart werden. Letztgenannter Anteil entspricht bei einer durchschnittlichen THG-Vermeidung von ca. 60 % je Liter Biokraftstoff gegenüber fossilen Kraftstoffen mehr als 10 % Biokraftstoff in Bezug auf den Energiegehalt. Die Menge an Biokraftstoffen, die in Verkehr gebracht werden muss, steigt somit bis 2020 deutlich an.

Zur Anrechnung von Biomethan auf die Biokraftstoffquote ist seit 2011 der Nachweis erforderlich, dass Biokraftstoffe die Kriterien der Biokraftstoff-Nachhaltigkeitsverordnung (Biokraft-NachV) erfüllen. Dies u.a. bedeutet, dass Biokraftstoffe mindestens eine THG-Vermeidung von 35 % nachweisen müssen. Mit der Richtlinie 2009/28/EG wurde durch die EU der gemeinsame Rahmen für die Förderung erneuerbarer Energien festgelegt. Darin wurden Kriterien für eine nachhaltige Bereitstellung von Biokraftstoffen und flüssigen Biobrennstoffen aufgenommen. In Deutschland gelten die in der Biokraft-NachV festgelegten Nachhaltigkeitskriterien seit 2010 auch für Biomethan, wenn es als Biokraftstoff verwendet wird und auf die Biokraftstoffquote angerechnet oder von der Energiesteuer befreit werden soll. Diese Nachhaltigkeitskriterien betreffen zum einen die Anbaufläche und die landwirtschaftliche Praxis für die verarbeitenden Pflanzen und zum anderen das Potenzial zur Treibhausgasminderung der erzeugten Biokraftstoffe. Typische Werte liegen bei 73 % (Biogas aus organischen Siedlungsabfällen), 81 % (Biogas aus Gülle) und 60 - 70 % (Biogas aus Energiepflanzen). Sie sind somit deutlich höher als Biodiesel aus Raps (38 %) und ähnlich hoch wie Biodiesel aus pflanzlichem oder tierischem Abfallöl (83 %).

Biomethan in Erdgasfahrzeugen

Biogas als gasförmiger Kraftstoff hat im Vergleich zu den flüssigen Energieträgern eine geringere Energiedichte (0,036 MJ/l) und benötigt daher für die Lagerung mehr Raum. In Erdgasfahrzeugen wird es in speziellen Drucktanks bei einem Druck von 200 bar komprimiert gespeichert. Mit einer Tankfüllung kann man Reichweiten von ca. 300- 500 km (in Abhängigkeit vom Fahrzeugtyp) zurücklegen. Demgegenüber stehen die sehr positiven Verbrennungseigenschaften und die sehr gute Energiebilanz. Der Ausstoß an Schadstoffen, wie Stickoxiden (NOx) , Feinstaub/Ruß und Kohlenwasserstoffen kann bis zu 80 % gesenkt werden im Vergleich zu Otto- und Dieselkraftstoffen. Als Kraftstoff hat Biogas den höchsten Energiegehalt und die größte Flächeneffizienz. Die auf einem Hektar angebauten Energiepflanzen liefern eine Biogasmenge, mit der ein Erdgasauto fast 70 000 Kilometer weit fahren kann. Wichtiger Vorteil für den Verbraucher ist der günstige Preis. Biogas /Erdgas als Kraftstoff ist noch bis 2015 von der Mineralölsteuer in Deutschland befreit. Damit lohnt sich die Anschaffung eines Erdgasautos, wegen der im Vergleich zu Benzin oder Diesel deutlich geringeren Kraftstoffkosten. Von der Gaswirtschaft gibt es die Zusage, das bestehende Netz an Erdgastankstellen weiter auszubauen. Vor allem auch an den Autobahnen sollen in den nächsten Jahren neue Zapfsäulen entstehen, die mit der Zunahme der Aufbereitung und Einspeisung ins Erdgasnetz dann auch immer mehr Biogas aufnehmen. Mittlerweile steigt in Europa auch die Anzahl von Erdgasfahrzeugen. Schweden hat hier eine Vorreiterposition eingenommen. Weltweit werden jährlich ca. 1 Mio. neue Erdgasfahrzeuge (PKW, Nutzfahrzeuge, Busse, Spezialfahrzeuge) zugelassen.

Pflanzenöl/Biodiesel

Zur Gewinnung von Rapsöl gibt es zwei Herstellungsverfahren:

Pflanzenöle werden durch Pressung aus Ölpflanzen gewonnen, wobei es zumeist die Samen sind, die den höchsten Ölgehalt der Pflanze aufweisen. Sehr bekannte Pflanzenöle sind Rapsöl, Sonnenblumenöl, Sojabohnenöl, Olivenöl, Jatropha-Öl, Palmöl, Erdnussöl. Die Verwendung und die Qualität der Pflanzenöle werden durch ihre Fettsäuremuster bestimmt. Nicht alle Öle eignen sich daher zur technischen Verwendung. Die wichtigste und leistungsfähigste Ölpflanze ist in Europa der Raps (Brassica napus L.). Bei Rapssaaterträgen von 30-50 dt/ha mit 40 % Ölgehalt werden ca. 1.600 l Rapsöl je Hektar erzeugt. Als Kraftstoff kann Rapsöl als raffiniertes, gereinigtes Öl mit speziellen Qualitätsanforderungen eingesetzt werden.

Zur Gewinnung von Rapsöl gibt es zwei Herstellungsverfahren, die dezentrale Kaltpressung, die oft in landwirtschaftlichen Betrieben oder Genossenschaften stattfindet, sowie die zentrale Herstellung durch Raffination in industriellen Großanlagen.

Dezentrale Ölherstellung (kaltgepresst)

Die Rapssaatverarbeitung erfolgt in zwei Hauptschritten:

Der eigentlichen Pressung der gereinigten Rapssaat sowie den darauf folgenden Reinigungs- und Filtervorgängen. Der Wassergehalt der Saat sollte 7 – 8 % nicht überschreiten. Gepresst wird bei einer Saattemperatur zwischen 15 und 25°C, meist in Schneckenpressen. Bei der dezentralen Ölgewinnung lassen sich Abpressgrade von 75 bis 85 % erzielen. Im Anschluss an das Pressen erfolgt das Reinigen des Trüböles (0,5 bis 6 Gew.-% Feststoffe) entweder durch Sedimentation, Filtration oder durch Zentrifugation. Der Presskuchen dient in der Landwirtschaft als wertvolles Eiweißfuttermittel.

Zentrale Ölherstellung (Raffinat)

Die Ölsaat (Rapskörner) wird gereinigt, falls nötig getrocknet, zerkleinert und mit Wasserdampf thermisch behandelt, um die Ölzellen leichter aufzubrechen. In einer Vorpressung mit einer Schneckenpresse wird bereits ein Großteil des enthaltenen Öls abgepresst. Der Rückstand nach der Pressung, der sogenannte Presskuchen, hat noch einen Restölgehalt von 10 bis 25%. Bei der anschließenden chemischen Extraktion (Temperaturen bis 80°C) mit Hexan, einem Leichtbenzin, gelingt es, insgesamt über 98% des in der Saat enthaltenen Öls zu gewinnen. Dann wird das Öl filtriert und Hexan durch Destillation abgetrennt und zurück gewonnen. Durch die thermische Behandlung und die chemische Extraktion enthält das Öl mehr unerwünschte Begleitstoffe. Um diese Begleitstoffe zu entfernen, muss es schließlich raffiniert werden. Dabei kommt es zur Entschleimung (Haltbarkeit, techn. Verwendbarkeit), Entsäuerung (Entfernung freier Fettsäuren), Bleichung (Abtrennen von Farbstoffen) und Desodorierung (Abtrennung von Aroma- und Geschmackstoffen). Das so behandelte Öl bezeichnet man als Vollraffinat und kann u. a. als Kraftstoff in modifizierten Motoren eingesetzt werden.

Biodieselherstellung

Wird aus Rapsöl Biodiesel hergestellt, erfolgt in einem weiteren Verfahrensprozess die Veresterung des Vollraffinates unter Zugabe von Methanol und Katalysatoren. Die korrekte Bezeichnung Rapsmethylester (RME) weist bereits auf den Herstellungsprozess hin. Auch Altfette können als Ausgangsprodukt eingesetzt werden und zu FAME (Fatty Acid Methylester) verestert werden. Als Nebenprodukt entsteht Glycerin.

PPO (Pure Plant Oil)

PPO (Reines Pflanzenöl) unterscheidet sich in seinen Eigenschaften deutlich von Dieselkraftstoff. Vor allem die höhere Viskosität und der höhere Flammpunkt sowie die veränderten Verbrennungseigenschaften erfordern zwingend eine technische Umrüstungen der Motoren / Fahrzeuge, um einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten. Einsatzbereiche Reines Pflanzenöl kann nur in umgerüsteten Motoren von Nutzfahrzeugen zum Einsatz kommen. Vor allem Schlepper in der Landwirtschaft, aber auch Fuhrparks großer Speditionen werden auf den Betrieb mit Rapsöl umgerüstet. Beim „Eintanksystem“ erfolgt die Modifikation vor allem am Kraftstoffsystem (um den Kaltstart zu ermöglichen), beim Zweitanksystem startet der Motor zunächst mit Diesel und springt erst bei erreichtem Volllastbetrieb /erwärmtem Motor auf Rapsölbetrieb um.

Hinweise für den Betrieb mit Rapsöl:

  • möglichst Volllastbetrieb der Maschine
  • keine langen Stillstandszeiten
  • kürzere Ölwechselintervalle
  • richtige Lagerung des Kraftstoffes

häufige Probleme beim Pflanzenölbetrieb:

  • defekte Einspritzpumpen (Einspritzdüsen)
  • festsitzende Ventile aufgrund von Ablagerungen
  • verstopfte Filter durch schlechte Rapsölqualität
  • Rußablagerungen in Luft- und Abgaskanälen
  • verstärkter Rapsöleintrag in das Schmieröl

Bioethanol

Als Bioethanol gilt nach gesetzlicher Vorgabe aus Biomasse gewonnener Ethylalkohol mit einem Alkoholgehalt von mindestens 99 %. Bioethanol kann als alternativer Kraftstoff entweder in Reinform oder als Beimischung zu Ottokraftstoff Verwendung finden. Es gibt verschiedene Mischungen mit variablen Ethanol-Benzin-Verhältnissen, wobei das E den Volumenanteil Ethanol am Kraftstoffgemisch angibt (z.B. E10 oder E85).

Die Mischung von 85 % Ethanol und 15 % Benzin wird im Allgemeinen als E85 bezeichnet und ist in Brasilien und den USA sehr verbreitet. Aber auch in einigen europäischen Staaten, wie Frankreich, Deutschland und Spanien stieg der Marktanteil in den vergangenen Jahren kontinuierlich. Für die Verwendung dieses Kraftstoffes ist die technische Anpassung des Otto-Motors notwendig.

Produktionsweise

Die Basis für die Ethanolherstellung ist Zucker, welcher direkt aus zuckerhaltigen Pflanzen (Zuckerrohr) bzw. Pflanzenteilen (Zuckerrüben) gewonnen wird. Stärkehaltige Früchte (Getreide, Mais) eignen sich nach Aufschluss der Stärke zu Zucker und sind als Rohstoffe für die Alkoholproduktion bewährt. Weiterhin gibt es Forschungsansätze, aus Hemizellulose und Zellulose (Holz, Stroh) Ethanol zu gewinnen, um stärker auf Biomassen auszuweichen, die nicht der Nahrungsmittelproduktion dienen.

Im Wesentlichen besteht die Herstellung von Bioethanol aus drei Schritten:

  1. enzymatischer Aufschluss / Lösung von hochmolekularen Zuckerverbindungen (Stärke, Zellulose) in niedermolekulare Zucker (Glucose) = Verzuckerung
  2. durch alkoholische Gärung Umwandlung von Zucker zu Alkohol und CO2
  3. Reinigung des Alkohols: Destillation und Entwässerung (Rektifikation, Absolutierung)

Bei der Fermentation wird der Zucker (Glucose) mittels Enzymen von Hefen zu Alkohol und CO2 nach der folgenden Reaktionsgleichung vergoren:

C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2

Bei der Destillation wird das Wasser aus dem Alkohol gereinigt. Da Alkohol einen niedrigeren Siedepunkt (78,4 °C) als Wasser (100 °C) aufweist (geht leichter in die Gasphase über), kann dieser durch Verdampfung vom flüssigen Wasser getrennt werden. Nach einem weiteren nachgeschalteten Reinigungsschritt (Rektifikation) erhält man 96 %-iges Ethanol. Da es in Mischung mit einem Benzinanteil bis zu 10 % (E10) zu einer Phasentrennung kommen kann, muss das Ethanol eine Reinheit von 99,5-99,9 % aufweisen (wasserfrei sein) und wird in einem letzten Produktionsschritt absolutiert.

Die eingesetzten Brennstoffe zur Produktion der Rohstoffe und zur Reinigung des Alkohols beeinflussen zu einem großen Teil die Energieeffizienz und die CO2-Emissionen, die mit der Herstellung verbunden sind. Eine nachhaltige Ethanolproduktion basiert auf der Bereitstellung von erneuerbarer Energie im energieintensiven Destillationsprozess und einem weitestgehend geschlossenen Stoffkreislauf.

Technische Voraussetzungen

Ethanol kann grundsätzlich als Substitut für Otto- (Benzin-) Motoren verwendet werden. Bis zu einem Anteil von 10 % Ethanol im Benzin ist keine technische Anpassung des Motors notwendig. Bei höheren Anteilen Ethanol ist der schlechtere Heizwert des Ethanols (29,3 MJ/kg, 33 % niedriger im Vergleich zu Super Benzin) durch einen höheren Kraftstoffanteil im Kraftstoff-Luft-Gemisch auszugleichen („Anfettung“). In den sogenannten „Flexible-Fuel-Vehicles“ (FFV) wird diese technische Anpassung des Motors bereits werkseitig vorgenommen.

Nebenprodukte und Reststoffe

Bei der Biokraftstoff-Produktion fallen zusätzlich wertvolle Nebenprodukte an, wie Glyzerin und/oder Proteinfuttermittel, die Futtermittelimporte (Soja) reduzieren:

  • Rapsöl/Biodiesel: Rapsschrot/Rapskuchen als Eiweißfutter für die Rinder und Kühe
  • Glycerin als Rohstoff für die chemische und kosmetische Industrie
  • Bioethanol: Schlempe (Biogas), DDGS als Futtermittel für Rinder, Schweine und Geflügel
  • Biogas: Gärreststoffe als Dünger (Nährstoffrückführung)

Nachhaltigkeit und Ökologie

Die nachhaltige Erzeugung von Biokaftstoffen hat einen hohen Stellenwert. Die Europäische Union hat daher Nachhaltigkeitskriterien für die Produktion von Biokraftstoffen entwickelt. Diese sollen sicherstellen, dass von Biokraftstoffen ein Mindestbeitrag zur Reduktion der Treibhausgase geleistet wird. Sie schließen die Bewertung des Anbau von Biomasse, die Produktion von Biokraftstoffen und Biobrennstoffen und deren Nutzung (für Blockheizkraftwerke, BHKW) ein. Zu berücksichtigen sind z.B. Erträge, Düngemitteleinsatz, Transport, Energieeinsatz für die Biokraftstoffproduktion und der jeweilige Ersatz fossiler Energieträger. Biokraftstoffe müssen über ihre gesamte Life Science-Kette mindestens 35 % der Treibhausgasemissionen (ab 2017: 60 %) reduzieren. Biokraftstoffproduzenten und Händler müssen nachweisen, dass die entsprechenden Nachhaltigkeitskriterien bei der von ihnen genutzten Biomasse eingehalten werden. Hierzu ist ein internationales Zertifizierungssystem für Biokraftstoffe entwickelt worden.