Inhaltsverzeichnis I

Inhaltsverzeichnis   

Abbildungsverzeichnis.   ΙV

Tabellenverzeichnis. V   

Abk  ürzungsverzeichnis. VΙΙ  

1  EINLEITUNG UND AUFGABENSTELLUNG.  1

2  BIOETHANOL.  3

2.1  Grundsätzliches  3

2.2  Ökonomische und gesetzliche Vorgaben.  4

2.3  Einsatz des Bioethanol als alternativer Kraftstoff.  8

2.4  Vorkommen in Lebensmitteln  11

2.5  Sonstige Verwendung.  12

2.6  Zertifikationen für Biokraftstoffproduzenten.  13

3  WEIZEN.  15

3.1  Weizen Anbau, Ertrag und Nebenprodukte.  15

3.2  Chemische Zusammensetzung Weizen und Nebenprodukte.  17

3.3  Mehlverarbeitung.  22

3.4  Herstellung der Substratlösung für die Fermentation  22

4  ZUCKERRÜBEN.  25

4.1  Zuckerrüben Anbau, Ertrag und Nebenprodukte.  25

4.2  Chemische Zusammensetzung der Zuckerrübe, Koppelprodukte.  27

4.3  Saccharidgewinnung aus Zuckerrüben.  28

4.4  Herstellung der Substratlösung für die Fermentation  33

Inhaltsverzeichnis ΙΙ

5  BIOETHANOL AUS WEIZEN UND ZUCKERRÜBEN.  34

5.1  Grundsätzliches über Saccharomyces cerivisiae.  34

5.2  Ethanolfermentation.  40

5.2.1  Diskontinuierliche Fermentation (Batch-Verfahren)  42

5.2.2  Kontinuierliche Fermentation.  43

5.2.3  Anlagenaufbau in der Industrie.  46

5.3  Ethanol-Wasser-Trennung.  51

5.3.1  Destillation und Rektifikation.  52

5.3.2  Absolutierung und Filtration  56

5.3.3  Lagerung und Transport des Ethanol.  58

6  ANLAGENKONZEPTE ZUR ENERGIEGEWINNUNG.  59

6.1  Wirkungsgrade von Heizwerken und Heizkraftwerken.  59

6.2  Anlagenkonzepte und energetische Kenngrössen.  60

6.3  Erzeugung von Biogas Methan.  62

6.4  Inhaltesstoffe und Eigenschaften von Biogas.  70

7  NETTOENERGIEBILANZ DER BIOETHANOLPRODUKTION.  73

7.1  Basisdaten.  73

7.1.1  Basisdaten PE-Träger  73

7.1.2  Heizwert, Kohlendioxid-Fracht, Marktpreis  76

7.1.3  Basisdaten Default-Werte  78

7.1.4  Basisdaten für Anbau und Transport Zuckerrübe, Weizen  81

7.2  PE-Einsatz der Rohstoffproduktion Weizen, Zuckerrüben.  84

7.2.1  Transportwege  87

7.3  Bioethanolproduktion aus Weizen.  89

7.3.1  Prozessmodule für die Bioethanolproduktion.  89

7.3.2  Sachbilanz der Weizen-Modelle Input, Output  91

7.3.3  Input Weizen-Modelle  91

7.3.4  Output Weizen-Modelle  93

Inhaltsverzeichnis ΙΙΙ

7.3.5  Allokationen Weizen-Modellee.  94

7.3.6  Energiebilanz der Weizen-Modellee  99

7.3.7  Default-Wert Berechung Weizen.  100

7.4  Bioethanolproduktion aus Zuckerrübenn.  102

7.4.1  Prozessmodule für die Bioethanolproduktion.  102

7.4.2  Sachbilanz der Zuckerrüben-Modelle Input, Output.  104

7.4.3  Input Zuckerrüben-Modellee.  105

7.4.4  Output Zuckerrüben-Modelle.  107

7.4.5  Allokationen Zuckerrüben-Modellee.  109

7.4.6  Energiebilanz der Zuckerrüben-Modellee.  111

7.4.7  Default-Wert Berechung Zuckerrüben-Modellee.  113

8  UNTERSUCHUNG DER BIOETHANOLBERICHTE.  115

8.1  Studie Schmitz  116

8.2  Studie Elsayed et al.  120

8.3  Studie EMPA.  125

8.4  Studie CONCAWEE.  128

9  STROM EINSPEISUNG, NUTZUNG UND WIRKUNGSGRAD.  131

10  ZUSAMMENFASSUNG.  133

11  AUSBLICK.  134

Literatur  Quellennachweis XΙΙ  

Anhang Verteidigung  Power Point Präsentation XVΙΙ  

Abbildungsverzeichnis   

Abbildungsverzeichnis   

Abbildung  1: Ethanol Produktion.  

Abbildung  2: Bioethanolanlagen in Deutschland.  

Abbildung  3: Weizenähre.  

Abbildung  4: Strohballen.  

Abbildung  5: Hydrolyse Amylose.  

Abbildung  6: Hydrolyse Amylopektin.  

Abbildung  7: Zuckerrübe.  

Abbildung  8: Chemische Zusammensetzung der Zuckerrübe.  

Abbildung  9: Zuckerrüben Aufbau.  

Abbildung  10: Reinigung, Zerkleinerung, Extraktion.  

Abbildung  11: Reinigen Rohsaft.  

Abbildung  12: Eindampfen Dünnsaft.  

Abbildung  13: Kristallisation.  

Abbildung  14: Glucose zu Ethanol.  

Abbildung  15: Vermehrungskurve  

Abbildung  16: Diskontinuierliches Verfahren.  

Abbildung  17: Kaskadenverfahren für Weizen.  

Abbildung  18: Kontinuierliche Verfahren mit Zuckerrüben.  

Abbildung  19: Fliesschema Anklam Bioethanol GmbH (Danisco)  

Abbildung  20: KWST Kaskadenverfahren für Weizen.  

Abbildung  21: Rohalkoholkolonne.  

Abbildung  22: Modernes Trennungsverfahren (starke Vereinfachung)  

Abbildung  23: Anaerober Abbau zu Methan.  

Abbildung  24: PE-Inputs Weizen-Modelle.  

Abbildung  25: Output Vergleich Weizen-Modelle.  

Abbildung  26: Nettoenergiebilanz Weizen-Modelle.  

Abbildung  27: PE-Inputs Zuckerrüben-Modelle.  

Abbildung  28: Output Vergleich Zuckerrüben-Modelle.  

Abbildung  29: Nettoenergiebilanz Zuckerrüben-Modelle  

Tabellenverzeichnis V

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Begründung für die Förderung von Bioethanol.. 5

Tabelle 2: Eigenschaften von Ethanol und Benzin.. 8

Tabelle 3: Ethanol und ETBE im Vergleich..... 10

Tabelle 4: Biokraftstoffquotengesetz 11

Tabelle 5: Anlage 4 zu § 7b 3 LMKV....... 12

Tabelle 6: Weizen Stärken und Schwächen...... 16

Tabelle 7: Inhaltsstoffe Weizen. 18

Tabelle 8: Dosierung Brennerei 24

Tabelle 9: Zuckerrüben Stärken Schwächen.. 26

Tabelle 10: Massenströme und Prozessmodule für Zuckerrübe.... 48

Tabelle 11: Massenströme und Prozessmodule für Weizen.. 51

Tabelle 12: Kennzeichnungs- Beförderungsvorschriften Ethanol... 59

Tabelle 13: Energietische Kenngrössen für Feuerungsanlagen. 62

Tabelle 14: Vorteile der mesophilen und thermophilen Vergärung. 67

Tabelle 15: Abbauleistung von Praxisfermentern.. 68

Tabelle 16: Inhaltesstoffe Biogas. 70

Tabelle 17: Gasreinigung und Gasverwendung.... 71

Tabelle 18: Rohöl PE-Einsatz... 74

Tabelle 19: PE-Energieeinsatz für Rohölprodukte.... 74

Tabelle 20: PE-Einsatz für Erdgas...... 75

Tabelle 21: Uran Bereitstellung... 75

Tabelle 22: PE-Einsatz für Strom.... 75

Tabelle 23: Brennstoffe Bioethanol-Modelle.. 76

Tabelle 24: Verbrennung PE-Träger... 76

Tabelle 25: Heizwert Nebenprodukte.. 77

Tabelle 26: Nebenprodukterlös... 77

Tabelle 27: Marktpreis Energieträger. 77

Tabelle 28: Diesel PE-Träger... 79

Tabelle 29: Heizöl L PE-Träger... 79

Tabelle 30: Heizöl S PE-Träger... 80

Tabellenverzeichnis VΙ

Tabelle 31: Strom PE-Träger.80

Tabelle 32: Unterstellter Energiepflanzenanbau....... 81

Tabelle 33: Basisdaten Produktion Dünger.... 82

Tabelle 34: Basisdaten Düngertransport ....... 82

Tabelle 35: Pflanzenschutzmittel Primär- und Endenergieaufwand... 83

Tabelle 36: Pflanzenschutzmitteltransport..... 83

Tabelle 37: PE-Einsatz Saatgut... 84

Tabelle 38: Arbeitsaufwand und PE-Einsatz in der Landwirtschaft Teil 1.... 85

Tabelle 39: Arbeitsaufwand und PE-Einsatz in der Landwirtschaft Teil 2.... 86

Tabelle 40: Transport Rohstoffe.. 88

Tabelle 41: Weizen Zerkleinerung.. 89

Tabelle 42: Energiebedarf Ethanolgewinnung aus Weizen.... 90

Tabelle 43: Schlempe, Dekanter mit Schneckenantrieb.. 90

Tabelle 44: Evaporation.... 90

Tabelle 45: Modelle Weizen..... 91

Tabelle 46: Input Weizen.. 91

Tabelle 47: Energiewerte, Feuerungsanlagen Weizen... 92

Tabelle 48: Braunkohle-Feuerungsanlage.... 92

Tabelle 49: Gesamter PE-Input Weizen.... 92

Tabelle 50: Gesamter Energie-Output Weizen-Modelle.. 94

Tabelle 51: Allokationen der In- und Outputs Weizen-Modell 1. 96

Tabelle 52: Allokationen der In- und Outputs Weizen-Modell 2..... 96

Tabelle 53: Allokationen der In- und Outputs Weizen-Modell 3.. 97

Tabelle 54: Allokationen der In- und Outputs Weizen-Modell 3a 98

Tabelle 55: Energieaufteilung Weizen.. 100

Tabelle 56: PE-Träger Weizen Default-Werte..... 101

Tabelle 57: Energie für Dicksaftherstellung..... 102

Tabelle 58: Zuckerrüben Ethanol... 103

Tabelle 59: Kühlung Fermentation.... 103

Tabelle 60: ZRS-Zerkleinerung Biogas........ 103

Tabellenverzeichnis VΙΙ

Tabelle 61: Schlempeeindampfung... 104

Tabelle 62: Modelle Zuckerrüben... 104

Tabelle 63: Input Zuckerrübe..... 105

Tabelle 64: Energieinput von Feuerungsanlagen ZR. 105

Tabelle 65: Gesamter PE-Einsatz ZR-Modelle... 106

Tabelle 66: Biogasproduktion ZRS, Brüden.... 108

Tabelle 67: Gesamter Energieoutput ZR-Modelle...... 109

Tabelle 68: Allokationen der In- und Outputs ZR-Modell 5... 110

Tabelle 69: Allokationen der In- und Outputs ZR-Modell 6... 110

Tabelle 70: Allokationen der In- und Outputs ZR-Modell 7... 110

Tabelle 71: Allokationen der In- und Outputs ZR-Modell 7a..... 111

Tabelle 72: Energieaufteilung Zuckerrüben........ 113

Tabelle 73: PE-Träger Zuckerrüben Default-Wert...... 114

Tabelle 74: Übersicht Modelle Bioethanolherstellung.... 122

Tabelle 75: Weizen-Modelle Elsayed et al... 123

Tabelle 76: Zuckerrüben-Modelle Elsayed et al.. 124

Tabelle 77: Vergütung Strom..... 132

Abkürzungsverzeichnis VΙΙΙ

Abkürzungsverzeichnis

A. : Allokation

ADP : Adenosindiphosphat

ASU : Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen

Energieverbrauch

ATP : Adenosintriphosphat

BE : Brennstoffenergie

BG : Biogas

BK : Braunkohle

BranntwMonoG : Branntweinmonopol Gesetz

BVT : beste verfügbare Techniken

cal. : calorisch

CaO : Calciumoxid

CaCO 3 : Calciumcarbonat

CH 4 : Methan

CIM : Einheitliche Rechtsvorschriften für den Vertrag über die

internationale Eisenbahnbeförderung von Gütern

CO 2 : Kohlendioxid

CSB : Chemischer Sauerstoffbedarf

DDGS : Distillers` Dried Grains with Solubles

DIPE : Di-Iso-Propyl-Ether

D : Dekanter

d : day (Tag) dm ³ : Kubikdezimeter

DT : Dampfturbine

dt : Dezi Tonne

E : Evaporation

EEG : Energiesteuergesetz

EG : Erdgas

ele. : elektrisch

Abkürzungsverzeichnis ΙX

ETBE : Ethyl-Tertiär-Butyl-Ether

EVU : Energie-Versorgungs-Unternehmen

FFV : Flex(ible) Fuel Vehicle

g : Gramm

GefAV : Gefahrenabwehrverordnung

Gew.-% : Gewichtsprozent

Gew. : Gewicht

GGVS/ADR : Gefahrgutverordnung auf der Straße, innerstaatliche und

grenzüberschreitende Beförderung

GHG : Greenhouse Gas

GT : Gasturbine

h : Stunden

ha : Hektar

H u : unterer Heizwert

H o : oberer Heizwert (Brennwert)

HW : Heizwerk

HKW : Heizkraftwerk

HL : Heizöl leicht

HRT : Hydraulic Retention Time

HS : Heizöl schwer

IMDG-Code : International Maritime Code for Dangerous Goods.

IPCC : Intergovernmental Panel on Climate Change

l : Liter

KW : Kraftwerk

L. : Leistung

LMKV : Lebensmittel-Kennzeichnungs-Verordnung

LMR : Lebensmittelrecht

m. : monetäre

m/s : Meter pro Sekunde

MAK-Wert : Maximale Arbeitsplatzkonzentration

Abkürzungsverzeichnis X

MBE : Mitteldeutsche Bioenergie GmbH & Co KG

Mg(OH) 2 : Magnesiumhydroxid

Mio. : Millionen

mm : Millimeter

MOZ : Motor-Oktanzahl

MTBE : Methyl-Tertiär-Butyl-Ether

NAD+ : Nichotinamidadenindinucleotid

NADH : Nichotinamidadenindinucleotid (Wasserstoff)

NAWARO : Naturwaren Rohstoff

NBE : Nordbrandenburger Bioenergie GmbH & Co KG

N 2 O : Distickstoffoxid (Lachgas)

org. : organische

OS : zugeführte organische Substanz

PE : Primäre Energie

P i : Pyrophosphat

ppm : parts per million

R-Sätze : Hinweise auf besondere Gefahren

r. A. : reiner Alkohol

ROZ : Research-Oktanzahl

S-Sätze : Sicherheitsratschläge

SK : Steinkohle

t : Tonnen

TAME : Tertiär-Amyl-Methyl-Ether

TRbF : Technische Regeln für brennbare Flüssigkeiten

Tr : Treibstoff

TS : Trockensubstanz

TWh : Tera Kilowattstunden

UASB : Upflow Anaerobic Sludge Blanket

UN-. Nr. : Gefahrnummer Allgemein

V : Vinasse

Abkürzungsverzeichnis XΙ

VbF : Verordnung über brennbare Flüssigkeiten

Verb. : Verbindung

Vol.-% : Volumenprozent

W : Weizen

WWS : Winterweizenstroh

WT : Wärmeüberträger

WTT : Well-To-Tank

WTW : Well-To-Wheels

W th : Leistung thermisch

W el : Leistung elektrisch

zit. n. : zitiert nach

Z : Zucker

ZR : Zuckerrüben

ZRS : Zuckerrübenschnitzel

∆G : freie Standardenthalpie

ή th : Wirkungsgrad thermisch

ή el : Wirkungsgrad elektrisch

Einleitung und Aufgabenstellung 1

1 EINLEITUNG UND AUFGABENSTELLUNG

Der IPCC-Bericht von 2001 kam zu dem Ergebnis, dass die mittlere Erdtemperatur seit Anfang des letzten Jahrhunderts um 0,6 °C angestiegen ist. Laut dem Klimabericht der Vereinten Nationen 2007 muss dieser Wert auf 0,74 °C angehoben werden. Nach der Meinung aller beteiligten Forscher sind die vom Menschen verursachten Emissionen an Treibhausgasen die Hauptursache für diese Erwärmung, welche zu Veränderungen im Tier- und Pflanzenreich auf der gesamten Welt führen. Das sich in den Emissionen befindende CO 2 gehört zu den wichtigsten Treibhaugasen. Obgleich das Treibhaugas Methan pro Molekül einen 32-mal höheren Einfluss auf den Treibhauseffekt hat als CO 2 (http://upiinstitut.de/klima-bericht_des_ipcc.htm, 11.11.2007). Aufgrund dessen haben sich die Industrieländer in der japanischen Stadt Kyoto im Jahre 1997 darauf geeinigt, dass die sechs wichtigsten Treibhausgase bis 2012 um weltweit 5,2 Prozent vermindert werden. Ziel dieser Übereinkunft ist es durch eine Verringerung des CO 2 -Ausstosses den weltweiten Treibhauseffekt zu mindern (http://www.tagesschau.de /meldung110550.html, 11.11.2007). Die durch Verbrennungsprozesse freigesetzte CO 2 -Emission kann durch den Einsatz von Energieträgern auf der Basis von Biomasse signifikant verringert werden, im Vergleich zu fossilen Energieträgren. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Menge an CO 2 -Emissionen, welche bei der energetischen Biomassenutzung entstehen zuvor beim Pflanzenwachstum der Atmosphäre entzogen wurde. Die bei fossilen Energieträgern entstehenden CO 2 -Emissionen sind vor Jahrmillionen durch biogene CO 2 -Fixierung und durch langwierige Transferierungsprozesse zu fossilen Energieträgern entstanden. Der Zeitprozess ist für die negative Belastung des anthropogenen Treibhauseffektes entscheidend (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 295).

Einer der biogenen Energieträger ist das Bioethanol. Die weltweite Bioethanolproduktion ist auch aufgrund der verminderten Erdöl- und Erdgasressourcen auf eine hauptsächliche Nutzung als Energieträgerersatz für fossile Treibstoffe ausgerichtet. In den Kraftstoffsektor fließen 66% des Bioethanol ein. Als weitere Einsatzbereiche sind die pharmazeutisch-chemische Industrie mit 21 % und die Lebensmittelindustrie mit 13 % zu nennen (Schmitz N., 2003, S. 129).

Brasilien führt im Jahr 2005 die weltweite Bioethanolproduktion mit 12,7 Mio. Tonnen mit ca. 36 % der weltweiten produzierten Bioethanolmenge an. 1974 begann Brasilien Bioethanol zu produzieren. Anlass dazu war der erste Erdölschock und die dadurch ausgelösten wirtschaftspolitischen Probleme. Der steigende Erdölpreis konnte von der brasilianischen Wirtschaft nicht getragen werden. Die U.S.A. begann 1978 mit einer steuerlichen Förderung („Energy Tax Act“) den Aufbau einer Bioethanolwirtschaft. Nach einem anfänglich langsamen, progressiven Anstieg der Bioethanolproduktion wurden im Jahre 2005 aufgrund einer gestiegenen Nachfrage 11,7 Mio. Tonnen Bioethanol produziert.

Einleitung und Aufgabenstellung 2

Präsident Bush bekannte sich in seiner Rede zur Lage der Nation am 23.01.2007 dazu ehrgeizige Ziele für den Einsatz erneuerbarer Energien zu verfolgen. Der Verbrauch fossiler Treibstoffe soll bis zum Jahr 2017 um 20 % gesenkt werden. Dazu würde unter anderem der vermehrte Ersatz von Benzin durch Bioethanol beitragen. Die ursprünglich für das Jahr 2012 verfolgte Bioethanolproduktion von rd. 23 Mio. Tonnen wird wahrscheinlich schon 2008 erreicht sein. Bis zum Jahr 2017 soll die Produktion von Biokraftstoffen auf rd. 110 Mio. Tonen verfünffacht werden (http://www.lab-biokraftstoffe.de /Bioethanol-weltweit.html, 09.11.2007).

Der Alkohol Ethanol wird Ethylalkohol oder auch Weingeist genannt und ist der Menschheit seit langem als Inhaltsstoff von alkoholischen Getränken bekannt. Die Sumerer dokumentierten schon vor 8000 -9000 Jahren in Keilschrifttafeln die Bierherstellung. Weine werden auch schon seit Jahrtausenden von den Menschen hergestellt. Das Destillieren von Alkohol wurde in Süditalien (Salerno) zwischen 1150 und 1250 betrieben (Römpp H. et al., 1989, S. 1243).

Die Aufgabenstellung dieser Diplomarbeit beinhaltet die Erstellung einer Nettoenergiebilanz für die technologische Bioethanolproduktion in Deutschland. Dazu wird eine Produktionsanlage gewählt, wie sie in der deutschen Industrie gewöhnlich vorkommt. Im ersten Teil dieser Arbeit soll die Gewinnung der Rohstoffe Weizen und Zuckerrübe anhand der landwirtschaftlichen Produktionsprozesse untersucht werden. Es werden alle Energieinputs aus der Landwirtschaft, Rohstoffaufbereitung und dem

Herstellungsprozess aufgezeigt, sowie die anfallenden Koppel ¹ - und Nebenprodukte ² in den einzelnen Produktionsabschnitten benannt werden. Der zweite Teil befasst sich mit der Allokation der Koppel- und Nebenprodukte und der Übertragungsweise auf die Energieinputs. In der schlussendlichen Energiebilanz werden die durch ein Allokationsverfahren berechneten Inputs und Outputs für eine Nettoenergiebilanz miteinander verglichen. Der dritte Teil setzt sich mit der Berechnung der Default-Werte für den Einsatz von primärer Energie zur Bioethanolproduktion aus Weizen und Zuckerrüben auseinander. Eine der Teilaufgaben in dieser Diplomarbeit ist das untersuchen von 4. Studien über Bioethanol. Ein weiter Aspekt, der Ergründet worden ist, ist der energetische Unterschied bei der primär Stromeinspeisung undnutzung. Ebenso sind die Zertifizierungs-Voraussetzungen für Bioethanolunternehmen untersucht worden.

¹ Koppelprodukt ist eines von zwei oder mehreren Produkten aus demselben Prozessmodul oder

Produktsystem

² Nebenprodukte entstehen durch einen weitern unabhängigen Bearbeitungsschritt nach dem

Prozessmodul oder Produktsystem

Bioethanol 3

2 BIOETHANOL

2.1 Grundlagen

Ethanol ist eine farblose, klare und hygroskopische ³ Flüssigkeit, welche einen würzigen Geruch und einen brennendem Geschmack besitzt. Dieser Alkohol ist leicht entzündlich und verbrennt mit schwach leuchtender Flamme mit einem Heizwert H u von 26,8 MJ pro kg zu Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) und Wasser (H 2 O). Dieser Alkohol ist mit Wasser, Ether, Chloroform, Benzin und Benzol in jedem Verhältnis mischbar. Die Vermischung vom Ethanol mit Wasser führt zu einer Volumenverminderung, die auch als Volumenkontraktion bezeichnet wird und zu einer Erwärmung des Gemisches (Römpp H. et al., 1990, S. 1243).

Bei einigen Bakterien und Hefen wird Ethanol als Stoffwechselprodukt synthetisiert. Durch technologische Verfahren kann Ethanol synthetisiert werden durch ein Alkoholsynthese-Verfahren, bei welchem an die Doppelbindung von gasförmigen Ethylen (C 2 H 4 ) Wasser (H 2 O) in einer

Hydroxylierungs-Reaktion ⁴ angelagert wird und Ethanol (C 2 H 5 OH) als Reaktionsprodukt entsteht (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 628). Ethanol ist ein organisches Molekühl welches aus zwei Kohlenstoffatomen besteht und der Gruppe der primären Alkohole zu zuordnen ist. Aufgrund der am 2 Kohlenstoffatom sitzenden polaren OH-Gruppe bildet Ethanol ebenso wie Wasser Wasserstoffbrückenbindungen aus. Diese intermolekularen Bindungskräfte erhöhen den Siedepunkt des Alkohols. Primäre Alkohole mit einem oder bis zu drei Kohlenstoffatomen sind aufgrund des geringen hydrophoben Alkyl-Restes unbegrenzt in polaren Lösungsmitteln wie Wasser mischbar (Dane E. et al.,

1997, S. 149f). Ethanol kann mit Wasser ein azeotropes ⁵ Gemisch bilden. Ein azeotropes Ethanol-Wasser-Gemisch liegt bei einer Massenzusammensetzung von 95,57% Ethanol und 4,43% Wasser vor. Bei diesem Mischungsverhältnis beträgt die Siedetemperatur 78,15°C. Wobei die Siedetemperatur der Ausgangskomponenten Ethanol bei 78,3°C und die des Wassers bei 100°C liegt (Beckert R. et al., 2004, S. 56; Römpp H. et al., 1990, S. 1243). Als absoluter Alkohol wird eine Flüssigkeit bezeichnet die mindestens 99,8 Vol.-% Alkohol enthält und somit praktisch wasserfrei ist (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 628).

³ Hygroskopisch bedeutet Wasser an sich bindend

⁴ Unter Hydroxylierung wird die Einführung einer OH-Gruppe an eine org. Verb. verstanden

⁵ Azeotrope Gemische sind durch Destillation nicht in die Ausgangskomponenten zerlegbar. Die Flüssigkeit und die Dampfphase besitzt die gleiche Zusammensetzung

Bioethanol 4

2.2 Ökonomische und gesetzliche Vorgaben

Bioethanolproduktion Weltweit und in der EU

Aufgrund des starken Anstiegs der Bioethanolproduktion in den USA hat die USA im Jahre 2006 mit

19,2 Mio. m ³ Brasilien als weltweit größten Bioethanolproduzenten abgelöst. Brasilen produzierte im Jahre 2006 16,7 Mio. m ³ in der EU wurden in diesem Zeitraum 3,1 Mio. m ³ Bioethanol produziert. Wie aus Abbildung 1 ersichtlich ist, produziert Nord- und Südamerika im Jahr 2006 den größten Anteil des weltweit produzierten Bioethanol. Die EU und seine Mitgliedsstaaten beteiligen sich mit 6 % an der weltweiten Produktion. Hierbei ist Frankreich mit 30 % an stärksten vertreten. Deutschland nimmt in Europa mit 18 % den zweiten Platz ein (Schmitz N. et al., 2007, S. 8f).

Abbildung 1: Ethanol Produktion

(Graphik entnommen aus Schmitz N. et al., 2007, S. 8)

Die Nutzung des weltweit produzierten Bioethanols kann in 3 große Bereiche eingeteilt werden. Der Kraftstoffbereich nimmt mit fast zwei Drittel den größten Teil ein. Der chemisch technologische Sektor mit seinen Vertretern aus der Chemisch-, Pharmazeutischindustrie und der Farb- und Lackindustrie ist mit 21 % vertreten und der Nahrungsmittelsektor kommt auf 13 % (Schmitz N., 2003, S. 179). Das Europäische-Parlament hat am 8. Mai eine EU-Biokraftstoffförderrichtlinie 2003/30/EWG verabschiedet. Auf Grund welcher nationale Zielwerte für die EU-Mitgliedstaaten über die Mindestanteile von Biokraftstoffen in allen Otto- und Dieselkraftstoffen für den Verkehrssektor festgelegt sind. Es sollen 2 % cal. d.h. bezogen auf den Energiewert im Jahr 2005 und 5,75 % cal. im Jahr 2010 erreicht werden. Vielfältige Ziele werden mit der steuerlichen Förderung von Bioethanol und anderen Biokraftstoffen verfolgt, wie in Tabelle 1 aufgelistet ist (Schmitz N. et al., 2006, S. 16ff).

Bioethanol 5

Trotz der Biokraftstoffförderrichtlinie 2003/30/EWG bleibt die Markteinführung von Biokraftstoffen hinter den gesetzten Zielen zurück. Aus diesem Grund trifft die EU-Kommission im Januar 2007 verbindliche Festlegungen für das Jahr 2020 ob des zu erreichenden Mindestzieles von 10 % cal. Anteil am Kraftstoffmarkt. Die Richtlinie die eine konkrete Umsetzung dieses Ziels erwirken soll wird für Ende 2007 erwartet (http://www.lab-biokraftstoffe.de/Poletik.html, 09.11.2007).

Bioethanolproduktion in Deutschland

Laut den Angaben des Bundesministeriums für Umwelt sind im Jahre 2006 in Deutschland insgesamt 27,5 TWh durch biogene Kraftstoffe verbraucht worden. 13,5% fielen dabei auf den Bioethanol 75,1% auf den Biodiesel. Der damit den grössten Anteil der produzierten Biokraftstoffe in Deutschland ausmacht. Die Restlichen 11,4% verbleiben auf dem Pflanzenöl. Somit sind 4,7% der im Kraftstoffbereich verbrauchten Energie durch biogene Kraftstoffe bereitgestellt worden (http://www.bmu.de/files/pdfs/allgemein/application/pdf/hintergrund _zahlen2006.pdf, 24.10.2007). Auch in Deutschland werden von der Politik grosse Anstrengungen unternommen die Bioethanolproduktion für Unternehmen attraktiv zu machen. So konnte durch die Mineralölsteuerbefreiung vom 01.01.2004 für die Ethanolbeimischungen im Kraftstoff ein Neuaufbau von Bioethanolanlagen angeregt werden (siehe Abbildung 2).

Bioethanol 6

Abbildung 2: Bioethanolanlagen in Deutschland

(Graphik entnommen aus http://www.umwelt.sachsen.de/de/wu/Landwirtschaft/lfl/inhalt /download /grunert.pdf, 15.11.2007)

Wie aus Abbildung 2 ersichtlich ist, konnten bis zum 05.05.2007 in Deutschland durch Bioethanol-

anlagen insgesamt 687.400 m ³ Bioethanol produziert werden. Durch etwa 1.056 Brennereien werden ebenfalls 217.000 m ³ produziert. Des weitern sind 6 Bioethanolanlagen im Bau und 13 noch in der Planung vornehmlich in den Neuen Bundesländern (http://www.umwelt.sachsen.de/de/wu/ Landwirtschaft/lfl /inhalt/download/grunert.pdf, 15.11.2007).

Im § 24 des BranntwMonoG vom 30.10.2006 werden Eigenbrennereien eingeteilt in landwirtschaftliche Brennereien §§ 25, 26, Obstbrennereien § 27 und gewerbliche Brennereien § 28. Landwirtschaftliche Brennereien dürfen als Einzellbrennerei oder Gemeinschaftsbrennerei betrieben werden, welche mit einer Landwirtschaft zusammengeschlossen ist. Als Rohstoffe für die Brennerei dürfen nur Kartoffeln oder Getreide verwendet werden. Der Reichsminister der Finanzen kann anordnen das Rübenstoffe verarbeitet werden dürfen.

Bioethanol 7

Als Obstbrennereien gelten Brennereien die nur Obst, Beeren, Wein, Weinhefe, Most, Wurzeln oder Rückstände davon verarbeiten. Der Reichsminister der Finanzen kann in besonderen Ausnahmefällen eine Erweiterung der Rohstoffe vorsehen. Gewerbliche Brennereien sind Brennereien die nicht zu den landwirtschaftlichen Brennereien oder den Obstbrennereien sowie zu den Brennereien die Hefe erzeugen gehören (BranntwMonoG, 2006, S. 9f).

Die Nationale-Marktordnung für Branntweine und das Branntweinmonopol wird in Deutschland über das Branntweinmonopolgesetz, welches auch die Branntweinbesteuerung festlegt, geregelt. Nach diesem Gesetz sind Branntweine die Erzeugnisse, welche unabhängig von ihrer Gewinnungsart und ihrem Aggregatszustand Ethanol in einem wertbestimmenden Anteil enthalten. Sonderregelungen gelten für Bier, Wein und Schaumwein oder für Erzeugnisse die nicht unter das Branntweinmonopolgesetz fallen. Das Branntweinmonopolgesetz umfasst die Übernahme des hergestellten Branntweins, die Herstellung von Branntwein aus anderen als landwirtschaftlichen Rohstoffen, die Einfuhr von Branntwein, die Reinigung von Branntwein und den Handel (Römpp H. et al., 1990, S. 1246).

Bioethanol 8

2.3 Einsatz des Bioethanol als alternativer Kraftstoff

Bioethanol als Reinkraftstoff

Ethanol enthält nur etwa 65 % des Energiegehaltes vom konventionellem Normalbenzin (siehe Tabelle 2). Die Zündeigenschaften von Ethanol sind im Vergleich zu Normalbenzin aufgrund der höheren Dampfdruck- und Verdampfungswärme Eigenschaften für den Verbrennungsprozess im Motor bei niederen Temperaturen schlechter. Aus diesem Grund ist ein größerer Energiebetrag notwendig um Ethanol zu verdampfen.

Tabelle 2: Eigenschaften von Ethanol und Benzin

(Tabelle entnommen aus Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 629)

Die notwendige Verdampfungswärme wird von der angesaugten Luft bereitgestellt, welche beim Starten eines Vergasermotors mindestens 10 °C betragen muss. Damit ein leistungsadäquates Fahrverhalten sichergestellt ist, sollte die Luft bei kalter Witterung während des Betriebes auf 90 °C vorgewärmt werden. Diese Ethanolproblematik kann durch die Zugabe von Ethern oder Normalbenzin behoben werden. Für Ethanol-Normalbenzin-Mischkraftstoffe ist diese Problematik vernachlässigbar. Der Vorteil des Ethanolkraftstoffes ist, dass er eine höhere Oktanzahl als Normalbenzin aufweist. Sowie ein höherer Wirkungsgrad aufgrund einer höheren Kompressionsfähigkeit des Ethanolkraftstoffes im Zylinder verwirklicht ist. Ethanol ist bei Otto-Motoren als Reinkraftstoff oder Mischkraftstoff einsetzbar. Ohne Veränderungen am Motor kann Ethanol dem Ottkraftstoff bis zu maximal 20 bis 25 Vol.-% zugemischt werden. Für den alleinigen Gebrauch von Ethanol als Kraftstoff im Otto-Motor muss der Motor umgebaut werden in einen speziellen Reinalkoholmotor.

Bioethanol 9

Bei diesem Motortyp sind Ethanol-Wasser-Gemische von 70 bis 100 Vol.-% Ethanol möglich. Die genauen Sachverhalte über den Motorenumbau werden in dieser Diplomarbeit nicht behandelt. Aus rein technischer Betrachtungsweise scheidet Ethanol als alleiniger Kraftstoff bei herkömmlichen

Dieselmotoren aufgrund der geringen Cetanzahl ⁶ aus. Er kann aber in einem Mischungsverhältnis von 30 % zum Dieselkraftstoff zugegeben werden. Es kann zu einer Destabilisierung des Mischkraftstoffes kommen, wenn kein Wasserfreier Ethanol verwendet wird. Eine Phasentrennung der Mischung kann schon beim Unterschreiten von 10°C und bei einem Wassergehalt von 0,5 Vol.-% auftreten (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 629ff).

Ab dem 1. Januar 2007 verpflichtet sich die Mineralölindustrie nach dem Biokraftstoffquotegesetz Bioethanol in Höhe von 1,2 % zum Ottokraftstoff beizumischen. Es werden auch Ethanol-Benzin-Mischkraftstoffe hergestellt darunter fallen die E 5, E 10 und E 85 Kraftstoffe. Sie bestehen aus 5, 10 oder 85 % aus Bioethanol und zu den restlichen Anteilen aus Normalbenzin. Eine kennzeichnungsfreie Beimischung zum Normalbenzin ist laut der Norm EN DIN 228 bis zu 5 % erlaubt (http://www.labbiokraftstoffe.de/Einsatzmoeglichkeiten.html, 09.11.2007).

Bioethanol als Ether und als Kraftstoffbeimischung

Um die Klopffestigkeit von Ottokraftstoffen zu verbessern, wurden in der Vergangenheit hauptsächlich Bleialkyle eingesetzt. Heutzutage werden Ether wie MTBE, ETBE, DIPE oder TAME zugesetzt. In dieser Diplomarbeit wird nur der Ether aus Ethanol näher betrachtet (ETBE). Ether sind sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffverbindungen die aus Alkoholen und verzweigten Olefinen hergestellt werden. Diese Verbindungen besitzen hohe Oktanzahlen (ROZ über 100, MOZ bei 100) und einen niedrigen Dampfdruck. Aufgrund der hohen Oktanzahl sind diese Etherverbindungen für das Aufbereiten von Kraftstoffen mit hoher Oktanzahl für Ottomotoren wichtig. Ether dürfen dem Ottokraftstoff nach DIN EN 228 bis zu 15 Vol.-% beigemischt werden. Außerdem weisen Ether eine Materialverträglichkeit als Mischkomponenten im Ottokraftstoff auf. ETBE weist als Kraftstoffkomponente im Gegensatz zum Ethanol bessere Eigenschaften auf. Dieser Ether kann problemlos in den Raffinerien dem Ottokraftstoff beigemischt werden und in Pipelines transportiert werden (siehe Tabelle 3). Sowie bei Ethern aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften keine Ansammlungen in eventuell sich bildenden Wasserphasen stattfindet. Damit bleibt die ursprüngliche Zusammensetzung des Kraftstoffs unverändert. ETBE ist hydrophober als MTBE und ist daher als noch vorteilhafter zu betrachten. Zumal MTBE von dem US Environmental Protection Agency als möglicherweise karzinogen beurteilt wird und nach dem Beschluss des Kalifornischen Gouverneurs ist der Zusatz von MTBE zu Ottokraftstoffen ab Ende 2003 in Kalifornien verboten (Schmitz N., 2003, S. 156ff).

⁶ Cetanzahl ist der Ausdruck der Zündverzögerung des Treibstoffes

Bioethanol 10

Tabelle 3: Ethanol und ETBE im Vergleich

(Tabelle nach Schmitz N., 2003, S. 159)

Die Besteuerung und der festgelegte Anteil an Beimischungen zum Kraftstoff sind im Energiesteuergesetz vom 15.07.2006 und im Biokraftstoffquotengesetz vom 18.12.2006 geregelt worden. Im Energiesteuergesetz vom 15.07.2006 wurden folgende Festlegungen getroffen:

• stufenweise Erhöhung der Steuerbelastung für B100 und Pflanzenöl

• E85 bis 2015 steuerbefreit

• Beimischung Biodiesel und Ethanol voll besteuert Das Biokraftstoffquotengesetz vom 18.12.2006 macht Aussagen über:

• Mindestanteile im Biokraftstoff für Treibstofftypen und für die Gesamtquote (siehe Tabelle 4) (http://www.smul.sachsen.de/de/wu/Landwirtschaft/lfl/inhalt/download/Biokraftstoffe_2007_07_02_Ken nwortschutz.pdf, 15.11.2007).

Der im Tabelle 4 aufgeführte Anteil an Biokraftstoff wird auf den Energiegehalt der Gesamtmenge an Otto- oder Dieselkraftstoff zuzüglich des Biokraftstoffanteils bemessen bei der Abgabe von reinem Biokraftstoff, bei der Abgabe des Steuerlagers nach dem Energiesteuergesetz und bei der gewerbsmäßigen oder im wirtschaftlichen Rahmen in den Verkehr gebrachten Kraftstoffmenge. Der zuletzt genannte Fall hat sicher zu stellen, dass die geforderte mindest Menge am Biokraftstoff nach den genannten Bewertungsrichtlinien im Kraftstoff ist. Die Anteile an Biokraftstoff im fossilen Kraftstoff beziehen sich für die gewerbemassige Abgabe vom Kraftstoff mit Biokraftstoffanteil auf den Energiegehalt der Gesamtmenge an Otto- und Dieselkraftstoff zuzüglich des Biokraftstoffanteils.

Bioethanol 11

Dieser Fall trifft zu bei Verpflichteten, welche Kraftstoff mit einem festgelegten Biokraftstoffanteil gewerblich im Rahmen wirtschaftlicher Unternehmungen abgeben oder Mitglieder des Erdöl-bevorratungsverbandes sind. (http://dip.bundestag.de/btd/16/027/1602709.pdf, 19.02.2008, S. 11)

Tabelle 4: Biokraftstoffquotengesetz

(Tabelle entnommen aus http://www.smul.sachsen.de/de/wu/Landwirtschaft/lfl/inhalt/download /Biokraftstoffe_2007_07_02_Kennwortschutz.pdf, 15.11.2007)

2.4 Vorkommen in Lebensmitteln

Der Alkohol Ethanol kommt hauptsächlich in Lebensmitteln vor, welche einem Fermentationsprozess während der Herstellung unterworfen sind und somit Bioethanol beinhalten. Der Ethanolgehalt im Bier ist von der Biersorte abhängig. Extraktreiche Biere enthalten 1,0 bis 1,5 Gew.-% Ethanol, Dünnbiere 1,5 bis 2,0 Gew.-%, Vollbiere 3,5 bis 4,5 Gew.-% und Starkbiere 4,8 bis 5,5 Gew.-% Ethanol. Im Wein ist der Ethanolgehalt auch sehr unterschiedlich. Es kommen Konzentrationen bei Traubenweinen vor, welche je nach Jahrgang und Sorte zwischen 55 und 110 g pro Liter Ethanol enthalten. Aufgrund ihres Alkoholgehaltes werden unterschiedliche Weinklassen unterschieden. Leichte Weine enthalten 55 bis 75 g pro Liter, mittlere Weine liegen bei 75 bis 90 g pro Liter und gute bis sehr gute Weine bei 90 bis 110 g pro Liter Alkohol und mehr. Ein Alkoholgehalt von über 144 g pro Liter gibt Hinweise auf einen Ethanol Zusatz. Die alkoholischen Getränke deren Alkoholanteil durch Destillation vergorener saccharidhaltiger Flüssigkeiten gewonnen wurde sind unter dem Oberbegriff Spirituosen zusammengefasst. In diese Gruppe gehören die Branntweine, Liköre, Punschextrakte und alkoholhaltige Mischgetränke. (Beliz D. u. Grosch W., 1987, S. 722ff). Ethanolhaltige Getränke wie Likör oder Weinbrand werden als Zutaten für die Herstellung von Pralinen verwendet. Bezeichnet werden diese Lebensmittel mit Likörbohnen oder Weinbrandbohnen (Beliz D. u. Grosch W., 1987, S. 786).

Ethanol ist als Zusatzstoff in Lebensmitteln für technologische Zwecke und für nicht technologische Zwecke sowie für Säuglings- und Kleinkindernahrung nicht zugelassen. Er darf auch nicht als Konservierungsmittel oder Antioxidationsmittel im Lebensmittel eingesetzt werden (LMR, 2006, S, 299ff).

Bioethanol 12

Nach dem 3 LMKV § 7b Abs. 1 ist der anzugebende Alkoholgehalt im Lebensmittel der bei 20°C bestimmte Alkoholgehalt. In Abs. 2 ist die Bezeichnung und die Dimension der Alkoholkennzeichnung festgelegt. Der vorhandene Alkoholgehalt muss in Volumenprozenten durch das Symbol „% vol“ und auf eine Dezimalstelle angegeben werden. Des weitern darf dieser Angabe das Wort „Alkohol“ oder die Abkürzung „alc.“ vorangestellt werden. Aus Abs. 3 geht hervor das die in Anl. 4 aufgeführten Abweichungen des Alkoholgehaltes unbeschadet der Toleranzen gelten, die sich aus der verwendeten Analysenmethode ergeben (siehe Tabelle 5).

Tabelle 5: Anlage 4 zu § 7b 3 LMKV

(Tabelle entnommen aus LMR, 2006, S. 125)

Schlussfolgernd ist anzumerken das Ethanol als reiner Zusatzstoff wie beschrieben nicht für Lebensmittel zugelassen ist. Ethanol welches in Lebensmitteln vorkommt z. B. in Bier, Wein und Spirituosen darf andren Lebensmitteln im Herstellungsprozess zugeben werden. Vorraussetzung hierfür ist, dass die Zugabe von ethanolhaltigen Lebensmitteln im Lebensmittelbuch angezeigt ist oder das entsprechende Patente vorliegen.

2.5 Sonstige Verwendung

Ausser als in den zuletzt genanten beiden Punkten über die Verwendung und den Einsatz von Ethanol kommen noch weitere Bereiche infrage.

Pharmazeutischer Bereich

Ethanol ist im pharmazeutischen Bereich als Konservierungsstoff und Auszugsmittel für verschiedene Medikamente anzutreffen. Viele Medikamente, vor allem pflanzliche Präparate in flüssiger Form, enthalten diesen Alkohol um einen hohen Wirkstoffgehalt im Medikament zu erzielen. Um die Inhaltsstoffe von Kräuter oder Pflanzenbestandteilen zu gewinnen, werden diese über einen längeren Zeitraum in Alkohol eingelegt und anschließend abgegossen. Durch den Zusatz von Ethanol in Arzneimitteln kann auf andere, künstliche Konservierungsstoffe verzichtet werden.

Bioethanol 13

Ethanol inaktiviert Enzyme, was sich vorteilhaft auf Umbau- und Abbaureaktionen in den Zellen auswirkt und fördert so die Wirkung der Arzneimittel. Die Zugabe von Ethanol in pharmazeutische Produkte ist durch das Arzneimittelgesetz genau festlegt und reglementiert worden. Danach muss ein Medikament, das einen Fluidextrakt oder eine Tinktur enthält, immer Ethanol enthalten und darf nicht als "alkoholfrei" bezeichnet werden (http://www.gesundheit.de/medizin/medikamente /alkohol-in-medikamenten/index. html, 15.11.2007).

Reinigung Desinfektion

Als Reinigungs- und Desinfektionsmittel ist Ethanol einsetzbar, da es hydrophobe Substanzen löst und mit einer 70%igen Ethanollösung Bakterien durch eine Denaturierung der Protoplasma Proteine abtötet werden. Das Wirkungsspektrum von Ethanol umfasst Gram-positive und -negative Bakterien, Mycobacterium tuberculosis und Viren mit Hülle. Ethanol kann eingesetzt werden zur Oberflächen Desinfektion, wenn eine kurze Einwirkdauer unbedingt erforderlich ist. Auch zur Desinfektion der Hände und der Haut findet Ethanol Verwendung (Forth W. et al., 2001, S. 1077).

Ethanol in Lösungsmittel, Parfüme, Farben, Lacke und Brennstoffe

Ethanol findet Einsatz als Lösungsmittel für Duftstoffe in Parfums, dabei wird eine Konzentration von 80 - 90 Gew.-% angestrebt. Man unterscheidet nach dem Anteil der im Ethanol gelösten Parfümöle und dem Wasseranteil im Parfüm. Parfüm Extrakt mit einem hohen Ethanol- und Parfümölanteil von 10 bis 25%, Eau de Parfum mit 8 bis 10%, Eau de Toilette 5 bis 8%, Eau de Cologne (kölnisch Wasser) 2 bis 5%. Ebenso wird Ethanol für Kosmetika wie Rasierwasser oder Haarwasser in einer Konzentration von 40 bis 60 Gew.-% verwendet. Ein wichtiger Einsatzbereich ist die Verwendung als Lösungsmittel für Fette, Öle und Harze sowie für die Lack- und Firnisfabrikation. Die Verwendung als Brennmittel wird aufgrund des hohen massebezogenen Heizwertes von Ethanol (H u : 26,8 kJ/g oder 6,5 kcal/g) in Form von Brennspiritus oder in Form von Hartspiritus verwirklicht (Römpp H., et al., 1990, S. 1243ff).

2.6 Zertifikationen für Biokraftstoffproduzenten

Am 05.12.2007 ist eine erste Beschlussfassung über die Biomasse-Nachhaltigkeitsverordnung (BioNachV) durch das Bundeskabinett erfolgt. Diese Verordnung beruht auf den Ermächtigungs-vorschriften gemäß § 37d Abs. 2 Nr. 3 des Bundes-Immissionsschutzgesetzes und gemäß § 66 Abs. 1 Nr. 11a Buchstabe a des Energiesteuergesetzes. Durch dieses Vorblatt soll sichergestellt werden, dass die Mindestanforderungen bei der Erzeugung von Biomasse für Biokraftstoffe an eine nachhaltige Bewirtschaftung landwirtschaftlicher Flächen und Mindestanforderungen zum Schutz natürlicher Lebensräume erfüllt werden. Sowie Biokraftstoffe bei der Betrachtung der gesamten Produktions-, Verarbeitungs- und Lieferstufe ein bestimmtes Treibhausgas-Verminderungspotential aufweisen müssen.

Bioethanol 14

Diese Interessen sollen durch die an Vorraussetzungen gebundene Vergabe von Zertifikaten erfüllt werden. Es soll ein Anreiz für die Entwicklung von innovativen Biokraftstoffen mit einem überdurchschnittlichen Treibhausgas-Verminderungspotenzial geschaffen werden. Dazu soll die Möglichkeit verhelfen einen Faktor aus der Treibhausgasbilanz des Biokraftstoffes festzulegen, mit dem der Biokraftstoff auf die Erfüllung von Verpflichtungen nach § 37a Abs. 1 Satz 1 und 2 in Verbindung mit § 37a Abs. 3 Bundes-Immissionsschutzgesetz angerechnet werden kann.

In dieser Diplomarbeit werden nur Ausschnitte aus dem Vorblatt vom 05.12.2007 erwähnt. Vornehmlich die, welche für die Grundvorrausetzungen für eine Zertifikation erforderlich sind. Im Abschnitt 1 Anforderungen an Biokraftstoffe und deren Erzeugung werden Qualifikationsrichtlinien in den §§ 1 bis 4 festgelegt die für eine Zertifikation erfüllt sein müssen. In § 1 Anerkennung von Biokraftstoffen werden die Verpflichtungen für die Erfüllung der Anrechnung festgelegt.

§ 2 Nachhaltige Bewirtschaftung von Flächen legt die im und außerhalb des Geltungsbereiches liegenden Anforderungen fest.

Der § 3 Schutz natürlicher Lebensräume weist auf die geltende Definition von Ökosystemen mit Naturschutzwert hin und setzt Auswahlkreterin fest.

Im § 4 Treibhausgas-Verminderungspotential ist der festgelegte Mindestwert von 30 % aufgeführt und der ab 1. Januar 2011 geltende Basiswert. Sowie die Festlegung über die Berechnungsweise des Treibhausgas-Verminderungspotentials. Bei einer Überschreitung des Basiswertes wird die Auflistung über die Anrechnung auf die energetische Quote nach dem Bundes-Immissionsschutzgesetz geltend gemacht.

Der 2 Abschnitt Zertifizierung bestimmt im § 5 Zertifizierungssystem, Schnittstellen konkrete Vorgaben die für die Einhaltung der in den §§ 1 bis 4 benannten Voraussetzungen. Sowie Vertragsbedingungen, die einem Zertifizierungssystem zugeordnet werden können, zwischen Zwischenstellen und den vorgelagerten Betrieben festgelegt werden. Mit einer Vorgabe über die Handhabungsweise der Daten für die Dokumentation zur Einhaltung der konkreten Vorgaben aus den §§ 1 bis 4. In § 6 Zertifikate wird die Dauer der ausgestellten Zertifikate benannt, welche ab den Datum der Kontrolle sich auf ein Jahr beläuft und der Zwischenstelle ausgestellt wird. Ebenso werden in diesem Paragraph die Bedingungen für eine Erteilung eines Zertifikates benannt.

Weizen 15

Ein Zertifikat kann erteilt werden wenn die alle Schnittstellen:

• Die Voraussetzungen erfüllen

• Die Lieferanten die Menge und Art der bezogenen Biokraftstoffe bzw. deren Vorprodukte dokumentieren

• Der gesamte Energiegehalt der abgegebenen Biokraftstoffe in Gigajoule angegeben wird Eine Kopie der Zertifikate ist von der unabhängigen Kontrollstelle 10 Jahre aufzubewahren.

3 WEIZEN

Winterweizen erfüllt mit seinen typischen Korninhaltsstoffen am besten die für die Bioethanolproduktion benötigten Voraussetzungen für eine hohe Alkoholausbeute (siehe Tabelle 7). Das Weizenkorn sollte einen hohen Stärkegehalt, eine gute Keimfähigkeit und eine gute Kornausbildung sowie ein hohes Hektolitergewicht haben. Ein hohes Hektolitergewicht korreliert mit einem hohen Stärkegehalt im Korn, einem geringen Schalenanteil und zeigt eine gute Keimausbildung an. Störungen im Gärablauf können durch einen hohen Grad an technischer Reinheit, d. h. keine bis geringfügige mikrobielle Belastung, vermieden werden. Ein leichter Keimauswuchs hat gärungstechnische Vorteile, denn durch die Eigenenzymaktivität werden die Polysaccharide im Mehlkörper des Weizenkorns durch eine Hydrolyse gespalten (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 89).

3.1. Weizen Anbau, Ertrag und Nebenprodukte

Winterweizen

Winterweizen wird erst ab Mitte September ausgesät. Eine Aussaat mit unteroptimalen Ernteerträgen ist bis Dezember möglich. Die Ernte erfolgt im Hochsommer des auf die Aussaat folgenden Jahres. In Deutschland werden auf über 90 % der Weizenanbauflächen Winterweizensorten ausgesät (http://www.wikipedia.de, 27.11.2007).

Die Getreideanbauflächen in Deutschland für die Bioethanolproduktion belaufen sich im Jahr 2007 auf 250.000 ha. In Deutschland wurden im selben Jahr etwa 2 Mio. Tonnen Getreide zu Bioethanol verarbeitet (http://www.carmen-ev.de/dt/portrait/foren /forum07/3 _B%F6se.pdf, 19.11.2007).

Weizen 16

Abbildung 3: Weizenähre

(Graphik aus http://www.wikipedia.de, 27.11.2007)

Die Winterweizensorte Papageno mit einem Kornertrag von 108,8 dt pro ha und einem Stärkegehalt in der Trockensubstanz von 68,65% ist für die Bioethanolproduktion die am geeigneten erscheinende Weizensorte (http://www.ig-pflanzenzucht.de, 19.11.2007).

Der Weizenanbau zur Erzeugung von Bioethanol hat positive und auch negative Aspekte. Zu den Stärken des Weizens gehört die hohe Flächenproduktivität im landwirtschaftlichen Anbau im Vergleich zu anderen Getreidearten. Weiter zu erwähnen sind die gute Lagerfähigkeit, der hohe Stärkegehalt der Weizenkörner, die schnelle kontinuierliche Verfügbarkeit mitbedingt durch den weltweiten Handel, die guten Verarbeitungseigenschaften zu Mehl und die geringen Abwassermengen bei der Produktion sowie die hochwertigen Nebenprodukte wie das DDGS. Die Schwächen des Weizens sind seine relativ hohen Ansprüche an den Boden und die dadurch bedingte begrenzte Anbaufläche. Als Rohstoff zur Ethanolproduktion ist Weizen teuer. Im Vergleich zu zuckerreichen Rohstoffen sinkt die Flächenproduktivität ab (siehe Tabelle 6; Schmitz N., 2003, S. 60).

Tabelle 6: Weizen Stärken und Schwächen

(Tabelle entnommen aus Schmitz N., 2003, S. 60)

Weizen 17

Nebenprodukt Getreidestroh

Getreidestroh stammt vom Ernterückstand aus der landwirtschaftlichen Produktion von Getreide, Ölsaaten, Körnerleguminosen und Körnermais. Die Einsatzbereiche der Strohtypen sind sehr unterschiedlich. In dieser Diplomarbeit wird nur das bei der Winterweizenproduktion anfallende Getreidestroh für energetische Zwecke betrachtet. Das Korn-Stroh-Verhältnis für Winterweizen beträgt 1 zu 0,8. Damit sind aus dem Getreideertrag rund 80% als aufkommende Strohmenge zu beziffern. Der hohe Gehalt an Chlor im Stroh führt zu Korrosion und Schadstoffbildung bei der Verbrennung in einer Feuerungsanlage (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 110ff).

Abbildung 4: Strohballen

(Graphik entnommen aus Schmitz et al., 2007, S. 8)

3.2 Chemische Zusammensetzung Weizen und Nebenprodukte

Weizen

Der Stärkeanteil im Weizenkorn ist aus Amylose und Amylopektin aufgebaut und beträgt etwa 2/3 der Trockenmasse (siehe Tabelle 7). Amylose besteht aus Ketten von 250 bis 300 α-1,4-glykosidisch miteinander verknüpften Glucoseresten. Weizen enthält in der Trockensubstanz 26% Amylose. Amylopektin besteht ebenfalls aus einer Kette von α-1,4-glykosidisch verknüpften Glucoseresten. Die aber in unregelmässigen Abständen von 15 bis 30 Glucoseresten weitere Verzweigungen zu anderen Glucoseketten in einer α-1,6-glykosidischen Bindung aufweisen. Ein Molekül Amylopektin besteht aus mehr als 1000 Glucoseresten (Belitz D. u. Grosch W., 1987, S. 257ff).

Weizen 18

Tabelle 7: Inhaltsstoffe Weizen

(Tabelle nach Kaltchmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 90)

Wird Stärke im Wasser erhitzt, so bildet sich durch die Wasseraufnahme der Stärkekörner ein Kleister aus. Die Stärke nimmt um ein vielfaches seiner ursprünglichen Grösse zu. Bei diesem Prozess ist vor allem das Amylopektin für die Kleisterbildung verantwortlich. Diese Verkleisterung ist bei der enzymatischen Hydrolyse von Stärke erwünscht. Denn nur wenn die Stärke Wasser gebunden hat, kann die hydrolytische Spaltung schnell durch Enzyme katalysiert werden (Belitz D. u. Grosch W., 1987, S. 257f).

Wie aus Tabelle 7 ersichtlich ist, beinhaltet das Weizenkorn 13,8% Protein in der Trockenmasse. In diesem Proteinanteil sind Enzyme vorhanden, die die Ethanolbildung aus Weizenstärke durch autoamylolytische Prozesse verbessern können. Dieser Enzymkomplex setzt sich aus 3 Enzymen zusammen. Damit die Spaltung der Stärke im Weizen optimal verläuft ist es notwendig, dass der katalytische Einfluss aller 3 Enzymarten vorhanden ist. Diese Enzyme sind die α-Amylase, β-Amylase und die Grenzdextrinamylase (Glucoamylase). Die optimalen physikalisch-chemischen Bedingungen für diesen Enzymkomplex liegen bei 55°C und bei einem pH-Wert zwischen 5,3 und 5,4. Der durch die Enzyme katalysierte hydrolytische Reaktionsmechanismus von Amylose und Amylopektin ist in den Abbildungen 5 und 6 dargestellt. Der genaue katalytische Sachverhalt dieser enzymatischen Reaktionen wird in Kapitel 3.4, S. 30ff beschrieben (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 597ff).

Weizen 19

Abbildung 5: Hydrolyse Amylose

(Graphik entnommen aus http://www.paul-ehrlich-schule.de/Download/Projekte/NaFeStBr.pdf, 13.10.2007)

Abbildung 6: Hydrolyse Amylopektin

(Graphik entnommen aus http://www.paul-ehrlich-schule.de/Download/Projekte/NaFeStBr.pdf, 13.10.2007)

Weizen 20

Die autoamylolytische Eigenschaft des Getreides wird durch den autoamylolytischen Quotienten AAQ ausgedrückt. Dabei wird das Getreide im Labormassstab in zwei unterschiedlichen Gärversuchen ausgewertet. Der AAQ-Wert ist definiert als die prozentuale Alkoholausbeute aus dem autoamylolytischen Gärversuch in Bezug auf die Alkoholausbeute im Gärversuch bei optimalen enzymatischen Bedingungen. Getreide mit einem AAQ-Wert von über 95% können autoamylolytisch verarbeitet werden (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 600f). Das reife Korn erreicht in seiner Keimruhe eine Minimierung der α-Amylaseaktivität. Diese steigt bei der Keimung und bei schlechten Erntebedingungen (hohe Feuchtigkeit und Temperatur) wider an (Belitz D. u. Grosch W., 1987, S. 556f).

Koppelprodukt Getreidestroh

Das Koppelprodukt Getreidestroh kann auch als Brennstoff genutzt werden. Die Nutzungsart dieses Energieträgers ist von der benötigten Menge an Energie und damit auch von den eingesetzten Investitionskosten für die Verbrennungsanlage abhängig. Für Anlagengrössen kleiner als 100 kW sind Stroh-Pellets einsetzbar. Erst bei höherem Energiebedarf über 100kW kommen Ganzballenfeuerungsanlagen in Betracht (http;//www.energieberatung.ibs-hlk.de/plangetrei_dat.htm, 30.11.2007).

Herstellung von Stroh-Pellets

Für die Herstellung von Stroh-Pellets wird das Stroh in Hammermühlen sehr fein vermahlen. Im Konditionierer wird Wasser dosiert zum Stroh hinzugegeben. Daraufhin wird die konditionierte Strohmenge im Extruder zu Pellets gepresst. Bei diesem Vorgang entstehen Temperaturen bis zu 110°C. Die gepressten Stroh-Pellets haben eine Temperatur von etwa 70°C. Zur weiteren Behandlung werden die Stroh-Pellets in Big Bags eingefüllt und gelagert. Zur Herstellung von 1 t Pellets werden etwa 150 kWh Strom verbraucht ihr Heizwert liegt bei etwa 5000 kWh (http;//www.energieberatung.ibs-hlk.de /plangetrei_dat.htm, 30.11.2007).

Kenndaten der Stroh-Pellets

• Größe: Durchmesser ca. 8 bis 9 mm, Pelletlänge ca. 10 bis 30 mm

• Heizwert H u ca. 4,9 kWh/kg oder 17,51 MJ/kg

• Rohdichte 1,2 kg/dm 3

• Restfeuchte kleiner 10 %

• Chloranteil 0,02 Gew.-%

• Kosten 120,- bis 140,- Euro pro t

(http;//www.energieberatung.ibs-hlk.de/plangetrei_dat.htm, 30.11.2007)

Weizen 21

Getreidestroh als Brennstoff

Der hohe Chlorgehalt im Stroh wird durch die Anbaudüngung hervorgerufen. Dort werden Düngemittel wie Kaliumdünger eingesetzt, in denen Chlor als Begleitstoff vorkommt. Im Weizenstroh ist Chlor zu 0,19% in der Trockenmasse vorhanden (siehe Kenndaten Stroh). Verbrennungstechnisch und Umweltbedingt stellt Chlor ein Problem dar, wegen dem sich bildenden Chlorwasserstoff (HCL) und den Dioxinen und Furanen (PCDD/F). Obgleich Chlor von 40 bis zu 95% in der Asche eingebunden wird, werden durch die Folgeprodukte Sekundärmassnahmen notwendig. Ausserdem wird die Wärmeüberträgerfläche durch das Chlor korrosiv beeinträchtigt. Es kommt zu chemischen Reaktionen mit den Alkali-, Erdalkalimetallen und mit Sulfit (SO 2 ). Der Brennwert H o liegt bei Halmbrennstoffen etwa 7,5% über dem Heizwert H u . Getreidestroh kann zu Brennstoff- und zu Lagerungszwecken in Hochdruckballen, Rundballen, Quaderballen und Kompaktrollen in unterschiedlicher Grösse verdichtetet werden.

Kenndaten von Stroh

• Heizwert H u 17,5 MJ/kg

• Brennwert H o 18,5 MJ/kg

• Aschengehalt in TR 5,7%

• Chlorgehalt in TR 0,19%

• Wassergehalt etwa 15% (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 255ff).

Weizen 22

3.3 Mehlverarbeitung

Der Weizenzerkleinerungsprozess wird in einem Kombinationsprozess durch eine trockene Vermahlung in einer Hammermühle mit 1,5 mm-Schlitzsieb durchgeführt. Das gemahlene Weizenkorn wird in die Mahlkammer befördert und dort mit dem zur Beförderung notwendigen Wasser vermengt. Das Wasser tritt nur in der Mahlkammer der Hammermühle mit dem Zerkleinerungsgut in Kontakt. Von dort aus wird das Wasser mit dem Zerkleinerungsgut in den Maischenapparat gepumpt (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 604).

Das zur Vermahlung in eine Hammermühle transportierte Weizenkorn mit einer maximalen Feuchte von 15% wird auf eine maximale Partikelgrösse von 2 mm zerkleinert. Industrielle Hammermühlen haben eine offene Fläche von einer Grösse von etwa 40% mit gestanzten Löchern. Die Verteilung der Partikelgrösse nimmt keinen signifikanten Einfluss auf den Ethanolertrag solange die Partikelgrösse von 2 mm nicht überschritten wird. Zu feines Mehl kann aber negativen Einfluss auf die Trocknung der Schlempe haben (Antranikian G., 2006, S. 328).

3.4 Herstellung der Substratlösung für die Fermentation

Stärkeverkleisterung

In den Maischenapparat wird nochmals Wasser und die anfallende Dünnschlempe zugegeben. Durch die Rückführung der Dünnschlempe wird die im weiteren Verfahrensschritt eintretende Hefefermentation beschleunigt. Eine weitere Zugabe in den Maischenapparat ist das bei der Stärkeverkleisterungstemperatur aktive Enzym zur Stärkeverflüssigung. Der verdichtete Brüden oder Dampf wird eingeleitet um die Maische zu erhitzen und um die Stärkeverkleisterungstemperatur von 64°C zu erreichen (Kaltchmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 611).

Enzymatische Stärkeverflüssigung

Bei diesem Prozess wird eine Senkung der Maischenviskosität angestrebt. Dazu werden β-Amylasen eingesetzt. Diese Enzyme gehören der Gruppe der Endo-Enzyme an, d. h. dass hauptsächlich Bindungen in der Polysaccharidkette angegriffen werden (siehe Abbildungen 5 und 6). Sie sind in der Lage die α-1,4glykosidischen Bindungen in der Amylose und im Amylopektin der Weizenstärke zu spalten. Die α-1,6glykosidischen Bindungen bleiben unberührt. Dies führt dazu das in kurzer Zeit die Amylose in Oligosaccharide (in den Abbildungen 5 und 6 als Maltose dargestellt) mit einem Polymerisierungsgrad von 7 bis 10 Glucoseeinheiten zerlegt wird. Amylopektin wird zu Oligosacchariden und zu β-Grenzdextrinen gespalten. Das sind Saccharidketten mit mehreren Verzweigungen durch nicht hydrolysierte α-1,6-glykosidische Bindungen (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 598).

Weizen 23

Vom Enzym-Unternehmen AB Enzymes wird zur Stärkeverflüssigung das Enzym GAMALPHA SPEZIAL angeboten. Dies ist ein thermostabiles Enzym, welches bei hohen Temperaturen und tiefen pH-Werten Stärke zu hydrolysieren vermag. Bei der Fermentation im Chargenprozess wird GAMALPHA SPEZIAL an der Mühle oder in den Maischbottich zugegeben. Der enzymspezifische pH-Wert liegt im Bereich von 4,0 bis 6,5 das Optimum beläuft sich auf 5,5 bis 6,0. Der Temperaturbereich für die enzymatische Aktivität ist zwischen 80 und 110°C. Das Optimum liegt zwischen 90 du 95°C. Die Dosierung des Enzyms ist von dem pH-Wert, der Temperatur, dem Trockensubstanzgehalt und dem gewünschten Hydrolysegrad abhängig. Zu Getreidemaischen werden 70 bis 90 ml pro Tonne Stärke zugegeben (E-Mail von Herr Hämke, technischer Berater für Stärkeverarbeitung bei AB Enzymes, 22.01.2008, (Dirk.Haemke@abenzymes.com)).

Enzymatische Stärkeverzuckerung

Nach dem Prozess der Stärkeverflüssigung sind nur wenig vergärbare Saccharide in der verflüssigten Maische vorhanden. Aus diesem Grund muss ein weiterer Prozess für die Vergärung eingeleitet werden. Um die hauptsächlich vorkommenden Dextrine spalten zu können werden nun Exo-Enyme mit α-amylolytischer Aktivität eingesetzt (α-Amylase). Das Enzym Glucoamylase ist in der Lage die vorhandenen Polysaccharide vom nicht reduzierenden Ende her zu einzelnen Glucosemolekülen zu spalten.

Die amylolytische Aktivität dieses Enzyms vom Mikroorganismus Aspergillus niger reicht von der Spaltung der α-1,4-glykosidischen Bindung über die α-1,6-glykosidische Bindung bis zur α-1,3glykosidische Bindung. Umso grösser die Saccharosemoleküle sind, desto schneller werden sie von diesem Enzym abgebaut, mit Ausnahme von den mehrfach verzweigten Grenzdextrinen. Diese werden nur langsam abgebaut (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 599).

Das Enzym-Unternehmen AB Enzymes bietet ebenso ein Enzym zur Stärkeverzuckerung von Aspergillus niger an. Dessen pH-Wert Optimum liegt bei 3,5 bis 5,0 und kann Bereich von 3,0 bis 6,0 eingesetzt werden. Der Temperaturbereich beläuft sich auf 40 bis 65°C und das Optimum liegt zwischen 55 und 60°C. Die Dosierungsmenge (in ml pro Tonne Stärke) für Brennereien hängt vom Zeitpunkt der Enzymzugabe und der Gärdauer ab (siehe Tabelle 8; E-Mail von Herr Hämke, technischer Berater für Stärkeverarbeitung bei AB Enzymes, 22.01.2008, (Dirk.Haemke@abenzymes.com)).

Weizen 24

Tabelle 8: Dosierung Brennerei

(Tabelle nach E-Mail von Herr Hämke, technischer Berater für Stärkeverarbeitung bei AB Enzymes, 22.01.2008, (Dirk.Haemke@abenzymes.com))

Ein weiterer Mikroorganismus aus dem das Enzym Glucoamylase mit einer zusätzlichen Funktion gewonnen werden kann ist Rhizopus spez. Die zusätzliche Funktion ist eine Entzweiung der Stärkemoleküle. Dadurch ist ein praktisch vollständiger Abbau von Grenzdextrinen zu vergärbaren Sacchariden möglich. Das Temperaturoptimum liegt bei 40°C und das PH-Wert-Optimum ist zwischen 3,4 bis 5.0. Aufgrund der Wirkungsspezifischen unterschiedlichen α-amylolytischen Aktivität der Enzyme von unterschiedlichen Mikroorganismen werden Enzymkombinationen für die Stärkeverzuckerung eingesetzt (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 599f).

Hierzu erklärt Hämke D.: „Es werden gewöhnlich in der folgenden Reihenfolge die vier Enzyme bakterielle α-Amylase, Abbau von Stärke zu Dextrinen, fungale α-Amylase, Abbau von Stärke zu Dextrinen und Abbau von Dextrinen zu Maltose, fungale Glucomaylase und Hemicellulasen wie β-Glucanase, Xylanasen verwendet. Für Weizen werden auch Proteasen meist endogen im neutralen pH-Bereich wirkend eingesetzt. In der Alkoholproduktion wird jedoch fast nie mit sog. Β-Amylase gearbeitet. Diese kommt in erster Linie im Malz vor, bildet sich beim Mälzungsvorgang aus der Gerste und bildet Maltose “ (telefonische Auskunft von Herr Hämke, technischer Berater für Stärkeverarbeitung bei AB Enzymes, 21.01.2008).

Anlagentechnik

Werden für den Stärkeverflüssigungsprozess in einem „Pressure-Cooking“-Verfahren Temperaturen von 150°C und Drücke von 5 Atmosphären eingesetzt, so kann bei einer Maische mit einem Trockensubtanzgehalt von 20 bis 35% der Energieverbrauch pro Liter produziertem Ethanol um 50% reduziert werden. In letzter Zeit wurden die alten Maischverfahren, die nicht unter hohem Druck ablaufen, wieder populär. Denn bei diesen Verfahren werden auch keine so hohen Temperaturen benötigt. Es sind Temperaturen von 60 bis 90°C ausreichend. Auch das „Kaltmaischverfahren“, das 1968 von Laatsch und Sattelberg zur Herstellung von deutschem Gin beschrieben wurde, findet wieder Beachtung. Diese alten Verfahren sind aufgrund ihrer einfachern Anlagetechnik, es sind keine Drucksysteme vorhanden, energiesparender als die neueren Verfahren (Antranikian G., 2006, S. 328f).

Zuckerrüben 25

4 ZUCKERRÜBEN

Eine erste chemische Analyse der Zuckerrübe ⁷ wurde von dem Chemiker Marggraft A. im Jahre 1747 durchgeführt. Er wies den Zuckergehalt in der Rübe nach. Im Jahre 1801 begann man mit der Selektion der weissen Schlesischen Rübe. Daraufhin wurden auch die Grundlagen für die industrielle Zuckerproduktion vom Physiko-Chemiker Achard F. geschaffen. In Cunern (Schlesien) entstand die erste Zuckerrübenfabrik auf der Welt. Etwa im Jahre 1850 wurde der Zuckerrübenanbau durch die Einführung des Wanzleber Pflugs und der Drillmaschine mechanisiert (http://de.wikipedia.org/wiki/Zuckerr%C3 %BCbe#Geschichte, 19.11.2007).

4.1 Zuckerrüben Anbau, Ertrag und Nebenprodukte Anbau von Zuckerrüben Abbildung 7: Zuckerrübe

(Graphik entnommen aus http://www.Landwirtschaft.sachsen.de/lfl, 15.11.2007)

Der landwirtschaftliche Anbau von Zuckerrüben beinhaltet einige positive und negative Aspekte (siehe Tabelle 9). Zu den Stärken der Zuckerrübe gehören die Flächenproduktivität, die hohe Ertragsicherheit und die hohe metabolische Photosyntheserate. Ebenso sind die gute Wirtschaftlichkeit, landwirtschaftliche Produktion mit Kostensenkungspotential, günstige Wirkung auf Fruchtfolge und verfahrenstechnische Erfahrungen bei der Ethanolproduktion bei den Stärken der Zuckerrüben mit aufzuführen. Die Schwächen liegen bei den hohen Bodenansprüchen und der dadurch begrenzten Anbaufläche sowie der eingeschränkten Lagerungsdauer der geernteten Zuckerrüben. Hohe Kosten für Transport, Logistik und für die Abwasserentsorgung wie auch ein begrenzter Markt für die Koppelprodukte sind weiterhin zu erwähnen (Schmitz N., 2003, S. 60).

⁷ botanische Bezeichnung Beta vulgaris var. altissima L. aus der Familie der Gänsefussgewächse

Zuckerrüben 26

Tabelle 9: Zuckerrüben Stärken Schwächen

(Tabelle entnommen aus Schmitz N., 2003, S. 60)

Ertrag von Zuckerüben

Nach dem Anbau Ende Mai ist die Zuckerrübenernte meist im November abgeschlossen. Da es im Wachstumsprozess der Zuckerrübe im Oktober kaum mehr zu Ertragszuwächsen oder Zuckergehaltssteigerungen kommt wird mit der Ernte ab Ende September begonnen. In Deutschland werden pro Jahr durchschnittlich 58 Tonnen Zuckerrüben pro Hektar und Jahr geerntet. Die Menge an Zucker die sich aus dieser Erntemenge gewinnen läst beläuft sich auf etwa 9 Tonnen pro Hektar und Jahr, die Ethanolmenge

liegt zwischen 5.000 und 5.750 dm ³ pro Hektar und Jahr. Das Blatt-Rüben-Verhältnis der Frischmasse beträgt 1 : 1,5. Somit fallen auch aus der genanten Erntemenge etwa 38,66 Tonne pro Hektar und Jahr frisches Rübenblatt an (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 82). Die Zuckerrübenernte beinhaltet prinzipiell folgende Verfahrensschritte. In einem Arbeitsgang werden die aus der Erde herausragenden Köpfe und Blätter abgetrennt und geputzt. Durch weitere Arbeitsschritte werden die Zuckerrüben gerodet, gereinigt und schlussendlich gebunkert und verladen. Diese Arbeitsschritte sind in unterschiedlichen Kombinationen möglich und lassen sich in einphasige und mehrphasige Ernteverfahren unterteilen.

Beim einphasigen Ernteverfahren durch Köpfrodebunker wird das Köpfen, Roden und Sammeln der Zuckerrüben in einem Arbeitsschritt durch die Erntemaschinen getätigt. Dabei werden die Rüben und eventuell auch die Blätter zum Feldende transportiert und dort auf bereitstehende Transportwagen verladen. Ebenso können die Rüben kontinuierlich während des Rodens auf mitfahrende Transportfahrzeuge übergeben werden. Das zweiphasige Ernteverfahren läst sich nochmals in zwei getrennt hintereinander ablaufende Arbeitsschritte unterteilen. Das eine Verfahren besteht aus einem Frontköpfer und einem Heckrodelager das andere aus einem Köpfroder und einem Ladebunker am Traktor. Ernteverluste können bei der Einstellung des Kopfschnittes und bei der Tiefenführung der Rodeschare auftreten. Ein Kopfschnitt der um1 oder 2 cm von der Optimalhöhe abweicht kann zu Verlusten von 8 bis 18% führen (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 175).

Zuckerrüben 27

Eine Zuckerrübenlagerung wird im Entezeitraum von 30 bis 40 Tagen und in der Verarbeitungskampagne, die sich auf 90 Tage erstrecken kann, benötigt. In Zwischenlagern am Feldrand welche auch als Rübenmieten bezeichnet werden oder auf betonierten Flächen auf dem Fabrikgelände können die von Kopf und Blatt befreiten Zuckerrüben gelagert werden. Die Einlagerung in Grosslager mit einem Belüftungssystem zur Verminderung von Lagerverlusten erfolgt möglichst bei 2 bis 4°C. Zuckerfabriken sind für eine Verarbeitungsmenge von 2.000 bis 10.000 Tonnen Zuckerrüben pro Tag ausgelegt. Die Lagerkapazität für die Zuckerrüben wird gewöhnlich auf das drei bis vierfache der Verarbeitungsmenge pro Tag bemessen (Kurzhals H., 2003, S. 1261).

4.2 Chemische Zusammensetzung der Zuckerrübe, Koppelprodukte

Zuckerrübe

Der Rübenkörper der Zuckerrübe besteht zu 77,5% aus Wasser und zu 22,5% aus Trockensubstanz. Diese setzt sich wie folgt zusammen. Zu 18% besteht sie aus löslicher Trockensubstanz diese wiederum zu 16%

aus Sacchariden und zu 2% aus wasserlöslichen Nichtzuckerstoffen ⁸ . Wasserlösliche Nichtzuckerstoffe sind organische Stoffe wie Stickstoffverbindungen, Säuren oder phenolische Verbindungen, sowie anorganische Stoffe wie Mineralstoffe und Spurenelemente. Die Verbleibenden 4,5% der Trockensubstanz sind unlöslich und stellen das Mark der Zuckerrübe dar (siehe Abbildung 8; Winner C., 1981, S. 43).

Abbildung 8: Chemische Zusammensetzung der Zuckerrübe

⁸ Nichtzuckerstoffe sind Stoffe, die nicht zu den Sacchariden hinzuzuzählen sind

Zuckerrüben 28

Der nach der Saccharidextraktion für die ZRS-Verarbeitung bedeutsame Ligningehalt in der Trockenmasse der Zuckerrübe liegt bei 1 % (http://www.daf.zadi.de/download/PPT_Vorlop.pdf, 03.01.2008). Im Zellsaft der Zuckerrüben sind etwa 17% Saccharide enthalten. Die neben der Saccharose vorkommenden Saccharide sind Invertzucker zu 0,1 bis 0,2% und Raffinose zu 0,005 bis 0,2%. Es kommen ausserdem 1,4% organische und 0,5% anorganische Nichtzuckerstoffe vor. Zu den organischen Nichtzuckerstoffen gehören organische Säuren wie Oxalsäure, Zitronensäure und weitere Säuren. Sowie wasserdampfflüchtige Geruchsstoffe, phenolische Verbindungen, Pektine und Saponine. Die stickstoffhaltigen organischen Nichtzuckerstoffe bestehen aus Proteinen, Peptiden, freien Aminosäuren und Enzymen wie z. B. die Polyphenoloxidase. Die anorganischen Nichtzuckerstoffe lassen sich in der Asche der Zuckerrübe nachweisen und diese beinhaltet im Durchschnitt 28% Kalium, 4% Natrium, 5% Calcium und 13% Phosphorsäure (Belitz D. u. Grosch W., 1987, S. 592f).

Koppelprodukte

Die Rübe selbst und auch die Koppelprodukte aus der Saccharidgewinnung können als Tierfutter eingesetzt werden. Die Blätter der geernteten Zuckerrüben können als Tierfutter verwendet werden oder als Dünger auf dem Feld verbleiben (http://www.zuckerverbaende.de/pdf/VdZ_Futtermittel_Konzept _2_Auflage _2003.pdf, 03.12.2007).

4.3 Saccharidgewinnung aus Zuckerrüben

Zur Herstellung von einem Kilogramm Saccharose werden etwa 9 Zuckerrüben benötigt. Eine Zuckerrübe enthält etwa 110 g Saccharose (http://www.suedzucker.de/produkt/schema /index.shtml, 15.11.2007). Für die Saccharidgewinnung aus Zuckerrüben wird nur der Rübenkörper, welcher aus Hypokotyl und Wurzel besteht, verwendet (siehe Abbildung 9). Der obere saccharidarme Teil der Zuckerrübe wird als Koppelprodukt weiter verwendet (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 151f).

Abbildung 9: Zuckerrüben Aufbau

(Graphik entnommen aus http://www.kws.de/aw/KWS/home/Zuckerruebe_5429688/, 13.10.2007)

Zuckerrüben 29

Zuckerrüben Reinigung

Bevor die Zuckerrüben zu Zucker verarbeitet werden können, müssen sie gereinigt werden. An den Zuckerrüben haftet i. Allg. etwa 15 Gew.-% Erde an. Deshalb werden sie zunächst vom Anlieferungsbunker aus in eine Schwemmrinne geführt und dort durch einen Wasserstrahl aus einem Strahlrohr gereinigt. Der Weitertransport erfolgt im Waschwasser sowie durch Abscheider Steine und Blätter abgetrennt werden (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 603). Das Waschwasser wird geklärt im Kreislauf geführt und zur Unterdrückung der Mikroorganismen wird es mit CaO auf einen pH-Wert von 10 bis 12 eingestellt (siehe Abbildung 10; Belitz D. u. Grosch W., 1987, S. 693).

Zerkleinerung zu Schnitzel

In diesem Verfahrensschritt werden die Rüben zu Schnitzel mit V-förmigen Querschnitt durch hängende Schneidemaschinen mit einer Schnittgeschwindigkeit von 4 bis 10 m/s oder durch Trommelscheidemaschinen mit feststehenden Messerkästen zerkleinert. Um dadurch die folgende Extraktion mit einem hohen Wirkungsgrad durchführen zu können (siehe Abbildung 10; Kurzhals H., 2003, S. 1262).

Extraktion der Zuckerrübenschnitzel

In die Turmanlage tritt unten nach der Zerkleinerung ein Gemisch aus Schnitzel und Saft ein das nach oben transportiert wird. Es erfolgt eine im Gegenstromprinzip verlaufende Extraktion der Zuckerrübenschnitzel. Damit die Saccharose aus den Rübenzellen austreten kann, ist eine Denaturierung des Plasmaschlauches und eine Freilegung der Tüpfelöffnungen in den Zellwänden der Rübenzellen notwendig. Dies kann durch eine thermische Plasmolyse erreicht werden. Dabei werden die Zuckerrübenschnitzel mit etwa 74°C heissem Zirkulationssaft behandelt. Bei der Saftgewinnung werden mittlere Temperaturen von 65 bis 73°C erreicht. Die vorgeschaltete Schnitzelmaische fungiert als Wärmetauscher in der die Zuckerrübenschnitzel erwärmt und der Rohsaft auf etwa 25°C abgekühlt wird. In den Turm wird von oben das vorgewärmte Frischwasser zugeben und darunter das ebenfalls vorgewärmte Presswasser. In diesem Verfahrensschritt wird der Rohsaft gewonnen und die extrahierten Zuckerrübenschnitzel in einer Schnitzelpresse mechanisch entwässert (Trockentrommel) und zu Pellets geformt (siehe Abbildung 10; Kurzhals H., 2003, S. 1261).

Um thermophile Mikroorganismen aus dem Verfahren auszuschliessen, kann in Erwägung gezogen werden den Zuckerrübenschnitzel in Abständen von 8 bis 24 Stunden stossweise 30 bis 40%ige Formaldehydlösung in einem zum stündlich anfallendem Rohsaft proportionalen Verhältnis von 0,5 bis 1% zugegeben (Belitz D. u. Grosch W., 1987, S. 693).

Zuckerrüben 30

Abbildung 10: Reinigung, Zerkleinerung, Extraktion

(Abbildung nach http://www.suedzucker.de/produkt/schema/index.shtml, 15.11.2007)

Reinigung des Rohsaftes

Rohsaft aus dem Extraktionsturm weist eine trübe, grau-schwarze Färbung auf, welche durch enzymatische Oxidationsprozesse von Phenolen verursacht werden. Dieser Rohsaft hat einen pH-Wert von 6,2 und enthält durchschnittlich 15 % Trockenmasse. Davon sind 13,5 % Saccharose. Die Reinigung des Rohsaftes führt zu einer 30 bis 40%igen Befreiung der Nichtzuckerstoffe. Es sollen folgende Prozessziele umgesetzt werden:

• Fällung von Proteinen und Polysacchariden wie Pektine, Arabane, Galactane

• Fällung von anorganischen Anionen wie Phosphat und Sulfat

• Fällung von organischen Anionen wie Citrat, Malat, Oxalat als Calciumsalze und von Magnesiumionen als Mg(OH) 2

• Absorption von Farbstoffen an CaCO 3

• Entfernung von Fasern und Zellresten

• Abbau von reduzierenden Zuckern wie Invertzucker und Galactose

• Überführung von Glutamin in Pyrrolidoncarbonsäure und Asparagin in Asparaginsäure (Belitz D. u. Grosch W., 1987, S. 693).

Zuckerrüben 31

Im ersten Reinigungsabschnitt wird der Rohsaft mit Kalkmilch (Ca(OH) 2 ) versetzt (siehe Abbildung 11). Im zweiten Reinigungsabschnitt wird Kohlendioxid (CO 2 ) dem Rohsaft zugeführt was auch als Carbonation bezeichnet wird. Dies hat zur folge das die Nichtzuckerstoffe gebunden werden und ausfallen. In einem weitern Prozessschritt wird der Rohsaft abfiltriert und es bleibt ein klarer Dünnsaft mit ca. 16 % Saccharosegehalt zurück (http://www.suedzucker.de/produkt/schema /index.shtml, 15.11.2007).

Abbildung 11: Reinigen Rohsaft

(Abbildung entnommen aus http://www.suedzucker.de/produkt/schema/index.shtml, 15.11.2007)

Eindampfen des Dünnsaftes

Der Dicksaft mit 70 bis 75% TS entsteht aus dem Dünnsaft in einer mehrstufigen Verdampferanlage. Verwendung finden Rohrverdampfer in der ersten Stufe wird mit einer Satttemperatur von ca. 130°C gearbeitet. Die letzte Stufe liegt bei etwa 90°C. Der in der ersten Stufe verwendete Dampf stammt aus einer KWK-Anlage (Turbogenerator) in der der Frischdampf aus dem Dampfkessel zur Stromerzeugung verwendet wurde. Mit dem Abdampf der Verdampfer wird der folgende Verdampfer beheizt und die weiteren Wärmetauscher in der Fabrik mit Dampf versorgt (Kurzhals H., 2003, S. 218).

Weil während dem Eindampfen Calciumsalze ausfallen. Wird der nach der Eindampfung anfallende Dicksaft nochmals filtriert (Dicksaftfilter) und weist daraufhin eine Trockensubstanz von 68 bis 72% und einem Saccharidgehalt von 61 bis 67% auf. Mittels eines Reinheitsquotienten Q wird der Saccharoseanteil in der Trockensubstanz ausgedrückt. Roh-, Dünn- und Dicksaft haben Q-Werte von 89 bzw. 92 bis 93 (siehe Abbildung 12; Belitz D. u. Grosch W., 1987, S. 694).

Zuckerrüben 32

Abbildung 12: Eindampfen Dünnsaft

(Abbildung entnommen aus http://www.suedzucker.de/produkt/schema/index.shtml, 15.11.2007)

Kristallisation

In Verdampfungskristallisatoren wird durch abdampfen die Dicksaftlösung übersättigt. Nach der Übersättigung des Dicksaftes erfolgt die Kristallisation der Saccharidmoleküle. Die so entstandene Kochmasse wird über Maischen in denen Wasser aus der Kochmasse verdampfen kann in Zuckerzentrifugen überführt. Um dort den an der Saccharose anhaftenden Sirup zu minimieren. Als auch die Struktur der Saccharosekristalle in diesem Zentrifugationsprozess nicht geschädigt werden soll. Die Kristallzuckertrocknung zur Entfernung von Restfeuchtigkeit aus dem Kristallzucker wird in Turbinentrockner (Kühl- und Trockentrommeln) durchgeführt, Verweilzeit 40 Stunden. Der Kühlungs- und Trocknungseffekt wird dadurch bewirk das gekühlte bzw. erwärmte Luft über eine ruhende Zuckerschicht von 25 bis 40 mm Höhe Streicht und so einen Stoff- und Wärmeaustausch ermöglicht. Durch Abstreifer wird ein Gutschonender Transport des Zuckers von Etage zu Etage auf den Tellersegmenten des sich mit langsamer Drehbewegung rotierenden Tellerpaketes vollzogen. Die im Zentrum des Turbinentrockners sitzenden Turbinenräder rufen eine radiale Luftbewegung hervor (Kurzhals H., 2003, S. 671ff).

Der fertige Zucker wird in Zuckersilos gelagert. Aus den Silos wird der Zucker entnommen und weiterverarbeitet, verladen und abgepackt. Um den Heizdampfeinsatz so gering wie möglich zu halten, wird die Verdampfungskristalisation mehrstufig und mit der Wärmeausnutzung aus einem Teil der erhitzten Zentrifugationsprodukte durchgeführt.

Zuckerrüben 33

Bewerkstelligt wird dies durch eine Rückführung einiger Zwischenprodukte. Die anfallenden Brüdendämpfe werden in einer biologischen Wasseraufbereitungsanlage aufbereitet und dem natürlichen Kreislauf wider zugeführt (siehe Abbildung 13). Die gepressten und entwässerten Rübenschnitzel können als Viehfutter verwendet werden. Der bei der Saftgewinnung entstehende Carbokalk kann als Dünger eingesetzt werden (http://www.suedzucker.de/produkt/schema /index.shtml, 15.11.2007).

Abbildung 13: Kristallisation

(Graphik nach http://www.suedzucker.de/produkt/schema/index.shtml, 15.11.2007)

4.4 Herstellung der Substratlösung für die Fermentation

Als Substratlösung für die Hefe Fermentation wird die bei der Zuckerherstellung im Produktionsablauf entstehende Dicksaftlösung mit einem Saccharidgehalt von 61 bis 67% verwendet (vgl. Kapitel 4.3, S. 31f der vorliegenden Arbeit). Dieser im Produktionsprozess anfallende Dicksaft muss vor der Hefefermentation mit Wasser verdünnt werden. Dazu kann auch etwas Schlempe zu dem Dicksaft hinzugegeben werden (Schmitz, 2005, S. 88).

Herstellungsprozess Bioethanol 34

5 BIOETHANOL AUS WEIZEN UND ZUCKERRÜBEN

Ethanol wird von einigen Mikroorganismen synthetisiert. Hefen der Gattung Saccharomyces cerevisiae gehören dabei zu den Mikroorganismenarten, die für die biotechnologischen Prozesse vom Menschen hauptsächlich genutzt werden. Aber auch Bakterien wie z. B. Zymomonas mobilis sind in der Lage Ethanol zu produzieren (Krämer J., 2002, S. 226). In dieser Diplomarbeit wird nur der Fermentationsprozess durch die Hefen Saccharomyces cerevisiae zur Ethanolgewinnung dargestellt.

5.1 Grundsätzliches über Saccharomyces cerivisiae

Saccharomyces cerivisiae wird der Gruppe der eukaryontischen, einzelligen Schlauchpilze (Ascomycetes) zugeordnet. Das bedeutet, dass sich in den Hefezellen Organellen befinden, die verschiedene lebensnotwendige Funktionen in der Zelle wahrnehmen. Dieses Zell-Organellen-System ist in sich geschlossen d. h. dass eine Zelle alle essentiellen Funktionen durch ihre Organellen wahrnehmen kann und damit für ihre Lebensprozesse nicht von anderen Zellen abhängig ist. Die Generationszeit dieser Hefe beträgt 90 Minuten. Wobei die Vermehrungsweise eine asexuelle durch Sprossung ohne Myzelbildung ist. Bekannt ist dieser Hefepilz als Bäckerhefe, Brauhefe, Trockenhefe und Single Cell Protein (Antranikian G., 2006, S. 4ff).

Stoffwechselregulation

Das Verhältnis in der Stoffwechselregulation der Hefe zum Sauerstoff ist durch den „Pasteur-Effekt“ anfänglich beschrieben worden. Dieser vor über Hundert Jahren von Pasteur entdeckte Effekt der Hefen bei Gärungsprozessen in der Weinherstellung besagt, dass das Wachstum der Hefen bei anaeroben Bedingungen stark zurückgeht und der Gärungsmetabolismus der Hefe intensiv zunimmt. Sowie durch eine starke Belüftung die Gärung der Hefe fast völlig unterdrückt werden kann. Er besagt auch, dass unter aeroben Bedingungen bei gleicher Menge an Sacchariden etwa 20mal mehr Zellmasse gebildet wird als unter anaeroben Bedingungen (Schlegel H., 1992, S. 290f). Was von Pasteur in dem von ihm formulierten „Pasteur-Effekt“ beobachtet worden ist, konnte zu einem spätern Zeitpunkt bestätigt werden. Ein fermentativer Stoffwechsel bei Saccharomyces cerivisiae ist im Gegensatz zu vielen andren Hefen auch in Gegenwart von Sauerstoff vorhanden. Diese Erkenntnis wird als der „Grabtree-Effekt“ bezeichnet (Fredlund et al., 2004, zit. n. Emili M., 2006. S. 4).

Die zweite Einfluss nehmende Grösse bei der Stoffwechselregulation von Saccharomyces cerivisiae ist die Zuckerkonzentration. Nimmt diese sehr geringe Werte unter 0,05 Gew.-% in dem Wachstumsmedium an so wird der Stoffwechsel von Gärung auf Atmung umgestellt (Fiechter et al., 1981, zit. n. Emili M., 2006, S. 4).

Herstellungsprozess Bioethanol 35

In Bezug auf Hefen erklärt Hämke D.:„Es werden Hefen, die zur Anwendung rehydratisiert werden müssen eingesetzt und Hefen, die in der Maische einen Alkoholgehalt von 9-10 % erzeugen.“ (Telefonische Auskunft von Herr Hämke, technischer Berater für Stärkeverarbeitung bei AB Enzymes, 21.01.2008).

Substrate

Von der Hefe können die Kohlenhydrate Saccharose, Maltose, Glucose und Fructose zu Ethanol vergärt werden. Diese Substrate werden dabei auf unterschiedliche Art und Weise aus dem Wachstumsmedium aufgenommen. Saccharose wird durch das in den periplasmatischen Raum abgebende Enzym Invertase in seine Monosaccharide Glucose und Fructose gespalten. Diese beiden Hexosen werden einzeln mithilfe verschiedener Transporter durch erleichterte Diffusion in die Zelle aufgenommen. Der Disaccharid Maltose wird durch einen Protonensymporter aufgenommen, dieser Transport ist energieabhängig. In der Hefezelle wird die Maltose durch das Enzym Maltase in zwei Glucosemoleküle zerlegt (Boles u. Hollenberg, 1997, zit. n. Emili M., 2006, S. 8).

Energiegewinnung im Stoffwechsel

Im aeroben wie im anaeroben Stoffwechsel von Saccharomyces cerivisiae wird 1 mol Glucose bei der Glykolyse über den Fructose 1,6-bisphosphat-Weg zu 2 mol Pyruvat oxidiert. In diesem Oxidationsprozess wird Glucose von 10 Enzymen zu Ethanol umgewandelt. Insgesamt ist diese Reaktion eine exergonische Reaktion und die freiwerdende Energie wird in Form von 2 mol ATP aus 2 mol ADP und 2 mol P i gespeichert. Die freie Standardenthalpie ∆G ändert sich bei der Glykolyse um -85 kJ/mol und es

werden 2 mol NAD ⁺ zu 2 mol NADH reduziert.

Beim aeroben Stoffwechsel wird das Pyruvat zur weitern Energiegewinnung in den Citronensäure-Cyclus überführt und Sauerstoff dient als Protonen-Akzeptor für die Oxidation von NADH. Im anaeroben Stoffwechsel wird Pyruvat durch das Enzym Pyruvat-Decarboxylase zu Acetaldehyd oxidiert. Das Acetaldehyd dient nun als Protonen-Akzeptor für die Oxidation von NADH durch das Enzym Alkohol-Dehydrogenase. Diese beiden Reaktionen sind mit keinem weiteren Energiekopplungsreaktionen verbunden. Der chemische Reaktionsmechanismus zur Energiegewinnung ist in Abbildung 14 dargestellt (Lehninger A. et al., 1994, S. 472ff).

Herstellungsprozess Bioethanol 36

Abbildung 14: Glucose zu Ethanol

(Abbildung entnommen aus http://www.paul-ehrlich-schule.de/Download/Projekte/NaFeStBr.pdf, 13.10.2007)

Ethanolbildungsmenge aus den Hexosen Glucose und Fructose

Aus 1000 g eines Monosaccharids Glucose oder Fructose werden 511 g Ethanol und 489 g Kohlendioxid bei der Hefenfermentation gebildet. Bei dieser exothermen Reaktion werden pro Mol Ethanol 156 KJ Energie freigesetzt (siehe Gleichung 1; Henniges O., 2007, S. 17).

Gleichung 1: alkoholische Gärung

C 6 H 12 O ⁶ (Monosaccharid) 1000g 511g + 489g

(Gleichung entnommen aus Henniges O., 2007, S. 17)

Nebenprodukte im Stoffwechsel der Hefe Saccharomyces cerevisiae

Ausser dem primären Alkohol Ethanol entstehen im Fermentationsprozess in geringen Mengen weitere Alkohole. Durch den Abbau von Pektinen entsteht Methanol. Länger kettige Alkohole, die als Fuselöle bezeichnet werden, entstehen hauptsächlich durch den Abbau der Aminosäuren Isoleucin, Leucin, Threonin und Valin. Alkohole, die zu den Fuselölen hinzugezählt werden, sind unterschiedliche Propanole, 2-Butanol und verschiedene Pentanole. Es währen noch weitere Nebenprodukte zu nennen die aber im Rahmen dieser Diplomarbeit nicht aufgeführt werden (Steinbüchel A. et al., 2003, S. 320).

Herstellungsprozess Bioethanol 37

Exkursion über aktuelle Forschung

An der Universität Hohenheim wurden im Rahmen einer Doktorarbeit ( Emili M., Hohenheim, 2006) Untersuchungen zur Bioethanolproduktion mit der Hefe Saccharomyces cerevisiae und die Auswirkungen der Überproduktion aller am Glucoseumsatz beteiligten Enzyme in vivo durchgeführt. Dazu wurden die entsprechenden Gene in der Hefezelle kloniert, welche für die Genexpression der Hexosetransporter, der Glykolyseenzyme und für die Enzyme, die für die Umwandlung von Pyruvat zu Ethanol verantwortlich sind. Es wurden 2 Plasmide mit den unterschiedlichen Genkomplexen erstellt und in die Hefezelle injiziert. Das Ergebnis dieser Untersuchung besagt, dass letztendlich die physiologischen Parameter für die Glucoseverbrauchs- und Ethanolbildungskoeffizienten sich im Vergleich zu einer Wildtypkontrolle bei vergleichbaren Ausbeutekoeffizienten nicht ändern. Es lassen sich aber wertvolle Erkenntnisse über die Regulation des Glykolyseflusses in vivo ableiten. Auf deren Grundlage neue Untersuchungen zur Steigerung der Ethanolproduktionsrate durch Hefe durchgeführt werden können.

Am „Institute For Brewing and Distilling“ in Lexington (Kentucky) konnte die natürliche Selektion einer extrem thermostabilen Hefe durchgeführt werden, die eine Gärung bei weit höheren Temperaturen als bisher üblich erlaubt. Mit dieser Hefe sind bei höheren Temperaturen unter Laborbedingungen Alkoholgehalte bis zu 23 % bei der Vergärung von Mais erreicht worden. Durch eine hohe Gärungstemperatur kann eine erhebliche Menge an Energie bei der Kühlung und der Dauer des Gärvorgangs eingespart werden. Es wird eine vollständigere Vergärung der Maische umgesetzt. Die für die hydrolytische Spaltung der Polysaccharide in den Rohstoffen eingesetzten Enzyme konnten auch verbessert werden. Es wurden leistungsfähigere und temperaturtolerantere Enzymkomplexe durch die Wiederentdeckung des Jahrtausend alten Verfahrens der Trockenfermentation (Koji) hervorgebracht. Enzymkomplexe die nicht nur Stärke und Saccharide spalten können, sondern auch Zellulosen und Hemizellulosen aufschließen, wurden erzeugt. Durch die Einführung eines neuen Hygienemanagementsystems sind Infektionen des Systems vermeidbar (www.stock-world.de/board/forum_gesamt/255385 /thread.m?a=, 09.10.2007).

Herstellungsprozess Bioethanol 38

Von den Forschern der Goethe-Universität Frankfurt um Prof. Dr. Eckhard Boles wurde die Methode der synthetischen Biologie auf Hefen angewandt. „Wir bauen in die Hefe Saccharomyces cerevisiae künstliche, biochemische Systeme ein, die neuartige Stoffwechselwege in der Zelle etablieren“, erklärt Boles. Die Erfindung dieser Forscher Gruppe künstlich synthetisierte Gene aus DNA-Bausteinen, die am Computer entwickelt und maschinell hergestellt wurden in Hefen einzubringen ist zum Patent angemeldet worden. Damit ist es diesen Hefezellen möglich, Zellulose aus pflanzlichen Abfällen deutlich effizienter zu Ethanol umzusetzen. Der Ertrag wurde um 25 % und die Geschwindigkeit zur Umsetzung zu Ethanol sogar um mehr als 250 % gesteigert. Um eine industrielle Produktion realisieren zu können, hat Boles mit einem Schweizer Partner die Firma Butalco GmbH gegründet und sucht nun Investoren, die ihm bei der Kommerzialisierung seiner Entwicklungen helfen (www.muk.uni-frankfurt.de/pm/pm2007/1107/204/ index.html, 12.12.2007).

Hefebereitstellung

Die erforderliche Menge an Hefe für den Fermentationsprozess beträgt abhängig von der verfahrenstechnischen Auslegung der Produktionsanlage 5 bis 10% der täglich produzierten Maischemenge. Diese benötigte Hefemenge kann im Unternehmen selbst hergestellt werden. Dazu wird selektierte Trocken-Reinzuchthefe in vergärbare Maische gegeben. Die Dauer der Fermentation beträgt 12 bis 24 h bei 20 bis 24°C und bei pH-Werten zwischen 2,5 und 3,5. Diese Hefenfermentation zur Gewinnung der eigentlichen Gärhefe wird in speziellen Hefegefässen die mit einem Rührwerk und einer Kühleinrichtung ausgerüstet sind durchgeführt. Für grosstechnische Anlagen müssen diese Gärgefässe sterilisierbar und mit einer Belüftung ausgestattet sein, damit die Bereitstellung von grossen Hefemengen beschleunigt werden kann (vgl. Kapitel 5.1, S. 34 der vorliegenden Arbeit). Die durch diesen Vorprozess hergestellte reife Hefenmaische wird dann für die Animpfung der Hauptmaische eingesetzt. Das leere Hefegefäss wird gereinigt und sterilisiert daraufhin wird es erneut mit vergärbarer Maische gefüllt. Etwa 10% reife Hefenmaische wird hinzugeben und die gewünschten pH-Werte sowie Temperaturen werden eingestellt. Damit kann ein Hefeansatz über die gesamte Produktionskampagne verwendet werden. Im Fall einer bakteriellen Hefeinfektion muss die Hefenneuzüchtung ausgeschlossen werden (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 614).

Herstellungsprozess Bioethanol 39

Wachstum der Hefezellen

Das Wachstum der Hefezellen läst sich durch eine Kurve der Zellkonzentration über der Zeit darstellen (siehe Abbildung 15). Diese Kurve ist in 6 unterschiedliche Abschnitte unterteilbar.

• Abschnitt A wird als Inkubationsphase oder LAG-Phase bezeichnet (Anlaufphase). Es lassen sich keine Zellteilungen feststellen. Nährstoffe aus dem Substrat werden aufgenommen. Die LAG-Phase kann entfallen, wenn Hefezellen die sich bereits in vermehrendem Stadium befinden verwendet werden

• Abschnitt B die Accelerationsphase, in der Zellteilungen stattfinden. Die Entwicklung verläuft langsam

• Abschnitt C (Log-Phase). Die Wachstumsgeschwindigkeit ist konstant und die Zellvermehrung verläuft expotentiell. Die Verdoppelungszeit t d ist minimal und die Wachstumsrate µ maximal

• Abschnitt D ist die Übergangsphase, in der keine expotentielle Zellvermehrung mehr stattfindet. Die Rate an neugebildeten Zellen ist aber höher als die der abgestorbenen Zellen

• Abschnitt E ist die stationäre Phase, in der die Zellzahl konstant bleibt. Es sterben so viele Zellen ab wie neue gebildet werden

• Abschnitt F (Letale Phase oder Absterbephase) durch Autolyse verringert sich die Dichte der Kultur. Es sterben mehr Zellen ab als neue gebildet werden (Rehm H., 1980, S. 72ff)

Abbildung 15: Vermehrungskurve

(Abbildung entnommen aus Rehm H., 1980, S. 72 )

Herstellungsprozess Bioethanol 40

5.2 Ethanolfermentation

Die folgenden Ausführungen über die Ethanolfermentation basieren auf den Angaben von Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 614ff.

Fermentationsanlagen

In der Regel erfolgt die Fermentation in zylindrischen Gärbehältern aus Edelstahl mit einem Volumen

von bis zu 100 m ³ und mehr. Ob Kühleinrichtungen notwendig sind, ist von der Anstelltemperatur und vom Gärbehältervolumen abhängig. Kühleinrichtungen werden bei Gärbehältervolumen von mehr als 40

m ³ erforderlich. Fermenter ohne Kühlung mit einem Volumen von 30 m ³ benötigen in der Regel eine Anstelltemperatur von 20 bis 22°C. Ist eine Kühlung vorhanden, so kann die Gärung bei 28 bis 30°C gestartet werden. Damit kann nicht nur Kühlwasser und -zeit bei der Maischenerstellung gespart werden, sondern durch die höhere Anstelltemperatur wird auch die Fermentation insgesamt beschleunigt und die Infektionsanfälligkeit gesenkt.

Maischeansatz zur Fermentation

Die Fermentation der Hefemaische kann durch zwei unterschiedliche Verfahren gestartet werden. Die

reife Hefemaische wird der vorbehandelten ⁹ auf unter 35°C abgekühlten Maische im Maischapparat zugegeben. Diese vereinte Menge an Gärmaische wird auf Gärtemperatur abgekühlt und in den Gärtank überführt. Mit einem Teil der Gärmaische wird das Hefegefäss wieder gefüllt, um damit für einen folgenden Fermentationsprozess die Hefen zu vermehren und bereitzustellen. Eine weitere Vorgehensweise kann sein, dass 90 bis 95% der benötigten Hefe in den Fermenter gepumpt werden und die vorbehandelte im Maischenkühler temperierte Maische direkt in den Fermenter geführt wird. Ein Teil der vorbehandelten Maische wird benutzt, um den Hefesatz wieder aufzufüllen. Anwendung findet dieses Verfahren dort, wo, die Maischenkühlung separat geführt wird.

Fermentationsprozess

Die Temperatur bei der Ethanolfermentation sollte zwischen 34 und 36°C liegen, wobei 36°C nicht überschritten werden dürfen. Hierbei ist von vornherein die Anstelltemperatur für die Fermentation so zu wählen, dass nach 24 h eine Fermentationstemperatur von 34°C erreicht ist. Die Kühleinrichtung ist so zu justieren, dass die einmal erreichte Temperatur von 34°C im Gärtank über die gesamte Gärung gehalten werden können. Innerhalb von 24 h sollten 50% der vergärbaren Maische vergoren sein und der Alkoholgehalt 4 bis 5 Vol.-% betragen. Der anfängliche pH-Wert von 5,2 sinkt nach den ersten 24 h auf 4,6 bis 4,8 ab. Im weiteren Verlauf der Fermentation sinkt er weiter auf 4,2 bis 4,5 ab. Zum Ende der Gärzeit steigt der pH-Wert wider um 0,2 Einheiten an. Durch Milchsäurebakterien-Infektionen sinkt der pH-Wert auf 4,0 und kleiner ab. In der Praxis muss die Gärung überwacht und dokumentiert werden.

⁹ Vorbehandelt bedeutet in diesem Fall, dass die Stärke schon verflüssigt und verzuckert worden ist

Herstellungsprozess Bioethanol 41

Dazu werden die Gärtemperatur, der pH-Wert sowie der Extraktgehalt als Masseinheit für die vergärte Glucose in der Maische und eine mikroskopische Untersuchung der Maische täglich erfasst. Es werden etwa 2 g Ethanol pro Liter Fermentervolumen und Stunde von den Hefen produziert.

Schlemperecycling

Bei einer Wiederverwertung der Schlempe im Maischprozess kann der Beginn der Fermentation deutlich beschleunigt werden. Besonders deutlich zeigt sich dieser Sachverhalt bei der Maisvergärung auf. Wird Maismaische ohne Schlemperecycling hergestellt, so macht sich bei der Fermentation eine Verzögerungszeit von 4 h bemerkbar. Werden 50% der erforderlichen Prozessflüssigkeit durch Schlempe ersetzt so tritt eine Verkürzung dieser Phase auf nur noch 1,5 h ein. Kann die gesamte Prozessflüssigkeit durch Schlempe ersetzt werden, so macht sich in der Praxis keine Verzögerungsphase mehr bemerkbar und die Infektionsgefahr wird deutlich verringert. Ein zweiter positiver Einfluss der Schlempenwiederverwendung als Prozessflüssigkeit ist das dadurch auch die Fermentationsdauer verkürzt werden kann. Damit ist eine Fermentationszeit für Weizen-, Roggen-, Triticalemaischen von nur 40 h möglich. Bei einer Verwendung von Kühleinrichtungen sind 30 h Fermentationsdauer umsetzbar.

Verunreinigungen

Verunreinigungen im Fermentationsprozess durch Milchsäurebakterien treten in der Praxis immer wieder sporadisch auf. Es kommt zu deutlichen Ethanolausbeuteverlusten. Die Beeinträchtigungen auf die Ethanolqualität sind gering, machen sich aber in der Herstellung von Trinkalkohol bemerkbar. Es kommt durch die Milchsäurebakterien zur Bildung von Propenal. Dies führt zu einer drastischen Verschlechterung des erzeugten Ethanols sowie Propenal ein Gesundheit gefährdendes Potenzial hat. Es treten Schleimhaut- und Tränenreizungen auf. Zudem kann Propenal in der Rektifikation nur mit grossem Aufwand und in geringer Konzentration vom Ethanol getrennt werden. Auch durch Bakterien (Clostridien) kann es zu Propenalkontaminationen kommen. Dem kann verfahrentechnisch begegnet werden durch eine ausreichende Pasteurisation der Maische bei 65°C 30 min lang und durch pH-Wert-Absenkung nach der Verflüssigung auf einen pH-Wert von 4 zur Vermeidung der Sporenauskeimung.

Versuche mit diesem Maischverfahren ergaben Ausbeutesteigerungen von 61,9 auf 64,3 dm ³ Alkohol pro 100 kg Stärke in einer Kartoffelbrennerei (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 614ff).

Herstellungsprozess Bioethanol 42

5.2.1 Diskontinuierliche Fermentation (Batch-Verfahren)

Anlagen für diskontinuierliche Verfahren

In Abbildung 16 ist ein diskontinuierliches Verfahren dargestellt. Diese Verfahren sind unterschiedlich verfeinert worden. In Deutschland hat sich das als praktikabel geltende Justsche-Zulauf-Verfahren durchgesetzt (Schmitz N., 2003, S. 70).

Abbildung 16: Diskontinuierliches Verfahren

(Eigene Darstellung aus Schmitz N., 2003, S. 71)

Herstellungsprozess Bioethanol 43

Rohstoffe für das diskontinuierliche Verfahren

Als Rohstoffe für das diskontinuierliche Verfahren kommen alle stärke- und zuckerhaltigen Pflanzen infrage. Es kann so mit diesem Verfahren unabhängig von der Substratlösungszusammensetzung Ethanol produziert werden mit Zuckerrüben, Zuckerrohr, Weizen, Roggen, Triticale und Mais (Schmitz N., 2003, S. 70ff).

5.2.2 Kontinuierliche Fermentation

Kaskadenverfahren Weizen

Beim Kaskadenverfahren werden die Fermenter hintereinander geschaltet und die Maische mit der Hefe durch die in Reihe geschalteten Fermenter geleitet. Im ersten Fermenter wird der Maische Luft zugeführt, damit die erforderliche Menge an Hefe für die Gärung erreicht wird. In einem zweiten Fermenter wird vergärbare Maische der Hefe zugeführt. Hier beginnt die Umwandlung in Ethanol und in den darauf folgenden zwei oder drei anaerob arbeitenden Fermentern. Bei Substraten mit kaum unvergärbaren Pflanzenbestandteilen kann die im letzten Fermenter anfallende Hefe absepariert werden und dem Fermentationsprozess, nach einer Hefewäsche, im Anfangsstadium wieder zugegeben werden. Zu den Vorteilen des Kaskadenverfahrens gehören der geringe Arbeitsaufwand, der relativ einfache apparative Aufbau und die hohen Ethanolausbeuten sowie die hohen Ethanolgehalte in der Maische. Damit lange Hefenutzungsintervalle gewährleistet werden können, sind Infektionsüberwachungsmaßnahmen erforderlich. Aufgrund der hohen Ethanolkonzentration in der Maische kann bei der Destillationsenergie eingespart werden (Schmitz N., 203, S. 72f).

Kontinuierliches Verfahren Zuckerrübe

Bei diesem Fermentationsverfahren muss im Vergleich zur diskontinuierlichen Fermentation die Hefezahl drastisch erhöht werden. Erreicht werden kann dies durch eine Rückführung von Hefezellen aus der vergorenen Maische in den Fermenter. Dazu kann die Hefe mit Hilfe von Zentrifugen von der vergorenen Maische getrennt werden oder es werden flockulierende Hefestämme eingesetzt. Die aus einem dem kontinuierlich arbeitenden Fermenter folgendem zylindrisch geformten Sedimentationstank unten entnommen werden. Im oberen Bereich befindet sich die „hefefreie“ Maische. Es kann mit der kontinuierlichen Fermentation 30 bis 50 g Ethanol pro Liter Fermentervolumen und Stunde produziert werden. Es werden grössere Anforderungen an die Substratlösung gestellt als bei der diskontinuierlichen Fermentation. Sie muss wegen der Hefe Rückführung sterilisiert werden (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 614ff).

Herstellungsprozess Bioethanol 44

Rohstoffe für kontinuierliche Verfahren

Bei den Rohstoffen für die kontinuierlichen Verfahren muss unterschieden werden, wie stark die in den Fermentationsprozess eingebrachte Maische mit weiteren Pflanzenbestandteilen belastet ist. Ein kontinuierliches Verfahren für den mit Pflanzenbestandteilen belasteten Rohstoff Weizen und andere Getreidearten ist das Kaskadenverfahren (siehe Abbildung 17). Zuckerrüben deren Maische aus dem Dicksaft aus der Zuckerherstellung besteht ist kaum belastet mit weitern Pflanzenbestandteilen. (Kontinuierliche Verfahren siehe Abbildung 18; Schmitz N., 2003, S. 70ff).

Abbildung 17: Kaskadenverfahren für Weizen

(Graphik nach Schmitz M., 2003, u. eigener Darstellung)

(Eigene Darstellung aus Schmitz, 2003, S. 72)

Herstellungsprozess Bioethanol 45

Abbildung 18: Kontinuierliche Verfahren mit Zuckerrüben

(Eigene Darstellung aus Schmitz, 2003, S. 74)

Industrieanlagen 46

5.2.3 Anlagenaufbau in der Industrie

Verfahrens Daten zur Anlage Zuckerrübenanlage

Die Danisco Bioethanol GmbH aus Anklam will das im Mai 2007 gestartete Bioethanolprojekt in 2

Stufen bis zum Oktober 2008 zu einer täglichen Ethanolproduktion von 230 m ³ mit den folgenden Produktionskapazitäten abschließen. Im gesamten Hauptprozess des Jahres sollen aus insgesamt 1.350.000 Tonnen Rüben in der Zuckerfabrik in 120 Tagen 105.000 Tonen Zucker, 26.000 Tonnen

Vinasse, Koppelprodukte wie Zuckerrübenschnitzel und 110.000 m ³ Dicksaft für die Ethanolfermentation produziert werden. An der Ethanolproduktionsstätte werden aus der genannten Dicksaftmenge in 330

Tagen 74.000 m ³ (58.386 t) Bioethanol produziert. Fliesschema für die Ethanolproduktion bei der Bioethanol GmbH siehe Abbildung 19 (http://www.zuckerruebe.nu/upl _material/bioe7.pdf, 15.01.2008).

Abbildung 19: Fliesschema der Bioethanol GmbH (Danisco)

(Abbildung nach http://www.zuckerruebe.nu/upl_material/bioe7.pdf, 15.01.2008, u. eigene Darstellung)

Industrieanlagen 47

Die in Abbildung 19 dargestellte Ethanolfermentationsanlage fermentiert eine Substratlösung aus Dicksaft aus der Zuckerherstellung von Zuckerrüben im Fed Batchverfahren in 4 Fermentationstanks. Das notwendige Fermentationsgemisch wird in Rührtanks eingestellt. Es wird aktive Trockenhefe in den 38 Stunden andauernden Fermentationsprozess eingesetzt. Eine Vakuumdestillation und Rektifikation wird

mit 4 Kolonnen und einer Leistungskapazität von 220 m ³ am Tag durchgeführt. Die Schlempetrocknung wird mit Kapazitäten von 220 bis 170 m ³ pro Tag betrieben. Dabei wird ein Hitzeaustausch bei der Schlempetrocknung bzw. eine Dampfweiterleitung zu den Destillationskolonnen realisiert (http://www.zuckerruebe.nu/upl _material/bioe7.pdf, 15.01.2008).

Die Zugabe von Schwefelsäure (H 2 SO 4 ) in die Mischtanks wird zur Hydrolyse der in der Maische enthaltenen Polysaccharide eingesetzt und um die Maische auf den gärfähigen pH-Wert einzustellen (Schmitz N., 2003, S. 103).

Es wird in dieser Diplomarbeit davon ausgegangen, dass die für die Fermentation benötigte Maischetemperatur von 35°C durch Wärmerückkopplung des pasteurisierten Dünnsaftes und durch Einstellung der Mischverhältnisse der in den Rührtank eintretenden Zuläufe erreicht wird, sowie der Wasser- und der Nährstoffgehalt für die Fermentation durch dieses Einmischen voreingestellt wird. Somit muss beim Fermentationsprozess nur die entstehende Wärme abgeführt werden.

Berechnete Massenströme für Zuckerrüben

Die im Produktionsprozess auftretenden Masseströme (siehe Tabelle 10) sind auf der Grundlage der Angaben von Danisco Bioethanol GmbH aus Anklam für die in der Bioethanolproduktion vorkommenden Prozessmodule berechnet worden (siehe folgende Gleichungen). Gleichung 2: Zucker Gleichung 3: Zuckerrübenschnitzel

Zuc ker =

Gleichung 4: Dicksaft Gleichung 5: Ethanol

Dicksaft =

Gleichung 6: Vinasse

Vinasse =

Industrieanlagen 48

Die Masse des Brüdenkondensats mit einer Dichte von 1 kg pro dm ³ ist in dieser Diplomarbeit auf 48 kg pro Tonne Zuckerrüben kalkuliert worden. Sowie für die Dicksaftdichte eine Tonne pro m ³ angenommen wurde. Über die Massenströme in den Rührtank, in die Fermentation, Destillation und Rektifikation wurden von Danisco keine Angaben gemacht.

Tabelle 10: Massenströme und Prozessmodule für Zuckerrübe

(Tabelle nach http://www.zuckerruebe.nu/upl _material/bioe7.pdf, 15.01.2008 u. eigene Berechnungen)

Industrieanlagen 49

Anlage für Weizen

In Abbildung 20 ist ein Konzept aus dem Jahre 2006 für ein kontinuierliches Kaskadenverfahren aus der Bioethanolindustrie von KWST dargestellt. Dieses Verfahren ist für eine dezentralisierte Bioethanolproduktion in Kombination mit Biogas ausgelegt. Dieses Bioethanolproduktionsverfahren verfügt über

eine Jahreskapazität von 60.000 m ³ Ethanol die aus 170.000 Tonnen Weizen produziert werden (http://www.tutech.de/energy/cms/Content/download/fma _bioethanol_Wilkening_public _TuTech-KWST-03-11-06-rev.pdf, 15.01.2008).

Abbildung 20: KWST Kaskadenverfahren für Weizen

(Abbildung entnommen aus http://www.tutech.de/energy/cms/Content/download/fma_bioethanol

_Wilkening_public_TuTech-KWST-03-11-06-rev.pdf, 15.01.2008)

Industrieanlagen 50

Verfahrensdaten zur Weizenanlage

Bei einem Behältervolumen von 16.200 m ³ sind durch das Kaskadenverfahren für Weizen täglich 60 m ³ Ethanol produzierbar und es fallen 540 m ³ Schlempe an. Die Menge an produziertem Ethanol und Schlempe steigt linear mit dem Behältervolumen an. Die Maische enthält bis zu 10 % Ethanol und verbleibt 30 Tage in den Fermentern. Die aus der Destillationskolonne austretende Rohschlempe wird durch einen Dekanter, der für eine kontinuierliche Trennung schwererer Feststoffe aus einer leichteren Flüssigkeit ausgelegt ist, aufkonzentriert. Die Feststoffe aus der Rohschlempe mit einem Trockensubstanzanteil von 25 bis 30 % werden von der Flüssigphase abgetrennt und gepresst. Die Flüssigphase wird in einem Wasserverdunstungsprozess (Evaporation) mit Dampf auf 60 bis 70 % Trockensubstanz eingedickt. Das Kondensat wird als Prozesswasser bei der Einmaischung wieder eingesetzt. Somit fällt in der Regel kaum Abwasser an. Zur Herstellung von Dried Grains with Solubles (DDGS) mit der anfallenden Rohschlempe aus der Destillation werden der Dekanterkuchen und die aufkonzentrierte Flüssigphase gemischt und in einer Trockentrommel auf einen Trockensubstanzgehalt von 90 % aufgetrocknet. DDGS ist sehr proteinhaltig und kann somit als ein wertvolles Tierfutter verwendet werden (Schmitz N., 2003, S. 79f).

Berechnete Massenströme für Weizen

Die berechneten Masseströme sind auf der Grundlage der Angaben von KWST und Schmitz N. (2003, S. 79f) für die im Bioethanolproduktionsprozess vorkommenden Prozessmodule berechnet worden (siehe Tabelle 11).

Bei der Zerkleinerung von Weizen in einer Mühle beträgt die Gesamtausbeute an Mehl 78 bis 80%. Die weiteren Zerkleinerungsprodukte sind das bis zu 1 bis 2% anfallende Nachmehl, das bis zu 4% auftretende Futtermehl und die bis zu 4% vorkommende Griesskleie. Ebenso fallen etwa 10 bis 12% grobe Kleie an. Das gemahlene Gut fällt in einer Hammermühle durch einen Rost in unteren Prallraum, wodurch das Zerkleinerungsgut nach seinem Zerkleinerungsgrad abgetrennt werden kann (Kurzhals H. et al., 2003, S. 753ff). Zur Berechung der Kleiemenge siehe Gleichung 7 wurde in dieser Diplomarbeit ein Kleieanteil nach der Zerkleinerung von 12% angenommen. Gleichung 7: Kleie

W t kg W kg Kleie / 120 12 , 0 * 1000 = =

Aus dem Ethanolgehalt der Maische mit 10 % ist die Masse der Maische aus der bekannten Ethanolmenge von 278,47 kg pro Tonne Weizen berechnet worden (siehe Gleichung 8). Gleichung 8: Maische

W t kg W t kg Maische / 70 , 2784 10 * / 47 , 278 = =

Industrieanlagen 51

Nach den Angaben von Schmitz, 2003, S. 79f beläuft sich das Ethanol-Schlempe-Verhältnis auf 1 zu 9. Mit diesem Verhältnis ist die zur Trocknung anfallende Rohschlempemasse berechnet worden (siehe Gleichung 9). Gleichung 9: Rohschlempe

W t kg W t kg e Rohschlemp / 23 , 2506 9 * / 47 , 278 = =

Die Masse an DDGS aus einer Tonne Weizen ist mit einem Trockensubstanzanteil von 25 % und einem Wasseranteil von 10 % aus der Rohschlempemasse berechnet worden siehe Gleichung 10. Gleichung 10: DDGS

W t kg W t kg DDGS / 18 , 877 35 , 0 * / 23 , 2506 = =

Das von KWST verwendete Wilkening-Verfahren sieht eine Abtrennung der Kleie vom Weizen nach der Zerkleinerung vor. Die abgetrennte Kleie wird mit dem DDGS vermischt und als Tierfutter verkauft (Schnitz, 2005, S. 86). Weitere Angaben über die Massenströme können im Rahmen dieser Diplomarbeit nicht gemacht werden. Prozessmodule, über die keine Mengenangaben getroffen werden können, sind in Tabelle 11 nicht aufgeführt.

Tabelle 11: Massenströme und Prozessmodule für Weizen

(Tabelle nach http://www.tutech.de/energy/cms/Content/download/fma _bioethanol_Wilkening_public _TuTech-KWST-03-11-06-rev.pdf, 15.01.2008; Schmitz N., 2003, S. 79ff u. eigene Berechnungen)

5.3 Ethanol-Wasser-Trennung

Nachdem in der Maische ein Grossteil der vergärbaren Substrate durch die Hefen vergärt worden sind, muss der Alkohol von dem Rest der Maische abgetrennt werden. Dazu wird die Maische zunächst destilliert und dann erfolgt eine Rektifikation des Destillates. Zur weiteren Ethanolaufkonzentrierung kann eine Absolutierung verwendet werden. Aus der Maischedestillation in einfachen kontinuierlichen Maischedestillationskolonnen lässt sich der Rohalkohol mit einer Alkoholkonzentration von 82 bis 87 Vol.-% gewinnen. Die weitere Aufkonzentrierung und Reinigung des Destillationsproduktes erfolgt durch eine Rektifikation bis zu einer Konzentration von 96 Vol.-% Alkohol.

Destillation Rektifikation 52

Um Ethanol für technische und auch für andere Zwecke einsetzen zu können muss, das rektifizierte Destillat einer Absolutierung unterzogen werden. Der aufkonzentrierte Alkohol enthält weniger als 0,3 Vol.-% Wasser (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 618).

5.3.1 Destillation und Rektifikation

Destillation

Nach den Angaben von Kaltschmidt M. u. Hartmann H. (2001, S. 618ff) kann die Destillation des Ethanols aus der Maische als eine Destillation eines Ethanol-Wasser-Gemisches betrachtet werden. Die Siedetemperatur dieses Gemisches liegt zwischen dem Siedepunkt von Wasser (100°C) und dem von Ethanol (78,3°C). Die Siedetemperatur nährt sich dem Wert der Mischungskomponente an, welche zu einem höheren Anteil in der Mischung vorliegt. Die am Siedepunkt vorliegende Dampfphase weist einen höheren Anteil an Ethanol auf als die entsprechende flüssige Phase. Kenntlich gemacht wird dies durch den Verstärkungsfaktor. Definiert ist dieser als die Alkoholkonzentration in Gew.-% im Dampf im Bezug auf die entsprechende Alkoholkonzentration in Gew.-% in der siedenden Flüssigkeit. Die Alkoholkonzentration reichert sich im Dampf an solange der Verstärkungsfaktor grösser als 1 ist. Der Verstärkungsfaktor verkleinert sich bei Alkohol-Wasser-Gemischen mit zunehmender

Alkoholkonzentration, bis der Wert 1 erreicht ist. Bei diesem Wert liegt ein azeotropes Gemisch vor d. h. die Flüssige- und die Dampfphase haben am Siedepunkt dieselbe Alkoholkonzentration. Diese Konzentration ist bei 95,57 Gew.-% Alkohol erreicht. Das Alkohol-Wasser-Gemisch kann durch eine Destillation nicht weiter aufkonzentriert werden. Aus diesem Grund sind für die Destillation von Alkohol-Wasser-Gemischen mehrere Destillationsschritte in einer Destillationskolonne notwendig.

Weitere mitverdampfende Komponenten aus der Maische, die sich stärker oder schwächer als Ethanol im Dampf anreichern, weisen damit Vorlauf- oder Nachlaufcharakter auf. Fuselöle sind höhere Alkohole, die in Abhängigkeit von der Alkoholkonzentration Vorlauf- oder Nachlaufcharakter aufweisen. Bei einem etwa 40%igen Alkoholgemisch weisen die Fuselöle gleiches Verhalten auf wie der Alkohol selbst. Aufgrund dessen reichern sich die Fuselöle auf den Böden, die eine Konzentration von 40% Alkohol aufweisen, bei einer kontinuierlichen Destillation an und können so gezielt entfernt werden. Damit mit einer Rohalkoholkolonne (siehe Abbildung 21) Alkoholkonzentrationen von 82 bis 87 Vol.-% erreicht werden können, setzt sich eine solche kontinuierlich arbeitende Destillationskolonne wie folgt zusammen:

• Maischekolonne dient der Entalkoholisierung der vergorenen Maische und ist in der Regel mit 13 bis 15 Glockenböden ausgestattet

• Die Verstärkerkolonne ist mit weiteren 4 bis 6 Glockenböden ausgestattet, damit die aufsteigenden alkoholischen Dämpfe bis zur gewünschten Konzentration angereichert werden

Destillation Rektifikation 53

• Der Dephlegmator dient zur Teilkonzentration der aufsteigenden angereicherten alkoholischen Dämpfe. Hier wird die Aufkonzentrierung des Alkohols erst möglich gemacht, indem das hier anfallende Kondensat in die Kolonne zurückfliest

• Im Kühler werden die alkoholischen Dämpfe vollständig kondensiert und der gewonnene Alkohol wird auf unter 20°C abgekühlt

Die Erhitzung der Maischekolonne kann durch direktes einleiten von Dampf in den Kolonnensumpf oder durch den Einbau eines Heizregisters in den Kolonnensumpf bewerkstelligt werden. Die Kolonnen sind mit Glockenböden in einem vertikalen Abstand von 300 mm ausgestaltet. Bei Maischekolonnen bis zu einem Durchmesser von etwa 800 mm ist eine zentral eingefügte Glocke ausreichend. Ab einem Kolonnendurchmesser von 1 m sind mehre Glocken erforderlich, um die auf den Böden befindliche Maische gleichmässig am Sieden zu halten. In der Verstärkerzone sind auch in der Regel Glockeböden mit einem Abstand von 200 mm vorhanden. Es muss vermieden werden, dass Schaum oder Maische in den Verstärkerteil aus der Maischekolonne gelangen kann. Dazu werden die beiden Kolonnenabschnitte durch einen grösseren Abstand voneinander getrennt und die Böden mit Schaugläsern zur visuellen Überwachung ausgestattet.

Im Dephlegmator kondensiert ein Teil der Dämpfe aus dem Verstärkerteil. Dadurch kommt es zu einer weiteren Erhöhung an Alkohol im Dampf. Das dabei gebildete wasserreichere Kondensat fliesst in den Verstärkerteil zurück und kommt in den Glockenböden mit dem aufsteigenden Dampft in Kontakt. Es kommt zu einer weiteren Anreicherung der Alkoholkonzentration im Dampf, bedingt durch den intensiven Wärme- und Stoffaustausch zwischen dem aufsteigendem Dampf und der abfliessenden Flüssigkeit in der Kolonne. Der Dephlegmator dient bei neueren Anlagen auch als Wärmetauscher. Die fermentierte Maische wird in Doppelschlangen durch den Kopfraum geführt, um die für die Teilkondensation erforderliche Kühlung zu erwirken und um selbst durch die Aufnahme der Kondensationswärme für die sich anschliessende Destillation erwärmt zu werden. Die erhitzte Maische verläst den Dephlegmator und wird in den obersten Boden der Maischekolonne eingeführt. Bei ihrem Abfluss in den Kolonnensumpf verdampft der Alkohol auf den Glockenböden und der aufsteigende alkoholische Dampf wird im Verstärkerteil und durch das Einwirken des Dephlegmators weiter aufkonzentriert. Der Wasserbehälter im Dephlegmator dient der Notkühlung, falls die Kühlung durch die Maische nicht ausreicht. Eine Notkühlung ist notwendig, wenn die Maische schlecht vergoren ist und sich dadurch ein geringer Ethanolgehalt in ihr befindet. Die alkoholischen Dämpfe, die aus dem Dephlegmator oben austreten, werden in einem Kühler kondensiert und auf unter 20°C abgekühlt und als Rohalkohol gelagert (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 618ff).

Destillation Rektifikation 54

Rektifikation

Rektifikation ist ein mehrfaches Destillieren. Dabei werden Dampf und Flüssigkeit im Gegenstrom geführt und beide Phasen sind im direkten Kontakt miteinander. Es wird so ein Stoff- und Energieaustausch ermöglicht. Eine kontinuierliche Rektifizierkolonne besitzt deshalb einen oder mehre Zuläufe und am unteren Säulenende befindet sich ein Verdampfer, welcher die nach oben strömende Dampfmenge erzeugt. Am oberen Teil der Kolonne tritt der Dampf aus, der zum Teil kondensiert und als Rückfluss in die Säule zurückfliest. Der restliche Teil wird als dampfförmiges oder flüssiges Destillat gewonnen. Aus dem Verdampfer wird das flüssige Sumpfprodukt abgezogen (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 622).

Abbildung 21: Rohalkoholkolonne

(Graphik entnommen aus Kaltschmitt M. u. Hartmann H., 2001, S. 621)

Destillation Rektifikation 55

Alkohol aus Rohalkohol

Die einfachste Möglichkeit der Rektifikation von Rohalkohol ist die absatzweise Rektifikation in aus Kupfer hergestellten Blasenapparaten. Der Rohalkohol wird in der Rektifizierblase auf einen Alkoholgehalt von etwa 40 Vol.-% mit Wasser verdünnt. Über dem Boden der Rektifizierblase sind Heizschlangen zur Erhitzung des Ethanol-Wasser-Gemisches installiert und es wird der Druck und die Temperatur in der Blase überwacht. Damit diese Rektifikation eine hohe Effizienz aufweist, ist eine sehr genaue Regelung des Druckes und des Rückflusses von Dampf und Kühlwasser erforderlich. Genauso genau muss die Durchflussregelung der Rückflussmenge und die Menge des entnommen Produktes ausgelegt sein, da das Rückflussverhältnis die Effizienz der Rektifikation entscheidend beeinflusst. Damit eine Alkoholkonzentration von mindestens 94 Vol.-% erreicht werden kann, ist die Rektifizierkolonne aus mindestens 45 Siebböden aufgebaut. In der Praxis ist die Auslegung des Aufbaues der Rektifikationsanlage sehr unterschiedlich. Die Rektifizierkolonne kann direkt auf der Blase aufgesetzt oder selbststehend neben der Blase angeordnet sein (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 622f).

Alkohol aus Maische

Die Trennung durch Destillation und Rektifikation beinhaltet auch einen hohen Energieverbrauch. Deswegen ist man bei grösseren Anlagenkapazitäten dazu übergegangen diese beiden Verfahren zu einer kontinuierlich arbeitenden Anlage zu kombinieren (siehe Abbildung 22).

Abbildung 22: Modernes Trennungsverfahren (starke Vereinfachung)

(Graphik entnommen aus Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 626)

Destillation Rektifikation 56

Die moderne Technik bietet Anlagekonzepte an, die auf einer energetischen Koppelung der Kolonnensysteme basieren. Es werden die einzelnen Säulen bei unterschiedlichen Drücken betrieben sowie der Wärmefluss innerhalb der Kolonnen geregelt ist. Wie aus der Abbildung 22 zu entnehmen ist, wird die Rektifizierkolonne von der Methanolkolonne beheizt und die Maischekolonne, welche im Vakuum arbeitet, wiederum von der Rektifizierkolonne. Die Vorlauf- bzw. Nachlaufkolonne wird von der Hydroselektionskolonne beheizt. In die Hydroselektionskolonne werden die aus der Maische gewonnen alkoholischen Dämpfe eingeleitet und die Alkoholkonzentration wird auf unter 40 Vol.-% herabgesetzt. Damit wird die Abtrennung von Vorlauf- und Fuselkomponenten ermöglicht. Dieser vorgereinigte Alkohol wird nun der Rektifikationskolonne zugeführt und dort weitgehend bis zum Azeotrop aufgereinigt. Die Schlussreinigung findet in der Methanolkolonne statt. Der Energieverbrauch dieser mehrstufigen Druckdestillation und Rektifikation liegt nur noch bei 2,5 kg Dampf bei 6 bar pro Liter Alkohol. Der Energieverbrauch konventioneller grosstechnischer Destillier- und Rektifizierverfahren liegt bei etwa 5,6 kg Dampf bei 6 bar pro Liter Alkohol (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 624f).

5.3.2 Absolutierung und Filtration

Eine Absolutierung kann durch die Schleppmitteldestillation, Membran- oder durch Molekularsiebverfahren erfolgen. In dieser Diplomarbeit wird nur das Molekularsiebverfahren mit Zeolithe ausführlich betrachtet. Da dieses Verfahren in der Industrie verwendet wird und weniger Energie benötigt wird als beim Schleppmittelverfahren.

Schleppmittelverfahren

Das Schleppmittelverfahren ist das älteste Verfahren, welches heute noch verwendet wird. Bei diesem Verfahren wird ein Schleppmittel eingesetzt. In der Regel handelt es sich um Cyclohexan aber auch Benzol oder Glykol werden eingesetzt. In einem Kolonnensystem wird das Ethanolschleppmittelwassergemisch durch Destillation getrennt. Das Ethanol wird im unteren Teil abgezogen, das Schleppmittelwassergemisch entweicht der Kolonne dampfförmig und wird anschließend kondensiert. In einem Dekanter wird das Kondensat getrennt. Die obere Phase enthält das Schleppmittel, das dem Destillationsprozess wieder zugeführt werden kann. In der unteren Phase befindet sich vorwiegend Wasser und Spuren vom Schleppmittel und Ethanol, welches in einer weiteren Kolonne konzentriert wird (Schmitz N., 2003, S. 76).

Destillation Rektifikation 57

Membranverfahren

Dieses Verfahren hat sich aufgrund der teuren Membranen und ihrer geringen Lebensdauer sich nicht durchsetzten können. Obgleich dieses Pervaporationsverfahren, was eine Verdampfung durch eine Membran ist auch einige Vorteile hat. Sehr geeignet ist es bei der Ethanol-Wasser-Trennung im oberen Konzentrationsbereich zur Absolutierung (Schmitz N., 2003, S. 77).

Molekularsiebverfahren

In vielen Neuanlagen wird das Molekularsiebverfahren verwendet und ist bei der Entwässerung von Gasen bereits seit Jahrzehnten im Gebrauch. Auf dem Grundprinzip der Adsorption an einer Zeolithenschüttung baut dieses Verfahren auf. Zeolithen sind synthetische kristalline Aluminiumsilikate, welche unter bestimmten Bedingungen selektiv kleinere Moleküle in ihre sehr feinen Poren mit einer Größe von 0,3 nm reversibel anlagern, wobei größere Moleküle nicht festgehalten werden können. Das Ethanol-Wasser-Gemisch wird im dampfförmigen Zustand komprimiert und durch das Molekularsiebbett gedrückt. Dabei lagern sich die kleinen Wassermoleküle in den Poren durch Adsorption an. Die größeren Ethanolmoleküle gehen ungehindert durch die Zeolithschüttung und werden anschließend zu entwässertem Ethanol mit einem Wasseranteil von weniger als 500 ppm kondensiert.

Aufgrund der begrenzten Porenzahl in der Schüttung sind nach etwa 5 bis 10 Minuten die Zeolithen mit Wasser so hoch beladen, dass das Wasser nicht mehr von Ethanol abgetrennt wird. Deshalb werden diese Anlagen in der Regel aus zwei Behältern oder Kolonnen aufgebaut. Damit in einem abwechselndem Rhythmus zwischen den beiden Kolonnen umgeschaltet werden kann und dabei immer eine Kolonne regeneriert wird. Während die andere wie beschrieben das Ethanol vom Wasser trennt. Im Regenerationsprozess wird die mit Wasser beladene Kolonne bzw. Zeolithschüttung mit auf ihr kondensierendem entwässertem Ethanol Dampf behandelt, was zu einem Absinken des Wasserpartialdruckes führt und diesen aus der Zeolithschüttung löst. Das Wasser wird mit dem entwässerten Ethanol aus der Kolonne ausgespült.

Das nun wasserhaltige Ethanol kann erneut dem Rektifikationsprozess zurückgeführt oder in einer separaten Verstärkungsanlage wieder aufgearbeitet werden. Vorteile dieses Verfahrens sind die geringen Betriebskosten durch den niederen Verbrauch an Energie und Schleppmittel, relativ hohe Unempfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen im Ethanol sowie hohe Flexibilität beim Wassergehalt des zu entwässernden Ethanols und kein Auftreten von Schleppmittelspuren im Produkt. Von Nachteil sind die relativ hohen Investitionskosten. Dabei fallen die Kosten für die Füllung besonders ins Gewicht. Dem steht aber die nach bisherigen Erfahrungen hohe Lebensdauer entgegen (Schmitz N., 2003, S. 78).

Ethanol Lagerung Transport 58

5.3.3 Lagerung und Transport des Ethanol

Grundlegendes zur Lagerung brennbarer Flüssigkeiten

Die Lagerung brennbarer Flüssigkeiten ist in der Verordnung über brennbare Flüssigkeiten (VbF BGBl. 240/1991) geregelt. Diese Verordnung gilt für die Lagerung oder Abfüllung brennbarer Flüssigkeiten in:

• Gewerblichen Betriebsanlagen

• Genehmigungspflichtigen Eisenbahnanlagen und Rohrleitungsanlagen

• Betriebsanlagen auf Zivilflugplätzen

• Apotheken

• Bewilligungspflichtigen Betrieben nach dem ArbeitnehmerInnenschutzgesetz (z.B. Krankenanstalten)

Definition

Brennbare Flüssigkeiten im Sinne dieser Verordnung sind Flüssigkeiten mit einem Flammpunkt von nicht höher als 100 °C und einem Dampfdruck bei 50 °C von nicht mehr als 3 bar.

Einteilung

Ethanol ist der Gruppe B Gefahrenklasse 1 in der Verordnung über brennbare Flüssigkeiten zuzuordnen. Darin ist Ethanol als ein leicht entzündlicher Gefahrenstoff festgelegt worden. Laut der Verordnung über brennbare Flüssigkeiten sind brennbare Flüssigkeiten der Gruppe B Flüssigkeiten, die selbst oder deren brennbare Bestandteile bei 15 °C in jedem beliebigen Verhältnis mit Wasser mischbar sind. Von diesen Flüssigkeiten fallen unter die

Gefahrenklasse I: Flüssigkeiten mit einem Flammpunkt unter 21 °C (leicht entzündlich), Gefahrenklasse II: Flüssigkeiten mit einem Flammpunkt von 21 °C bis einschließlich 55 °C (entzündlich) (http://www.arbeitsinspektion.gv.at/AI/Arbeitsstoffe/explosionsgefaehrliche/brand_030.htm, 17.12.2007).

Lagerung und Transport

Ethanol ist in Behältern aus Stahl unbegrenzt lagerfähig. Ethanol kann in Eisenbahnkesselwagen, Straßentankfahrzeugen, Fässern und Kanistern versandt werden. Für den Export kommen ebenfalls Container und Fässer zum Einsatz. Für die Lagerung und für den Transport müssen die Verpackungs-, Kennzeichnungs- und Beförderungsvorschriften beachtet werden (siehe Tabelle 12; http://www.kwst.com /prodinfo.html, 17.12.2007).

Anlagenkonzepte 59

Tabelle 12: Kennzeichnungs- Beförderungsvorschriften Ethanol

(Tabelle entnommen aus http://www.kwst.com/prodinfo.html, 17.12.2007)

6 ANLAGENKONZEPTE ZUR ENERGIEGEWINNUNG

6.1 Wirkungsgrade von Heizwerken und Heizkraftwerken

Der Wirkungsgrad ή einer Feuerungsanlage sagt aus, wie hoch die gesamten Betriebsverluste einer Feuerungsanlage sind. Verluste treten durch Rauchgase, Abstrahlung und unverbrannte Rückstände auf. Die Verluste durch Kesselstillstandzeiten, Wärmespeicher und die bei der Wärmeverteilung anfallenden Verluste werden in dieser Diplomarbeit nicht berücksichtigt. Die Verbrennung von flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen (Heizöl, Erdgas) ist mit einem geringeren Wärmeverlust verbunden als die Verbrennung von Festbrennstoffen (Strohballen, Strohpelets, Braunkohle). Der höhere Gesamtwirkungsgrad der flüssigen und gasförmigen Brennstoffe ist damit zu begründen, dass Festbrennstoffe bei höherem Luftüberschuss verbrannt werden sowie sie auch oft unvollständig verbrennen, mit dem daraus resultierenden höheren Verlusten im Rauchgas und durch unverbrannte Gase. Auch die auftretenden Strahlungs- und Konvektionsverluste sind bei den Festbrennstoffen grösser. Da diese eine geringere Energiedichte aufweisen und somit bei gleicher Energieleistung wie die flüssigen oder gasförmigen Brennstoffe grössere Brennstoffmassen eingesetzt werden müssen. Damit müssen für die Festbrennstoffe grössere Brennkessel zur Verbrennung verwendet werden. Zusätzliche Verluste bei der Feststoffverbrennung bestehen aus den unverbrannten Rückständen und der mit der heissen Asche ausgetragenen Wärmeenergie. Durch den geringeren apparativen Aufbau der flüssigen und gasförmigen Verbrennungsanlagen ist auch der Netzstrombedarf geringer als der der Feststoffverbrennungsanlagen. Es werden bei vergleichbarer Wärmeleistung keine Brennstoffaufbreitung (Strohpellets) und kein Ascheaustrag benötigt. Ebenso ist die Brennstoffbeschickung und die Verbrennungsluftzufuhr geringer bei flüssigen und gasförmigen Verbrennungsanlagen als bei den Feststoffverbrennungsanlagen (Kaltschmitt M. u. Reinhardt G., 1997, S. 249f).

Anlagenkonzepte 60

6.2 Anlagenkonzepte und energetische Kenngrössen

Biomassefeuerung in Heizwerken

In Heizwerken werden die Brennstoffe zur Wärmegewinnung verbrannt. Die gewonnene Wärme wird für Produktionsprozesse eingesetzt. Als Brennstoffe kommen unterschiedliche energiereiche Biomassen infrage. Vom Einsatz der Brennstoffe ist auch die Feuerungstechnik abhängig. Querballen aus Weizenstroh können im Zigarrenbrenner verbrannt werden. Zu den energetischen Kenngrössen von Heizwerkanlagen mit Feuerungstechnik siehe Tabelle 13.

Biomassefeuerung in Heizkraftwerke

In Heizkraftwerken wird Wärme und Strom durch die Verbrennung von unterschiedlichen Biomassebrennstoffen erzeugt. Die Stromerzeugung kann mit Gas- oder Dampfturbinen durchgeführt werden. Dampfturbinen werden im Gegendruckbetrieb geführt und es wird angenommen, dass ein festes Verhältnis bei der Wärme- und Stromerzeugung vorliegt. Der benötigte Strom für das Heizkraftwerk wird durch den selbst produzierten Strom gedeckt. Überschüsse werden in das öffentliche Netz eingespeist. Der feuerungstechnische Aufbau eines Heizkraftwerkes ist auch wie bei den Heizwerken vom eingesetzten Brennstoff abhängig (siehe Tabelle 13).

Feuerungen für Bioenergieträger

Die in den Lebenswegen der Zuckerrüben anfallenden Koppelprodukte wie Zuckerrübenschnitzel oder das aus den Zuckerrübenschnitzel gewonnene Biogas kann in mit unterschiedlicher Feuerungstechnik in Heizwerken, Kraftwerken oder in Heizkraftwerken verbrannt werden. Bei der gemischten Brennstoffnutzung aus Zuckerrübenschnitzel und Steinkohle im Kraftwerk oder Heizkraftwerk darf aller Voraussicht nach der Biomasseanteil nicht höher als 5 bis 10% sein. Sonst könnte es zu Störungen im Betrieb oder bei der Abgasreinigung kommen. Es werden folgende Anlagekonzepte unterschieden:

• Zuckerrübenschnitzel Mitverbrennung in einem Steinkohlewerk mit Staubfeuerung mit einem elektrischen Energiegehalt von etwa 380 MW el

• Als Alternative können Zuckerrübenschnitzel in einem Steinkohleheizkraftwerk mit Wanderrostfeuerung bei einem thermischen Wärmegewinn von 100 MW th mit verbrannt werden

• Biogas kann in bestehenden fossilen Industriefeuerungsanlagen zugefeuert werden. Der Wirkungsgrad dieser Verbrennung entspricht näherungsweise der Verbrennung in der Industrie- feuerung (Kenndaten dieser Anlagenkonzepte siehe Tabelle 13)

Anlagenkonzepte 61

Fossile Industriefeuerungen für die Ethanolproduktion

Die in Tabelle 13 aufgeführten Anlagekonzepte mit den dazu gehörenden Feuerungstechniken für die fossilen Industriefeuerungsanlagen zur Ethanolproduktion werden zur Deckung der Prozesswärme und der elektrischen Energie verwendet. Es können für diese Industriefeuerungsanlagen flüssige, gasförmige und feste, fossile Energieträger mit unterschiedlichen elektrischen und thermischen Wirkungsgraden verwendet werden (Kaltschmitt M. u. Reinhardt G., 1997, S. 250ff). Es sind drei unterschiedliche Energieversorgungskonzepte untersucht worden:

• Beim ersten Konzept geht man von der Ethanolgewinnung in Verbindung mit der Zuckerproduktion und einer Hochtemperaturschnitzeltrocknung aus. Dieser Trocknungsprozess findet durch ein Heizwerk mit Dampfturbine statt, welches mit dem Energieträger Heizöl S (Schweröl) befeuert wird und eine thermische Energie von 35 MW th liefert. Der weitere Bedarf an Wärme-und Elektrischenergie in der Zucker- und Ethanolproduktion wird mit einem Heizkraftwerk mit Dampfturbine das etwa 100 MW th thermische Energie bereitstellt und Strom liefert versorgt. Als fossile Brennstoffe werden hier Erdgas, Heizöl S und Steinkohle eingesetzt (siehe Tabelle 13). Es werden die veröffentlichten Gesamtwirkungsgrade, der Zuckerindustrie die im Durchschnitt bei 89% liegen, zugrunde gelegt (Schliephake et al., 1992; Valentin, 1993, zit. n. Kalschmitt M. u. Reinhardt G., 1997, S. 252). Für die Steinkohle wird ein geringerer Gesamtwirkungsgrad von 86% und für Erdgas ein etwas höherer von 91% angenommen. Genehmigt werden diese Anlagen nach der TA-Luft (Zuckerrübentrocknungsanlagen)

• Das zweite Ethanolproduktionskonzept ist für eine Verbindung mit einer Zuckerfabrik mit Verdampfungstrocknung ausgelegt. Der Strom- und Wärmebedarf wird mithilfe einer Gasturbine mit Zusatzfeuerung gedeckt. Der Brennstoff ist Erdgas und es wird eine thermische Energie von etwa 20 MW th gewonnen (weitere Kenndaten siehe Tabelle 13; Austermeyer, 1988; Wenzel, 1990; Buschmann, 1992; Valentin, 1993, zit. n. Kalschmitt M. u. Reinhardt G., 1997, S. 252)

• Weiterhin wird ein weiters Heizkraftwerk mit Dampfturbine und den Brennstoffen Erdgas, Heizöl S und Steinkohle mit einer thermischen Energie von 60 MW th eingesetzt. Die Kenndaten des Heizkraftwerks mit einer Dampfturbine mit 60 MW th entsprechen denen mit 100 MW th . Es gilt bei diesen möglichen Ethanolproduktionskonzepten die GFAVO

• Das dritte Ethanolproduktionskonzept ist nur für eine separate Ethanolanlage, die Ethanol aus Weizen und Kartoffeln produziert, ausgelegt. Die Strom- und Wärmeerzeugung erfolgt durch ein Heizkraftwerk mit einem Gebläsebrenner und Gasturbine mit einer thermischen Energiemenge von 20 MW th . Brennstoffe sind Erdgas und Heizöl L (Kenndaten siehe Tabelle 13; ASUE, 1996, zit. n. Kalschmitt M. u. Reinhardt G., 1997, S. 252f). Zusätzliche Wärme wird durch Heizwerke mit Gebläsebrenner und einer thermischen Energiemenge von 10MW th geliefert. Diese Anlagen müssen nach der TA-Luft genehmigt werden (Kaltschmitt M. u. Reinhardt G., 1997, S. 252f)

Biogas 62

Tabelle 13: Energietische Kenngrössen für Feuerungsanlagen

(Tabelle nach Kaltschmitt M. u. Reinhardt G., 1997, S. 253ff)

^a Gasturbine mit Zusatzfeuerung, ^b ή el Netto Stromerzeugung, ^c Strom Netzstrombezug in % BE

6.3 Erzeugung von Biogas Methan

Das Biogas Methan (CH 4 ) wird in dieser Diplomarbeit in einem Fermentationsprozess aus den zerkleinerten, einsilierten ZRS-Presskuchen und aus dem verbleibenden Brüden aus der Vinassetrocknung gewonnen.

Anaerober Gärungsprozess

Der Abbau von polymeren, organischen Molekülen wie Eiweiß, Fett, Kohlenhydrate u. a. zu Methan wird durch verschiedene Bakteriengruppen katalysiert. Nicht abbaubar für diese Bakterien ist das in der Trockenmasse vorkommende und das nicht zu den Zellulosebestandeilen gehörende Lignin (vgl. Kapitel 4.2, S. 28 der vorliegenden Arbeit). Die für die Methanproduktion eingesetzten Bakteriengruppen, die im meso- und thermophilen Bereich ihr Temperaturoptimum haben, produzieren durch ihren Metabolismus keine verfahrenstechnisch nutzbare Wärme. Diese Bakterien leben in einer Symbiose und jede Gruppe katalysiert einen Teilabschnitt des Substratabbaus zu Methan (siehe Abbildung 23).

Biogas 63

Der von den unterschiedlichen Bakteriengruppen vollzogene anaerobe fermentative Abbauprozess kann in 4 Abschnitte unterteilen werden, welche wie folgt beschrieben sind:

• Durch die Bakteriengruppe, welche eine hydrolytische Aktivität besitzt, werden die polymeren, organischen Moleküle Eiweiß, Kohlenhydrate und Fette in niedermolekulare Verbindungen wie Aminosäuren, Monosaccharide und Fettsäuren gespalten

• Bei der Säurebildung durch fermentative Bakterien werden diese einfachen organischen Moleküle als Substrate verwendet. Dabei entsteht durch ihren Metabolismus in Abhängigkeit vom Wasserstoffpartialdruck bei niederem Druck Essigsäure. Ein hoher Wasserstoffpartialdruck bewirkt die Bildung von Propion-, Butter-, Milchsäure und Ethanol

• Im dritten Abschnitt des Fermentationsprozesses, der Acetatbildung, werden durch Essigsäure bildende Bakterien aus den Produkten des zweiten Abschnittes Substrate für die Methan bildenden Bakterien erzeugt. Zu diesen Substraten gehören Essigsäure (C 2 H 5 OH), Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) und Wasserstoff (H 2 ). Vom Wasserstoffpartialdruck ist es abhängig, ob diese Bakterien Propion-oder Buttersäure noch mit einem Energiegewinn in Essigsäure umwandeln können. Bei sehr niederem Wasserstoffpartialdruck ist das nicht mehr der Fall

• Im vierten Abschnitt wird Methan durch Methan bildende Bakterien produziert. Hierbei ist zu beachten, dass alle Methan bildenden Bakterien aus Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff Methan synthetisieren können. Der Anteil an Methan aus Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff beträgt im gesamten gebildeten Methanbiogas nur 30 %. Die restlichen 70 % werden aus Essigsäure gebildet, weil dieser Syntheseweg günstiger ist, als der erst benannte. Aus Essigsäure Methan zu bilden ist aber nicht für alle Methan bildenden Bakterien möglich (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 645f).

Biogas 64

Abbildung 23: Anaerober Abbau zu Methan

(Abbildung nach Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 646)

Die vier geschilderten Prozesse laufen synchron zueinander ab. Die Prozessgeschwindigkeit ist aber unterschiedlich und von limitierenden Faktoren abhängig. Die Hydrolyse ist bei Zellulose und Hemizellulose beinhaltenden Rohstoffen der geschwindigkeitsbestimmende Schritt, da diese Polysaccharide nur langsam von den entsprechenden Bakterien abgebaut werden. Etwa 90% der in den Rohstoffen vorhandenen Energie ist durch diesen Methanbildungsprozess im Methan konserviert (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 646f).

Biogas 65

Substrataufbereitung

Durch die Aufbereitung der Substrate werden sie den Bakterien für die biochemische Umwandlung zu Methan leichter zugänglich gemacht. Dazu können folgende verfahrenstechnische Schritte eingesetzt werden:

• Zwischenlagerung zum Ausgleich von Schwankungen bei der Anlieferung

• Abscheidung von Fett

• Aus nicht pumpfähigen, trockenen Substraten wird durch „Anmaischen“ eine pumpfähige Massen hergestellt

• Zerkleinerung von Substraten aus groben Partikeln

• Zusammenfügen von mehreren Substraten zu einem Mischsubstrat

• Hygienisierung des Substrates

• Erwärmung des Substrates z. B. durch eine aerobe Vorbehandlung

• Einstellung des pH-Wertes und Pufferung bei stark sauren Substarten

• Reduktion von Hemmstoffen durch chemische Verfahrenstechniken wie Ausfällen oder Skippen (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 658)

Aufbereitungsverfahren für flüssige und pastöse oder feste Substrate

Die Aufbereitung flüssiger Substrate beinhaltet das Abtrennen von nicht abbaubaren Feststoffen, wie z. B. Mineralien und Holz. Dadurch soll verhindert werden, dass das Fermentervolumen nicht unnötig reduziert wird und dass die Filterelemente nicht verstopfen. Damit eine kontinuierliche Beschickung des Gärbehälters gewährleistet werden kann ist bei unregelmäßig anfallendem flüssigem Substrat ein Puffertank notwendig. In diesem Pufferbehälter kann die Temperatur und der pH-Wert auf die optimalen Bedingungen für die Bakterien reguliert werden. Es können gegebenenfalls auch Nährstoffe zugegeben werden. Flüssig Substrate mit gelösten oder feinpartikulären Inhaltsstoffen können direkt in den Gärbehälter gegeben werden. Wenn sie einem hohen thermischen Verfahrensschritt ausgesetzt waren, kommt eine Vergärung mit thermophilen Bakterien infrage. Ein Hygienisierungsverfahren ist bei erhitzten, flüssigen Substraten nicht notwendig. Ein grundlegendes Aufbereitungsverfahren für feste oder pastöse Substrate ist die Zerkleinerung. Durch eine Zerquetschung und Zerfaserung des Substrates auf maximal 3 cm kann die spezifische Oberfläche für den bakteriellen Angriff ausreichend erhöht werden. Für die Zerkleinerung sollten um den Schwermetallabrieb zu reduzieren langsam laufende Apparate eingesetzt werden. Nach der Zerkleinerung folgt meist eine Absiebung des Zerkleinerungsgutes. Bei einer groben Nassvorzerkleinerung wird eine Feinzerkleinerung auf wenige Millimeter in schnell laufenden Schneidmühlen angeschlossen. Halbfeste pastöse Substrate werden gewöhnlich in einem Behälter mit Mixerpumpen vorbehandelt. Bei zellulosehaltigen Substraten kann ein Zelluloseaufschluss dem Gärprozess vorgeschaltet sein.

Biogas 66

Bei diesen Substraten ist die Hydrolyse der Zellulose der geschwindigkeitsbestimmende Schritt (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 659ff).

Bei der Verwendung von ZRS-Presskuchen als festes, pastöses Substrat ist durch das bei 74 °C thermische Extraktionsverfahren keine Hygienisierung notwendig (vgl. Kapitel 4.3, S. 29 der vorliegenden Arbeit). Vorraussetzung hierfür ist eine gute Betriebshygiene und eine gute Herstellungspraxis mit einem funktionierenden HACCP-Konzept sowie ein Qualitätsmanagementsystem.

Anforderung an den Gärbehälter

Der Gärbehälter und das mechanische Rührwerk müssen korrosionsbeständig sein. Es werden Gärbehälter aus den folgenden Materialien hergestellt. Kunststoffgärbehälter für kleine Anlagen,

Gärbehälter aus Holz für Anlagen mit Kapazitäten über 1000 m ³ und aus rostfreiem Stahl bei Anlagengrößen von 100 bis 500 m ³ . Zur Durchmischung kann z. B. ein Propellerrührwerk aus rostfreiem Stahl oder eine externe Rezirkulation eingesetzt werden. Des Weiteren sollten die folgenden Baukomponenten am Gärbehälter vorhanden sein:

• Gärbehälter muss gasdicht sein und einen Abzug für das gebildete Methan vorweisen

• Möglichkeit zum Beheizen des Gärgutes

• Rührvorrichtung oder Umwälzung des Substrates

• Vorrichtungen zum Rückhalt oder zur Rückführung von Biomasse in den Gärbehälter

• Sicherheitselemente Druck, Temperatur, Flammenquelle, elektrischer Funkenschutz (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2002, S. 662f).

Kenngrößen im Fermentationsprozess

Temperatur

Die Temperatur beim Fermentationsprozess richtet sich nach den für den Rohstoffabbauprozess eingesetzten Bakterien. Hierbei unterscheidet man zwischen psychrophilen Bakterien mit einem Temperaturoptimum von 25°C, mesophilen Bakterien (Temperaturoptimum bei 35 °C) und thermophile Bakterien (Temperaturoptimum bei etwa 57 °C). Für technische Abbauprozesse werden vorwiegend meso- oder thermophile Bakterien eingesetzt, da höhere Temperaturen generell schnelle Abbauzeiten bedeuten und auch oftmals Substrate mit einer hohen Temperatur anfallen z. B. Brüden. Bei höheren Temperaturen können andere Mikroorganismen, die den Fermentationsprozess stören, dezimiert werden. Die Vorteile der mesophlien und thermophilen Fermentation sind in Tabelle 14 aufgelistet (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 647).

Biogas 67

Tabelle 14: Vorteile der mesophilen und thermophilen Vergärung

(Tabelle nach Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 648)

pH-Wert

Der optimale pH-Wert für die Methanbildung liegt im neutralen Bereich von 7 bis 7,5. Gewöhnlich stellt sich dieser pH-Wert im Fermentationsprozess durch das selbstregulierende System der Bakteriengruppen ein. Das im Fermentationsverlauf gebildete CO 2 löst sich chemisch in der Substratlösung als Hydrogenkarbonat. Dies wirkt sich stark puffernd auf den Neutralbereich in Konzentrationen von 2,5 bis 5 g pro

dm ³ aus. Eine Konzentration von weniger als 1,5 g pro dm ³ führt zum Absinken des pH-Wertes und es besteht die Gefahr einer Übersäuerung.

Bei niederen pH-Werten sind die Methan bildenden Bakterien nicht mehr aktiv. Es kommt zu einer Anhäufung von gebildeten Säuren durch die bei bis zu einem pH-Wert von 4,5 noch aktiven hydrolytischen und Säure bildenden Bakterien. Ein Indikator für eine beginnende Übersäuerung ist das Ansteigen der Konzentration von Propionsäure. Dem kann durch eine Reduzierung oder Einstellung der Substratzufuhr für die hydrolytischen und Säure bildenden Bakterien entgegengewirkt werden. Im Fall einer starken Versäuerung, wenn die Zugabe von Kalk (CaCO 3 ) und anderen basischen Stoffen nicht ausreicht, muss der Inhalt aus dem Gärbehälter entleert und verworfen werden (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 648).

Weitere Faktoren

Niedere Redoxpotenziale sind für vegetative Methanbakterien erforderlich. Für Reinkulturen ist ein Redoxpotenzial von -300 bis -330 mV optimal. Um die im Gärbehälter oftmals vorkommenden hohen Redoxpotenziale mittels Oxidationsmittel zu senken, können Sauerstoff, Sulfate, Nitrate, Nitrite eingesetzt werden. Es sind verschiedene Stoffe bekannt, die eine hemmende Wirkung auf den Gärprozess haben. Wie sich die Hemmstoffe auswirken und in welchen Konzentrationen sie ihre Wirkung aufzeigen ist von den verwendeten Substraten, dem Fermentertyp, der Fahrweise und von den Wechselbeziehungen mit andren Inhaltsstoffen im Substrat abhängig.

Biogas 68

Da in dieser Diplomarbeit Substrate, die Nebenprodukte aus der Zuckerherstellung sind, wird von einer zu vernachlässigenden Substratbelastung mit Hemmstoffen aus Ammonium- und Schwefelverbindungen, petrochemischen Produkten, Desinfektionsmittel und Antibiotika, Schwermetallen, chlorierte Verbindungen, Ethen und Terpen, Formaldehyd und Cyamid ausgegangen.

Zu den Hemmstoffen, die beim Substrateinsatz aus der Zuckerherstellung in Betracht kommen können, zählen Mineralien wie Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium, organische Verbindungen wie verzweigte und höhere Fettsäuren und aromatische Aminosäuren. Die Zugabe von Oxidationsmitteln wie Nitrat oder Nitrit fällt normalerweise nicht mit in die Hemmstoffbetrachtung mit ein, den sie werden gewöhnlich im anaeroben Milieu denitrifiziert. Wasserstoff und Kohlensäure kommen bei jeder Substratverwendung als Hemmstoffe in Betracht. Da sie wie in Abschnitt, anaerober Gärungsprozess geschildert, als Zwischenprodukte der Bakteriengruppen im gesamten Methan Fermentationsprozess auftreten. Ihre Hemmungsaktivität beschränkt sich aber auf den Abbau von Propionsäure und Propionat (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 648ff).

Covergärung im UASB-Reaktor

Für eine Covergärung von zerkleinertem ZRS-Presskuchen und Brüden eignet sich eine thermophile Fermentation in einem UASB-Reaktor. Die bei diesem Flüssiggärverfahren notwendigen Bakterienklümpchen bilden sich besonders gut in Flüssigkeiten, die viele Saccharide oder niedere Fettsäuren enthalten (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 669). Die Zuckerrübenschnitzel werden nach der Extraktion vom Extraktionswasser mit einer Schnitzelpresse befreit (siehe Abbildung 10) und haben daher einen hohen organischen Trockensubstanzanteil. Für den Einsatz als Methanfermentationssubstrat werden sie nach der Zerkleinerung durch ein Dreiwalzwerk mit den Brüden aus der Vinassetrocknung vermischt und in einem Einstufenprozess im UASB-Reaktor zu Biogas vergoren. Durch den Einsatz von thermophilen Bakterien kann die Wärmeenergie aus dem heißen Brüden genutzt werden. Die in Tabelle 15 aufgeführten Daten für die Belastung und Methanproduktion in kg OS beziehen sich bei Flüssigkeiten auf deren CSB-Wert in kg (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 673).

Tabelle 15: Abbauleistung von Praxisfermentern

(Tabelle entnommen aus Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 673)

Biogas 69

Biogasproduktion

In dieser Diplomarbeit kommt eine Biogaserzeugung aus den Zuckerrübenschnitzel bei zwei Zuckerrüben-Modellen vor. Bei allen Zuckerrüben-Modellen wird der ZRS-Presskuchen zur Konservierung einsiliert. Dazu wird er idealerweise ohne Hohlräume gleichmäßig in ein Silo aufgeschichtet. Die Milchsäurebildung tritt durch Milchsäurebakterien wie L. planatarum ein (Rehm H., 1980, S. 588).

Biogasproduktion verfahrenstechnische Faktoren

Folgende Prozessgrößen und Substrateigenschaften üben einen Einfluss auf die Biogaszusammensetzung aus:

• Substrate mit einem niederen Redoxpotenzial (z. B. Fette) weisen einen höheren und reineren Methangehalt im Biogas auf als Substrate mit einem hohen Redoxpotenzial wie Eiweise oder Kohlenhydrate. Das hohe Redoxpotenzial ist auf den intramolekularen Sauerstoffgehalt der Substratmoleküle zurückzuführen

• Je höher der Wassergehalt im Gärgut ist desto mehr CO 2 löst sich im Wasser und um so mehr Methan ist im Biogas vorhanden

• Die Gärtemperatur nimmt auf den in der Gärflüssigkeit gelösten CO 2 -Gehalt Einfluss. Je höher die Temperatur ist, desto niederer ist der CO 2 -Gehalt in der Flüssigkeit. Die Biogasmenge steigt infolge eines höheren CO 2 -Anteils im Biogas an

• Der Druck im Fermenter nimmt positiven Einfluss auf die CO 2 -Löslichkeit in der Gärflüssigkeit. Es kommt zu schon beschriebenen Biogasvorteilen

• Eine lange Gärzeit nimmt positiven Einfluss auf die produzierte Methanmenge. Die Methanproduktion nimmt bei einer abnehmenden Aktivität der CO 2 freisetzenden Hydrolyse expotentiell zu

• Durch eine homogene Substrat Animpfung kann der Gärprozess beschleunigt werden

• Eine Substrataufbereitung ermöglicht es den Bakterien ihre Nährstoffe besser und schneller aufzunehmen

• Eiweißreiche Substrate können zu hohen Ammoniumkonzentrationen führen. Ammonium steht in Abhängigkeit von Temperatur und dem pH-Wert im chemischen Gleichgewicht zu Ammoniak und Ammoniak übt eine toxische Wirkung auf Bakterien aus. Die Ammoniumkonzentration steigt mit der Temperatur und mit dem pH-Wert an (Kalschmitt M. u. Reinhardt G., 1997, S. 647ff).

Biogas 70

6.4 Inhaltesstoffe und Eigenschaften von Biogas

Wie in Tabelle 16 aufgelistet besteht Biogas aus bis zu 75 Vol.-% aus Methan. Die restlichen Inhaltstoffe des Biogases sind hauptsächlich Kohlenstoffdioxid und andere Spurengase. Aufgrund der ätzenden oder störenden Eigenschaften mancher Spurengase müssen diese aus dem Biogas entfernt werden. Zu diesem störenden Spurengas gehören Wasserdampf, Schwefelwasserstoff, Ammoniak und Kohlenstoffdioxid. Kondensierter Wasserdampf kann die Korrosion fördern und Leitungen verstopfen. Deswegen müssen Kondensatabscheider als tiefster Punkt im Leitungsnetz in das Leitungssystem eingebaut werden. Schwefelwasserstoff ist schon in Konzentrationen von bis zu 2000 ppm ätzend für Kupfer und Kupferverbindungen. Durch den Einsatz von korrosionsfreier Anlagentechnik wie Rohrleitungssysteme aus verzinkten Stahlrohren und Kaminsysteme aus rostfreiem Stahl oder Glas kann dem entgegengewirkt werden. Eine Konzentration von 1000 ppm ist für den Menschen tödlich. Durch die Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid im Kondensat bildet sich in diesem Kohlensäure. Für Verbrennungszwecke ist eine Eliminierung von Kohlenstoffdioxid aus dem Biogas im Allgemeinen nicht erforderlich. Für den Einsatz als Treibstoff für Automobile und zur Einspeisung in das Erdgasnetz muss es aus Gründen der Volumenreduktion entfernt werden.

Tabelle 16: Inhaltesstoffe Biogas im Durchschnitt

(Tabelle nach Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 676)

Die Biogasbildung findet vorzugsweise bei einem pH-Wert Bereich von 7 bis 7,6 statt. In diesem Bereich ist der Ammoniakgehalt im Biogas durch den pH-Wert beeinflussbar. Eine Erhöhung des pH-Wertes um wenige Zehnteleinheiten ruft eine signifikante Erhöhung des Ammoniakgehalts im Biogas hervor. Der in Tabelle 16 aufgeführte Stickstoffgehalt kann als Bestandteil der atmosphärischen Luft welche im Ausgangsmaterial vorhanden sein kann in die Anlage gekommen sein (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 675ff).

Biogas 71

Gasreinigung

Die Gasreinigung von Biogas aus der Bioethanolproduktion ist von der weiteren Verwendung des Gases abhängig (siehe Tabelle 17). Im BVT-Merkblatt über Abwasser-/Abgasbehandlung und -management in der chemischen Industrie gemäß Artikel 16 Absatz 2 der Richtlinie 96/61/EG werden technische Verfahren aufgezeigt, mit denen industrielle Abgase behandelt werden sollen, um die Umwelt zu schützen (http://www.bvt.umweltbundesamt.de/archiv/abgas-abwasser.pdf, 02.01.2008 ).

Tabelle 17: Gasreinigung und Gasverwendung

(Tabelle nach Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 677)

Verfahrenstechniken die zur Biogasreinigung eingesetzt werden können sind:

• Trockenreinigungsverfahren mit der Verwendung von Adsorptions- oder Absorptionsmitteln

• Nassreinigungsverfahren mit einer Waschflüssigkeit

• Physikalische Verfahren mit Kompression und/oder Kühlung des Gases

• Membrantrennprozesse auf dem Prinzip einer selektiven Membrandurchlässigkeit

• Biologische Reinigungen mit oxidierenden Mikroorganismen (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 677).

Die genauen verfahrenstechnischen Sachverhalte der Reinigungstechniken werden in dieser Diplomarbeit nicht betrachtet.

Gasspeicherung

Biogas wird für die Gewinnung von Prozessenergie gespeichert um kurzfristige Unterschiede zwischen der Biogasproduktion und dem Verbrauch ausgleichen zu können. Die Speicherkapazität wird aufgrund der niederen Energiedichte des Biogases so ausgelegt, dass der Ausgleich von Nachfragespitzen aus dem Speicher nur für einen Tag möglich ist.

Biogas 72

Längerfristige Speicherung ist aufgrund des großen Volumens ökologisch kaum realisierbar. Es kommen in der Praxis folgende drei Speichermethoden infrage:

• Foliengasometer. Diese Gasspeicher bestehen aus praktisch gasdichtem Material. Sie können an einem Bügel aufgehängt oder mit einer speziellen Vorrichtung an Boden installiert werden. Das

Speichervolumen liegt zwischen 1 und maximal 1.000 m ³ . Ihr Maximaldruck beträgt je nach Größe und Ausführung zwischen 25 und 50 mbar. Bei einem Füllstand von 20 bis 80 % ändert sich dieser Druck nur unwesentlich. Foliengasometer können auch als Folie verarbeitet worden sein und so direkt auf den Fermenter aufgelegt werden

• Nassgasometer mit Glocke. Ihre Speicherkapazität liegt zwischen 50 und 500 m ³ . Sie bestehen aus Korrosionsschutzgründen aus harten teilweise mit glasfaserverstärktem Kunststoff. Der zylindrische Teil der Glocke kann direkt auf den Fermenter aufgesetzt sein und in die Flüssigkeit eintauchen. Dabei treten Wärme- und Gasverlust auf, weil eine Wärmedämmung zwischen Flüssigkeit und dem eintauchenden Teil der Glocke schwierig ist und Dampf zwischen Glocke und Behälterwand entweicht. Die Glocke kann durch spezielle Führungseinrichtungen bewegt werden

• Speichertanks und -flaschen. Bei dieser Speicherungsart kann das Biogas komprimiert werden was für den Einsatz als Treibstoff für Fahrzeuge erforderlich ist. Es werden Niederdruckflaschen mit 10 bis 20 bar und Hochdruckflaschen mit 200 bis 300 bar und 30 bis 50 Liter unterschieden. Dazu ist eine Reinigung des Biogases auf Erdgasqualität notwendig. Diese Speicherungsart erfordert hohe Investitionskosten für die Reinigung und Komprimierung des Biogases (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 678f)

Einsatz von Biogas

In dieser Diplomarbeit wird die Nutzung des Biogases auf verbrennungstechnische Bereiche in Heizwerken und Heizkraftwerken beschränkt. Wirkungsgrade und Kenndaten solcher Anlagen sind in Tabelle 13 aufgeführt.

Rückstand aus der Biogasgewinnung

Der vergorene ZRS-Presskuchen wird wenn die zulässigen Höchstmengen an Schwermetallen nicht überschritten werden als Mineralstoffdünger auf das Feld ausgebracht. Die schwer abbaubaren Kohlenstoffverbindungen dienen als Humus auf dem Feld (Kalschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 683).

Nettoenergiebilanz Basisdaten 73

7 NETTOENERGIEBILANZ DER BIOETHANOLPRODUKTION

In den Vorschriften über das Umweltmanagement und Ökobilanzen der EN ISO 14044 vom Oktober 2006 sind die Anforderungen an den Untersuchungsrahmen von Nettonenergiebilanzen festgelegt worden. Ziel der Untersuchung in dieser Diplomarbeit ist es eine Nettoenergiebilanz über den gesamten Lebensweg der Herstellung von Bioethanol aus Weizen und Zuckerrüben mit den dazu notwendigen Prozessmodulen auf den Einsatz primärer Energieträger im Geltungsbereich Deutschland zu erstellen. Es soll aufgezeigt werden wie hoch der primäre Energieeinsatz für die Bioethanolproduktion ist im Vergleich zu dem Energiebetrag der aus dem Bioethanol selbst und aus den Nebenprodukten gewonnen werden kann. Als Funktionelleinheit werden die errechneten und ermittelten Energiebeträge aus den Lebensabschnitten der Bioethanolproduktion auf die Grösse von einer Tonne geernteter Feldfrucht normiert und schlussendlich auf einen Hektar Anbaufläche hochgerechnet.

7.1 Basisdaten

7.1.1 Basisdaten PE-Träger PE-Einsatz zur Braunkohlegewinnung

Für die Bereitstellung der Braunkohle wird als PE-Träger nur die Braunkohle selbst eingesetzt. Dazu wird eine Energiemenge von 1,047 TJ aus der Braunkohle zur Gewinnung von 1 TJ Braunkohle verwendet (Kaltschmitt M. u. Reinhardt G., 1997, S. 156).

PE-Einsatz zur Rohölgewinnung und für Rohölprodukte

Für die Rohölförderung, Aufbereitung und den Transport in und nach Deutschland wird der benötigte PE-Einsatz in Prozent ausgedrückt, bezogen auf die im Rohöl enthaltene primäre Energie (siehe Tabelle 18). Der im weiteren verfahrenstechnischen Prozess notwendige PE-Einsatz in GJ bezogen auf 1 TJ PE aus dem Rohölprodukt, zur Umsetzung des Rohöls zu den Produkten Benzin, Diesel, leichtem und schwerem Heizöl sind in Tabelle 19 aufgelistet. Bei der Uran Energie ist nur der Anteil an PE mit 2,87 % zur Uran Bereitstellung berücksichtigt worden (vgl. Kapitel 7.1.1, S. 75 der vorliegenden Arbeit). Mathematische Berechnungen siehe folgende 4 Gleichungen. Gleichung 11: PE% Uran Bereitstellung Benzin

TJ GJ TJ GJ Benzin Uran PE / 16 , 0 0287 , 0 * / 70 , 5 % = =

Gleichung 12: PE% Uran Bereitstellung Diesel

TJ GJ TJ GJ Diesel Uran PE / 09 , 0 0287 , 0 * / 30 , 3 % = =

Gleichung 13: PE% Uran Bereitstellung HL

TJ GJ TJ GJ HL Uran PE / 09 , 0 0287 , 0 * / 30 , 3 % = =

Gleichung 14: PE% Uran Bereitstellung HS

TJ GJ TJ GJ HS Uran PE / 07 , 0 0287 , 0 * / 60 , 2 % = =

Nettoenergiebilanz Basisdaten 74

Tabelle 18: Rohöl PE-Einsatz

(Tabelle nach Kaltschmitt M. u. Reinhardt G., 1997, S. 150)

Tabelle 19: PE-Energieeinsatz für Rohölprodukte

(Tabelle nach Kaltschmitt M. u. Reinhardt G., 1997, S. 153 u. eigene Berechnungen)

Dieselkraftstoff und Heizöl L Anteil im Rohöl

Aus dem Erdölraffinationsprozess lassen sich 31,6 % Heizöl L, 28,4 % Benzin und 17,5 % Dieselöl (Diesel - PKW Kraftstoff) und andere Raffinationsprodukte gewinnen. Rohöl besitzt eine mittlere Dichte

von 0,832 kg pro dm ³ (http://www.erdoel.ch /doc/300319850511072007.pdf, 09.01.2008, S. 20ff).

Zur Unterscheidung von Heizöl L und dem in Deutschland höher besteuertem Dieselöl wird Heizöl L rot eingefärbt und mit Furfurol versetzt. Heizöl L wird für besonders saubere und rückstandsfreie Verbrennungen eingesetzt wie z. B. für Glüh-, Schmelz- oder Trockenprozesse. Sein Heizwert H u liegt bei 42,7 M pro kg. Die Viskosität, Koksrückstände und der Schwefelgehalt in den Heizölen L und S werden in der DIN 51 603 festgelegt (Onken U. u. Behr A., 1996, S.230f). Rohöl weist einen Energiegehalt von 41.86 MJ pro kg auf (http://www.learn-line.nrw.de/angebote/agenda21/lexikon /kalorie.htm, 04. 01. 2008).

PE-Einsatz zur Erdgasbereitstellung

Erdgas wird zum größten Teil nach Deutschland importiert. Zur Förderung wird praktisch ausschließlich Strom eingesetzt. Dieser wird durch Gasturbinenkraftwerke am Fundort erzeugt. Die für die Aufbreitung und für den Transport in Pipelines aufzubringende Energie wird ebenfalls durch das Erdgas selbst bereitgestellt. Der aufzubringende PE-Einsatz zur Erdgasnutzung ist in Tabelle 20 aufgeführt (Kaltschmitt M. u. Reinhardt G., 1997, S. 155).

Nettoenergiebilanz Basisdaten 75

Tabelle 20: PE-Einsatz für Erdgas

(Tabelle nach GEMIS, 1995, zit. n. Kaltschmitt M. u. Reinhardt G. u. deren eigenen Berechnungen, 1997, S. 156)

PE-Einsatz zur Stromerzeugung

Die in diesem Abschritt aufgeführten Energieträger Uran und Wasser werden in dieser Diplomarbeit nicht als PE-Träger betrachtet und fallen somit aus den Berechnungen zur Ermittlung des PE-Einsatzes heraus (siehe Tabelle 21). Der Prozentualanteil an PE für die Uran Bereitstellung pro 1 TJ Uranstromenergie fällt aber mit in die Berechung des PE-Einsatzes für die Stromerzeugung mit ein (siehe Tabelle 22).

Tabelle 21: Uran Bereitstellung

(Tabelle entnommen aus Kaltschmitt M. u. Reinhardt G., 1997, S. 158)

Der PE-Einsatz ohne Uran- und Wasserenergie beträgt 0,0287 TJ/TJ dies entspricht einem Prozentualanteil von 2,87 % an der Bereitstellungsenergie von einem TJ Uran.

Tabelle 22: PE-Einsatz für Strom

(Tabelle nach Kaltschmitt M. u. Reinhardt G., 1997, S. 160)

Der PE-Einsatz für die Uranbereitstellung ist mit 2,87 % in Tabelle 22 berücksichtigt worden (siehe Gleichung 15 und 16). Die bei der EVU und Bahn-KW Stromerzeugung eingesetzte Wasserenergie ist nicht berücksichtigt worden.

Nettoenergiebilanz Basisdaten 76

Gleichung 15: PE% Uran EVU

kWh MJ kWh MJ EVU Uran PE / 1 , 0 0287 , 0 * / 65 , 3 % = =

Gleichung 16: PE% Uran Bahn-KW

kWh MJ kWh MJ KW Bahn Uran PE / 04 , 0 0287 , 0 * / 71 , 1 % = = −

In dieser Diplomarbeit wird der bei der Netzstromnutzung entstehende Leitungsverlust nicht geltend gemacht.

7.1.2 Heizwert, Kohlendioxid-Fracht, Marktpreis

Heizwerte der Brennstoffe

Die unteren Heizwerte H u der Brennstoffe die in den Bioethanol-Modellen verwendet werden sind in Tabelle 23 aufgeführt.

Tabelle 23: Brennstoffe Bioethanol-Modelle

(Tabelle nach Kaltschmitt M. u. Reinhardt G., 1997, S. 248)

Kohlendioxid-Fracht der Brennstoffe

Zur Bestimmung der Default-Werte der einzelnen Zuckerrüben- und Weizen-Modelle sind in Tabelle 24 die bei der Verbrennung der PE-Träger entstehenden Kohlendioxidmengen, ausgedrückt in CO 2 -Fracht, aufgeführt.

Tabelle 24: Verbrennung PE-Träger

(Tabelle nach http://www.energie.ch/et/umwandlung/verbrennung/index.htm, 30.01.2008)

Nettoenergiebilanz Basisdaten 77

Heizwerte Nebenprodukte

Die unteren Heizwerte H u für die Nebenprodukte und Koppelprodukte sind in Tabelle 25 aufgeführt.

Tabelle 25: Heizwert Nebenprodukte

(Tabelle nach http://www.bioenergie.de/kraftstoffe-der-zukunft/Pr%E4sentationen_nachtr %E4glich /Fehrenbach.pdf, 04.02.2008) ^* OS: Originalsubstanz unter Berücksichtigung des angegebenen (Default) Wassergehalts

Nebenprodukterlöse

Aus den Nebenprodukten der Bioethanolproduktion aus Weizen und Zuckerrüben lassen sich durch den Verkauf Erlöse erziehen. In Tabelle 26 ist der Erlös für DDGS und Zuckerrübenschnitzel aufgelistet. Die Rohstoffkosten belaufen sich bei den Zuckerrüben auf 25, 34 Euro pro Tonne und beim Weizen auf 100 Euro pro Tonne (Henniges O., 2007, S. 271).

Tabelle 26: Nebenprodukterlös

(Tabelle nach Henniges O., 2007, S. 272)

Marktpreis Energieträger

Die Marktpreise für die verwendeten PE-Träger in den Weizen- und Zuckerrüben-Modellen sind in Tabelle 27 aufgeführt.

Tabelle 27: Marktpreis Energieträger

(Tabelle nach http://www.zentralheizung.de/heizkosten/heizkosten.php, 08.02.2008, u. eigene Berechnungen)

Der Brennstoff Winterweizenstroh wird mit 68 € pro Tonne gehandelt (http://www.agriserve.de /Pflanzenheizungen-Allgemeines.html, 05.02.2008). Netzstrom wird für 14,5 Cent pro kWh (4,02 Cent pro MJ) als Ökostrom von Kiel-Strom angeboten (http://www.kiel-strom.de, 17.01.2008).

PE-Einsatz für die Enzymproduktion

Der primäre Energieaufwand für die Herstellung von Waschmittelenzymen wird von Herr Feesche J. so beschrieben:

„Grundsätzlich müssen Sie bedenken, dass die Art des Enzyms und die Ausbeute mit der es großtechnisch hergestellt werden kann, einen entscheidenden Einfluss auf den Energieverbrauch haben. Man kann deshalb keine Zahl und auch keinen (sinnvollen) Durchschnittswert angeben. Wir versuchen unsere Prozesse und Produkte ganzheitlich zu betrachten, d. h., wir analysieren den gesamten Lebenszyklus und ermitteln dann den s. g. kumulierten Energieverbrauch (lt. VDI-Richtlinie 4600). Abhängig von der Art des Enzyms ergibt sich hierfür eine Spanne von 150 - 300 MJ-Equivalenten /kg Enzymgranulat. Darin enthalten sind alle vor- und nachgelagerten Prozesse (Bereitstellung, Fermentationsrohstoffe, Transporte, Abwasserreinigung, Anlieferung etc.)“ (E-Mail von Herr Feesche J., Henkel KGaA, 07.02.2008).

7.1.3 Basis Daten Default-Werte

Anhand der Daten in Kapitel 7.1.1, S. 73ff sind die Energieträger Heizöl S, Heizöl L, Diesel und der Strom nach ihren PE-Träger untersucht worden. In dieser Diplomarbeit sind zur Erzeugung der genannten Energieträger die 3 PE-Träger Rohöl, Erdgas und Braunkohle betrachtet worden. Die Energiebeträge für die Steinkohle sind mit in die Energiebeträge der Braunkohle aufgenommen worden und der Strom ist nur als EVU Strom betrachtet worden.

Diesel

In Tabelle 28 sind die Energiemenge und der Prozentualanteil der PE-Träger für den Treibstoff Diesel dargestellt. Beim Rohöl ist der PE-Einsatz der für die Förderung, Aufbereitung und Transport, welcher mit 3,54 % beziffert ist, berücksichtigt und auf die PE im Rohöl bezogen worden (siehe Gleichung 17). Sowie der PE-Einsatz für die Erdgas Förderung, Aufbereitung und Transport mit 6,53 % berücksichtigt und auf die PE im Erdgas bezogen worden ist (siehe Gleichung 18). Die Summe aus der Steinkohle und Braunkohle ist unter dem PE-Einsatz zur Braunkohlegewinnung betrachtet worden (siehe Gleichung 19). Gleichung 17: Rohöl - Diesel

TJ GJ TJ GJ Diesel Rohöl PE / 44 , 1124 0354 , 1 * / 00 , 1086 = = −

Gleichung 18: Erdgas - Diesel

TJ GJ TJ GJ Diesel Erdgas PE / 653 , 10 0653 , 1 * / 10 = = −

Gleichung 19: Braunkohle - Diesel

TJ GJ TJ GJ Diesel Braunkohle PE / 95 , 7 047 , 1 * / 60 , 7 = = −

Nettoenergiebilanz Basisdaten 79

Tabelle 28: Diesel PE-Träger

Heizöl L

Der PE-Einsatz beim Heizöl L ist in Tabelle 29 aufgeführt. Es ist der PE-Einsatz der zur Bereitstellung des Rohöls notwendig ist bezogen auf die PE im Rohöl berücksichtigt worden. Dieser PE-Einsatz liegt bei 3,54 % (siehe Gleichung 20). Auch der PE-Einsatz für die Erdgas Förderung, Aufbereitung und Transport, welcher 6,53 % beträgt, ist geltend gemacht worden auf die PE im Erdgas (siehe Gleichung 21). Die Summe aus der Steinkohle und der Braunkohle ist unter dem PE-Einsatz zur Braunkohlegewinnung berechnet worden (siehe Gleichung 22). Gleichung 20: Rohöl - HL

TJ GJ TJ GJ HL Rohöl PE / 44 , 1124 0354 , 1 * / 00 , 1086 = = − Gleichung 21: Erdgas - HL

TJ GJ TJ GJ HL Erdgas PE / 65 , 10 0653 , 1 * / 10 = = −

Gleichung 22: Braunkohle - HL

TJ GJ TJ GJ HL Braunkohle PE / 95 , 7 047 , 1 * / 6 , 7 = = −

Tabelle 29: Heizöl L PE-Träger

Heizöl S

Die in Tabelle 30 aufgeführten Daten berücksichtigen den PE-Einsatz der zur Förderung, Aufbereitung und Transport des Rohöls notwendig ist. Dieser PE-Einsatz bezogen auf die PE des Rohöls liegt bei 3,54 % (siehe Gleichung 23). Auch der PE-Aufwand für die Erdgas Förderung, Aufbereitung und Transport welcher bei 6,53 % liegt ist berücksichtigt worden auf die PE im Erdgas (siehe Gleichung 24). Die Summe aus der Steinkohle und der Braunkohle ist unter dem PE-Einsatz zur Braunkohlegewinnung berechnet worden (siehe Gleichung 25). Gleichung 23: Rohöl - HS

TJ GJ TJ GJ HS Rohöl PE / 98 , 1110 0354 , 1 * / 00 , 1073 = = − Gleichung 24: Erdgas - HS

TJ GJ TJ GJ HS Erdgas PE / 90 , 9 0653 , 1 * / 3 , 9 = = −

Nettoenergiebilanz Basisdaten 80

Gleichung 25: Braunkohle - HS

TJ GJ TJ GJ HS Braunkohle PE / 17 , 6 047 , 1 * / 90 , 5 = = −

Tabelle 30: Heizöl S PE-Träger

Strom (EVU)

Zur Ermittlung der Default-Werte des Stromes ist bei der Untersuchung der PE-Träger für die Stromerzeugung das Uran und das Wasser aufgrund fehlender Kohlendioxidbildung (CO 2 ) nicht betrachtet worden. In Tabelle 31 sind die PE-Träger zur EVU-Stromerzeugung aufgelistet. Bei dem Rohölanteil ist die Förderung, Aufbereitung und Transport des Rohöls mit 3,54 % auf die Rohölenergie geltend gemacht worden (siehe Gleichung 26). Der PE-Einsatz für die Erdgas Förderung, Aufbereitung und Transport ist mit 6,53 % auf die PE des Erdgas geltend gemacht worden (siehe Gleichung 27). Der PE-Einsatz für die Summe aus der Steinkohle und der Braunkohle ist unter dem PE-Einsatz zur Braunkohlegewinnung berechnet worden (siehe Gleichung 28). Gleichung 26: Rohöl - Strom

kJ kJ kJ kJ Strom Rohöl PE / 056 , 0 0354 , 1 * / 055 , 0 = = −

Gleichung 27: Erdgas - Strom

kJ kJ kJ kJ Strom Erdgas PE / 14 , 0 0653 , 1 * / 13 , 0 = = −

Gleichung 28: Braunkohle - Strom

kJ kJ kJ kJ Strom Braunkohle PE / 93 , 1 047 , 1 * / 85 , 1 = = −

Tabelle 31: Strom PE-Träger

Nettoenergiebilanz Basisdaten 81

7.1.4 Basisdaten für Anbau und Transport Zuckerrübe, Weizen

Basisdaten aus der Landwirtschaft

Die in Tabelle 32 aufgeführten landwirtschaftlichen Daten in Deutschland sind auf ein Jahr und ein Hektar bezogen und gehen von einer reinen Ausgleichsdüngung aus. Kraut und Stroh verbleiben auf dem Feld (Schmitz N., 2005, S. 104).

Tabelle 32: Unterstellter Energiepflanzenanbau

(Tabelle nach persönlicher Mitteilung von Raiffeisenhauptgenossenschaft, 2004, zit. n. Schmitz N., 2005, S. 104 u. eigene Berechnungen)

Die in der Tabelle 32 angegebenen Mengen an Dünger sind auf folgende Düngersubstanzen bezogen und dem daraus errechneten Wirkstoffanteil.

• N-Dünger wird als Kalkammonsalpeter mit einem Wirkstoffgehalt an N von 27 % angenommen

• Der P-Dünger wird als Triple-Superphosphat (TSP) mit einem Wirkstoffgehalt von 42,6 % P 2 O ⁵ angegeben

• K-Dünger wird als 40er Kali mit 40 % K 2 O betrachtet

PE-Einsatz zur Dünger Herstellung

In Tabelle 33 und 34 ist der berechnete Wert für den PE-Einsatz bei der Stromerzeugung aus Tabelle 22 verwendet worden um den PE-Einsatz bei der EVU- oder Bahnstrom-Nutung zu berechnen (siehe folgende 4 Gleichungen). Der insgesamt aufzubringende PE-Einsatz pro kg Dünger für den Transport und die Produktion ist ebenso in diesen Tabellen mit aufgeführt. Gleichung 29: Produktion N, EVU

MJ kWh MJ kWh N EVU Strom 96 , 0 / 45 , 7 * 13 , 0 = =

^{Gleichung 30: Produktion P} 2 ^O 5 ^{, EVU} MJ kWh MJ kWh O P EVU Strom 12 , 3 / 45 , 7 * 42 , 0 = =

5 2

Nettoenergiebilanz Basisdaten 82

^{Gleichung 31: Produktion K} 2 O, EVU

MJ kWh MJ kWh O K EVU Strom 37 , 0 / 45 , 7 * 05 , 0 = =

2

Gleichung 32: Produktion CaO, EVU

MJ kWh MJ kWh CaO EVU Strom 74 , 0 / 45 , 7 * 10 , 0 = =

Tabelle 33: Basisdaten Produktion Dünger

(Tabelle nach Kaltschmitt M. u. Reinhardt G., 1997, S. 210ff u. eigene Berechnung)

Der PE-Einsatz für die Stromnutzung beim Düngertransport ist in den folgenden 4 Gleichungen aufgeführt. Gleichung 33: Transport N, Bahnstrom

MJ kWh MJ kWh N Bahnstrom 32 , 0 / 48 , 7 * 044 , 0 = =

^{Gleichung 34: Transport P} 2 ^O 5 ^{, Bahnstrom} MJ kWh MJ kWh O P Bahnstrom 18 , 0 / 48 , 7 * 025 , 0 = =

5 2

^{Gleichung 35: Transport K} 2 ^{O, Bahnstrom} MJ kWh MJ kWh O K Bahnstrom 08 , 0 / 48 , 7 * 011 , 0 = =

2

Gleichung 36: Transport CaO, Bahnstrom

MJ kWh MJ kWh CaO Bahnstrom 08 , 0 / 48 , 7 * 011 , 0 = =

Tabelle 34: Basisdaten Düngertransport

(Tabelle nach Kaltschmitt M. u. Reinhardt G., 1997, S. 210ff u. eigene Berechnung)

PE-Einsatz zur Pflanzenschutzmittel (Pestizide) Herstellung

Der summierte PE-Einsatz der Produktion der Wirkstoffe für die Pflanzenschutzmittel, die Formulierung und die Verpackung ist in Tabelle 35 aufgeführt. Diese Größe in MJ bezieht sich auf 1 kg Pflanzen- schutzmittel.

Nettoenergiebilanz Basisdaten 83

Tabelle 35: Pflanzenschutzmittel Primär- und Endenergieaufwand

(Tabelle entnommen aus Green, 1987, zit. n. Kaltschmitt M. u. Reinhardt G. mit deren eigenen Berechnungen, 1997, S. 220)

Der Transport von einem kg Pflanzenschutzmittel erfordert ebenso wie die Produktion einen PE-Einsatz (siehe Tabelle 36). Der aufgewendete PE-Einsatz aus der Bahnstromnutzung wurde nach den Daten aus Tabelle 22 für Bahnstrom berechnet (siehe Gleichung 37). Gleichung 37: Bahnstrom Pflanzenschutzmittel

MJ kWh kWh MJ Bahnstrom PE 43 , 0 04 , 0 * / 93 , 10 = =

Tabelle 36: Pflanzenschutzmitteltransport

(Tabelle nach Kaltschmitt M. u. Reinhardt G., 1997, S. 221 u. eigene Berechnung)

PE-Einsatz zur Saatgutherstellung

Das Saatgut, welches für die landwirtschaftliche Produktion von Weizen und Zuckerrüben verwendet wird ist auch einem Energie benötigendem Prozess unterworfen. Dazu werden PE-Träger verwendet, diese sind in Tabelle 37 aufsummiert worden und beziehen sich auf 1 kg Saatgut. Die in dieser Tabelle berechneten Werte für den EVU- und Bahn-Strom sind in den Gleichungen 38 und 39 berechnet worden. Gleichung 38: Zuckerrübe EVU-Strom

kg MJ kWh MJ kg kWh Strom EVU rübe Zuc / 22 , 2 / 45 , 7 * / 30 , 0 ker = = −

Gleichung 39: Zuckerrübe Bahnstrom

kg MJ kWh MJ kg kWh Bahnstrom rübe Zuc / 75 , 0 / 48 , 7 * / 1 , 0 ker = =

Nettoenergiebilanz Rohstoffe 84

Tabelle 37: PE-Einsatz Saatgut

(Tabelle nach Kaltschmitt M. u. Reinhardt G., 1997, S. 224 u. eigene Berechnungen)

7.2 PE-Einsatz der Rohstoffproduktion Weizen, Zuckerrüben

Wie in Tabelle 38 aufgelistet ist, sind die PE-Einsatz für die Saatgutmenge der Weizen- und Zuckerrüben-Modelle mit den summierten PE-Werten aus Tabelle 37 berechnet worden (siehe Gleichung 40 und 41). ^{Gleichung 40: Saatgut Weizen} ha MJ kg MJ ha kg Saatgut PE / 414 / 3 , 2 * / 180 = =

^{Gleichung 41: Saatgut Zuckerrübe} ha MJ kg MJ ha kg Saatgut PE / 04 , 127 / 76 , 31 * / 4 = =

Der PE-Einsatz für den Dieselverbrauch ist aus der verbrauchten Menge an Dieselkraftstoff in dm ³ pro Hektar aus Tabelle 32 und dem volumetrischen Heizwert von 36 MJ pro dm ³ berechnet worden (siehe Gleichung 42 und 43). Gleichung 42: PE-Einsatz Diesel Weizen

^{3 3} ha MJ dm MJ ha dm Diesel PE / 3420 / 36 * / 95 = =

Gleichung 43: PE-Einsatz Diesel Zuckerrübe

^{3 3} ha MJ dm MJ ha dm Diesel PE / 3672 / 36 * / 102 = =

Zur Berechnung des PE-Einsatzes für die Dieselproduktion wurde der summierte PE-Wert aus der Tabelle 19 auf 1 TJ Dieseltreibstoff bezogen (siehe Gleichung 44 und 45). ^{Gleichung 44: PE-Einsatz Dieselproduktion Weizen} ha MJ ha MJ Diesel PE / 26 , 352 103 , 0 * / 3420 = = −

Gleichung 45: PE-Einsatz Dieselproduktion Zuckerrübe

ha MJ ha MJ Diesel PE / 21 , 378 103 , 0 * / 3672 = = −

Um den PE-Einsatz für die Rohöl Förderung, Aufbereitung und den Transport zur Produktion des Dieselkraftstoffes berechnen zu können wird die verbrauchte Menge an Dieselkraftstoff pro ha auf die Erdölmenge zurückgerechnet. Dazu sind die Daten aus Kapitel 7.1.1, S. 73f verwendet worden (siehe Gleichung 46 und 47).

Nettoenergiebilanz Rohstoffe 85

Gleichung 46: Rohöl Weizen

Rohöl PE −

Gleichung 47: Rohöl Zuckerrübe

Rohöl PE −

Der PE-Einsatz für den Unterhalt und die Reparatur von landwirtschaftlichen Maschinen in einem Jahr wird mit 187,7 MJ/ha angenommen und stellt den PE-Einsatz für die Nutzung der Produktionsmaschinen dar (Lücke W. et al., 2000, S. 70f).

Tabelle 38: Arbeitsaufwand und PE-Einsatz in der Landwirtschaft Teil 1

(Tabelle nach persönlicher Mitteilung von Raiffeisenhauptgenossenschaft, 2004, zit. n. Schmitz N., 2005, S. 104 u. eigene Berechnungen)

Die in Tabelle 39 aufgeführten PE-Werte über die in der landwirtschaftlichen Produktion eingesetzten Dünger und Pflanzenschutzmittel (Pestizide) wurden mit den Daten aus der Tabelle 32 mit den darin aufgeführten Mengen an Düngerwirkstoffanteil mit den dazugehörenden Werten aus Tabelle 33 berechnet. Ebenso ist der PE-Einsatz für den Transport auch bezogen worden auf den Düngerwirkstoffanteil in Tabelle 32 und mit den entsprechenden Daten aus Tabelle 34 berechnet worden. Diese beiden addierten Werte sind in der zu Beginn benannten Tabelle aufgeführt (mathematische Berechnungen siehe folgende 8 Gleichungen). Gleichung 48: PE Dünger N, Weizen

ha MJ kg MJ ha kg kg MJ ha kg Dünger N PE / 63 , 2112 / 18 , 1 * / 6 , 48 / 29 , 42 * / 6 , 48 = + = −

Gleichung 49: PE Dünger N, Zuckerrübe

ha MJ kg MJ ha kg kg MJ ha kg Dünger N PE / 57 , 1267 / 18 , 1 * / 16 , 29 / 29 , 42 * / 16 , 29 = + = −

^{Gleichung 50: PE Dünger P} 2 ^O 5 ^{, Weizen} ha MJ kg MJ ha kg kg MJ ha kg Dünger O P PE / 87 , 279 / 46 , 3 * / 30 , 21 / 68 , 9 * / 30 , 21 = + = −

5 2

^{Gleichung 51: PE Dünger P} 2 ^O 5 ^{, Zuckerrübe} ha MJ kg MJ ha kg kg MJ ha kg Dünger O P PE / 85 , 335 / 46 , 3 * / 56 , 25 / 68 , 9 * / 56 , 25 = + = −

5 2

Nettoenergiebilanz Rohstoffe 86

^{Gleichung 52: PE Dünger K} 2 O, Weizen

ha MJ kg MJ ha kg kg MJ ha kg Dünger O K PE / 86 , 118 / 22 , 0 * / 00 , 14 / 27 , 8 * / 00 , 14 = + = −

2

^{Gleichung 53: PE Dünger K} 2 ^{O, Zuckerrübe} ha MJ kg MJ ha kg kg MJ ha kg Dünger O K PE / 40 , 509 / 22 , 0 * / 00 , 60 / 27 , 8 * / 00 , 60 = + = −

2

Gleichung 54: PE Kalk, Weizen

ha MJ kg MJ ha kg kg MJ ha kg Kalk PE / 00 , 486 / 21 , 0 * / 00 , 300 / 41 , 1 * / 00 , 300 = + =

Gleichung 55: PE Kalk, Zuckerrübe

ha MJ kg MJ ha kg kg MJ ha kg Kalk PE / 00 , 324 / 21 , 0 * / 00 , 200 / 41 , 1 * / 00 , 200 = + =

Der PE-Einsatz für die Pflanzenschutzmittelproduktion und den Transport wurde mit den Werten aus Tabelle 35 und dem dazugehörigen Wert aus Tabelle 32 für die Produktion berechnet. Der PE-Einsatz für den Transport der Pflanzenschutzmittel basiert auch auf dem Wert in Tabelle 32 und errechnet sich mit dem PE-Einsatz aus Tabelle 36. Beide berechneten Werte sind addiert in der Tabelle 39 aufgelistet (mathematische Berechnung siehe Gleichungen 56 und 57). Gleichung 56: PE Pestizide Weizen

ha MJ kg MJ ha kg kg MJ ha kg Pestizide PE / 98 , 924 / 28 , 1 * / 50 , 3 / 00 , 263 * / 50 , 3 = + = −

Gleichung 57: PE Pestizide Zuckerrübe

ha MJ kg MJ ha kg kg MJ ha kg Pestizide PE / 98 , 924 / 28 , 1 * / 50 , 3 / 00 , 263 * / 50 , 3 = + = −

Tabelle 39: Arbeitsaufwand und PE-Einsatz in der Landwirtschaft Teil 2

(Tabelle nach persönlicher Mitteilung von Raiffeisenhauptgenossenschaft, 2004, zit. n. Schmitz N., 2005, S. 104 u. eigene Berechnungen)

Das Ergebnis aus den Berechnungen der PE-Einsätze in den einzelnen Bereichen in der landwirtschaftlichen Rohstoffproduktion ist als Gesamtsumme in Tabelle 39 aufgeführt. Es ist ersichtlich, dass für die Weizenmodelle 1 bis 3a 8,96 GJ pro ha PE benötigt werden und für die 4 Zuckerrüben- modelle 5 bis 7a 8,44 GJ pro ha an PE aufgewendet werden müssen.

Nettoenergiebilanz Rohstoffe 87

7.2.1 Transportwege

Beim Getreide wird von einer durchschnittlichen Distanz von 60 km zwischen dem Zwischenlager bei der landwirtschaftlichen Produktion und dem Bioethanolwerk ausgegangen. Die Distanz für Zuckerrüben beträgt 35 km. Das Stroh wird wegen der großen Menge durchschnittlich 100 km transportiert. Distanz mit PE-Einsatz für den Transport (siehe Tabelle 40; Schmitz N., 2005, S. 105).

Der Transport von Zuckerrüben und Weizen erfolgt in dieser Diplomarbeit mit einem Sattelkipper mit

einem max. Füllvolumen von 100 m ³ und einer max. Nutzlast von 27 t (Kaltschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 198f). Der Transportweg beläuft sich vom Hof des landwirtschaftlichen Anbaus bis zum Bioethanolwerk. Der Dieselverbrauch eines LKW mit Sattelkipper wird in dieser Diplomarbeit mit 38

dm ³ pro 100 km angenommen.

Für den Transport des Strohes von der Weizenanbaufläche bis zum Bioethanolwerk wird eine Strecke vom Anbaufeld bis zum Hof des landwirtschaftlichen Unternehmens von 45 km angenommen. Die Restlichen 55 km sind die Stecke vom ladwirtschaftlichen Hof bis zum Bioethanolwerk. Die erst benannte Strecke vom Feld zum landwirtschaftlichen Hof wird mit einem Quaderballentransporter mit einer Nutzlast von 8 Quaderballen mit jeweils 585 kg Gewicht was zu einer Gesamtlast von 4.680 kg Stroh führt transportiert (Kalschmidt M. u. Hartmann H., 2001, S. 198f). Ein Dieselverbrauch für 100 km

durch dieses Transportfahrzeug wird mit 28 dm ³ angenommen. Der weitere Transport zum Bioethanolwerk wird mit einem LKW mit Plattformanhänger, welcher eine Nutzlast von 26 Quaderballen mit einem Gesamtgewicht von etwa 16 Tonnen Stroh tragen kann vollzogen (Kalschmidt M. u. Hartmann H., 2001,

S. 198f). Der Dieselverbrauch wird mit 35 dm ³ pro 100 km angenommen.

Für den Dieseltreibstoff mit 36 MJ pro Liter ist der PE-Eisatz für die Dieseltreibstoffproduktion und die Rohölförderung, Aufbereitung und Transport in MJ pro Liter Dieseltreibstoff mit den Werten aus der Tabelle 18 und 19 auf 5,00 MJ pro Liter Dieseltreibstoff berechnet worden (siehe Gleichung 58). Gleichung 58:. PE Diesel - Rohöl

^{3 3 3} / 00 , 5 / 10369 , 0 * / 36 0354 , 0 * / 36 dm MJ MJ MJ dm MJ dm MJ Rohöl Diesel PE = + = −

Aus diesem Wert wurde der PE-Einsatz für die Dieselbereitstellung in MJ pro Tonne Transportlast berechnet (siehe folgende 4 Gleichungen). Gleichung 59: PE Dieselbereitstellung, ZR

itstellung Dieselbere PE

Nettoenergiebilanz Rohstoffe 88

Gleichung 60: PE Dieselbereitstellung, W

itstellung Dieselbere PE

Gleichung 61: PE Dieselbereitstellung, WWS a

itstellung Dieselbere PE

Gleichung 62: PE Dieselbereitstellung, WWS b

itstellung Dieselbere PE

Aus den angegebenen Daten über den Dieselverbrauch pro 100 km des Transportfahrzeuges und den Angaben über die Transportdistanz, der Transportlast und dem Energiegehalt des Dieseltreibstoffs mit 36 MJ pro Liter ist der PE-Einsatz für den Dieselverbrauch in MJ pro Tonne Transportlast berechnet worden (siehe folgende 4 Gleichungen). Diese beiden berechneten Werte und ihre Summe als PE-Wert Gesamt im MJ pro Tone Transportlast sind in Tabelle 40 aufgelistet. Gleichung 63: PE Dieselverbrauch, ZR

rauch Dieselverb PE

Gleichung 64: PE Dieselverbrauch, W

rauch Dieselverb PE

Gleichung 65: PE Dieselverbrauch, WWS a

rauch Dieselverb PE

Gleichung 66: PE Dieselverbrauch, WWS b

rauch Dieselverb PE

Tabelle 40: Transport Rohstoffe

Wie aus Tabelle 40 ersichtlich ist, erfordert der Transport der Rohstoffe im Vergleich zum landwirtschaftlichen Anbau einen geringeren PE-Einsatz.

Nettoenergiebilanz Weizen 89

Energiepflanzenprämie

Werden auf landwirtschaftlichen Anbauflächen für Lebensmittel Pflanzen, die als Rohstoffe für Bioenergieträger dienen können, angebaut, so ist es den Landwirten möglich die sogenannte Energiepflanzenprämie der EU in Anspruch zu nehmen. Diese liegt bei 45 Euro pro Hektar. Aufgrund des begrenzten Förderungsbudget und wachsender Nutzungskonkurrenz kommt es zu einer Verringerung der Prämie pro Hektar und damit zu einem möglichen Attraktivitätsverlust (http://www.lab biokraftstoffe.de /downloads/PDF/fachinformationen/ifo-studie.pdf, 05.02.2008). Energiepflanzenprämien werden in dieser Diplomarbeit nicht geltend gemacht.

7.3 Bioethanolproduktion aus Weizen

Bei der Betrachtung des Energieaufwandes für die Bioethanolproduktion aus Weizen sind die Daten aus dem Produktionsprozess in der Industrie für Weizen herangezogen worden (siehe Tabelle 11).

7.3.1 Prozessmodule für die Bioethanolproduktion

Der erste Verfahrensschritt zur Ethanolgewinnung aus Weizen ist die Vermahlung des Weizenkorns zu Mehl (siehe Abbildung 20). Zur Berechnung der benötigten Zerkleinerungsenergie von Weizen wird in dieser Diplomarbeit eine Hammermühle mit den in Tabelle 41 aufgeführten Kenndaten verwendet. Mit den Daten aus dieser Tabelle ist der Energieaufwand für die Zerkleinerung von einer Tonne Weizen berechnet worden (siehe Gleichung 67). Dieser Wert beträgt 29,21 MJ elektrischer Leistung pro Tonne Weizen.

Gleichung 67: Weizen Zerkleinerung

ng Zerleineru

Tabelle 41: Weizen Zerkleinerung

(Tabelle nach http://www.akahl.de/index.php?hid=1&id=306, 15.01.2008)

Die sich nach der Zerkleinerung der Weizenkörner sich anschließende Anmaischung, Stärkeverflüssigung und Stärkeverzuckerung mit den entsprechenden Enzymen (vgl. Kapitel 3.4, S. 22f der vorliegenden Arbeit) und den gesamten Fermentationsprozess betreffenden Energien sind in Tabelle 42 in der Spalte Maischung Gärung und Hilfsanlagen aufgeführt. Dieser energetische Betrag schlisst auch den Energie-aufwand für die Hefevermehrung im Hefeansatzbehälter mit ein. Sowie die Daten über den Energiebedarf für die Destillation, Rektifikation, der Absolutierung durch ein Molekularsieb und der Schlempe- eindampfung zu DDGS dort aufgelistet sind.

Nettoenergiebilanz Weizen 90

Mit Zuhilfenahme der Verfahrensdaten aus Tabelle 11 sind die in Tabelle 42 aufgeführten Daten pro kg reinem Alkohol umgerechnet worden in pro Tonne Weizen. Es werden aus einer Tonne Weizen 278,47 kg Ethanol hergestellt.

Tabelle 42: Energiebedarf Ethanolgewinnung aus Weizen

(Tabelle aus Kaltschmitt M. u. Reinhardt G., 1997, S. 247 u. eigene Berechnungen)

Die zur Rohschlempeverarbeitung benötigte Energie pro Tonne Weizen für die kontinuierliche Trennung im Dekanter ist nach den Daten aus Tabelle 43 und den Daten aus Tabelle 11 auf 1,82 MJ pro Tonne Weizen elektrischer Energie berechnet worden (siehe Gleichung 68). Dazu ist man von einer Dichte der

Rohschlempe von 2,86 Tonnen pro m ³ mit einem TS-Anteil von 25% und von einer Durchsatzleistung von 70 m ³ pro Stunde ausgegangen. Gleichung 68: Dekanter

Dekanter =

Tabelle 43: Schlempe Dekanter mit Schneckenantrieb

(Tabelle aus Friedl A. et al., 2005, S. 46)

Die Dünnschlempe aus dem Dekanter mit einem TS-Gehalt von 7 % wird auf 30 % eingedickt. Energetische Daten für die Verdampfung sind in Tabelle 44 aufgeführt (Friedl A. et al., 2005, S. 46). Die Berechnung der Wärmemenge auf eine Tonne Weizen erfolgt aus den Daten aus Tabelle 11 (siehe Gleichung 69) und beträgt 491,22 MJ Wärmeenergie pro Tonne Weizen. Gleichung 69: Evaporation

Wärme =

Tabelle 44: Evaporation

(Tabelle aus Friedl A. et al., 2005, S. 55, u. eigene Berechnungen)

7.3.2 Sachbilanz der Weizen-Modelle Input, Output

In Tabelle 45 sind die 4 Weizen-Modelle für die Bioethanolgewinnung aus Weizen mit deren Allokationen aufgelistet.

Tabelle 45: Modelle-Weizen

7.3.3 Input Weizen-Modelle

Der in Tabelle 46 für den landwirtschaftlichen Transport aufgeführte Wert bei dem Weizen-Modell 1 ist die Summe aus dem Transport für den Weizen und für das Stroh (siehe Tabelle 40). Der in Tabelle 39 aufgeführte Wert für die Gesamtsumme der PE-Einsätze bei den Modellen 1 bis 3a in GJ pro ha ist auf MJ pro Tonne Weizen umgerechnet worden. Dabei ist von einer Weizenernte von 7,5 Tonnen pro Hektar ausgegangen worden. Der Energieinput für die Elektrizität und die Wärme bei der Ethanolproduktion ist der aufsummierte Betrag aus den Tabellen der Prozessmodule im Kapitel 7.3.1 S. 89f.

Tabelle 46: Input Weizen

Prozessenergie Erzeugung

In Tabelle 47 sind die Daten aufgeführt die aus den Daten der Tabelle 46 und der Tabelle 13 für die Weizen-Modelle berechnet worden sind. Der Wert für das Weizen-Modell 3 mit dem Brennstoff Braunkohle wurde für eine Feuerungsanlage, die mit dem Brennstoff Steinkohle betrieben werden, kann berechnet. Die Berechnung der Gesamtleistung der HKW-Anlagen in den Weizen-Modellen 1, 2 und 3 ist mit der Gleichung 70 berechnet worden. Gleichung 70: Gesamtleistung HKW

tung Gesamtleis

Nettoenergiebilanz Weizen 92

Tabelle 47: Energiewerte, Feuerungsanlagen Weizen

Für das Weizen-Modell 3a mit dem Brennstoff Braunkohle werden die in Tabelle 48 aufgeführten Daten zur Berechnung der Heizleistung verwendet (siehe Gleichung 71). Gleichung 71: Heizleistung HW

ng Heizleistu

Tabelle 48: Braunkohle-Feuerungsanlage

(Tabelle nach Vauck W. u. Müller H., 1994, S. 466ff)

Die erforderliche Brennstoffmasse für die einzelnen Weizen-Modelle sind aus der Gesamtleistung sowie aus den Daten aus der Tabelle 23 mit den dort aufgeführten Heizwerten für Brennstoffe berechnet worden. Der Netzstromwert, welcher sich auf die von der Anlage benötigte elektrische Leistung pro Tonne Weizen bezieht, ist bei den verwendeten Anlagen nicht erforderlich.

In Tabelle 49 ist der PE-Einsatz für die Stromnutzung aus dem Netz mit dem errechneten Wert der PE für die Stromerzeugung (EVU) von 2,069 MJ PE für 1 MJ elektrischer Energie berechnet worden (vgl. Kapitel 7.1.1 S. 75f der vorliegenden Arbeit).

Tabelle 49: Gesamter PE-Input Weizen

Nettoenergiebilanz Weizen 93

Ergebnisse der Sachbilanzinputs

In Abbildung 24 sind die PE-Inputs pro Tonne Weizen für alle 4 Weizen-Modelle ohne die Verluste aus den Feuerungsanlagen aufgetragen. Der landwirtschaftliche Energieinput setzt sich aus dem Anbau und dem Transport des Weizens zum Bioethanolwerk zusammen. Die Konversion schließt die Weizenzerkleinerung und den gesamten Fermentationsprozess mit ein. Bei der Destillation wird die Destillation, Rektifikation und die Absolutierung durch ein Molekularsieb betrachtet. Zur DDGS-Trocknung gehören die Schlempetrocknung, die Dekanter- und die Evaporationsenergie.

Abbildung 24: PE-Inputs Weizen-Modelle

Inputs Weizen-Modelle

12000

10000

^{PE in MJ/t} 8000

6000

4000

2000

0 Modell 1 Modell 2 Modell 3 Modell 3a

Konversion Landwirtschaft

Destillation DDGS Trocknen

7.3.4 Output Weizen-Modelle

Ethanolenergie

Zur Ermittlung der durch Ethanol bereitgestellten Energie ist von den Daten aus KWST ausgegangen worden. Dort beläuft sich die Bioethanolproduktionsmenge auf 278,47 kg Ethanol aus einer Tonne Weizen. Mit diesem Wert und dem massebezogenem Heizwert für Ethanol von 26,8 MJ pro kg aus der Tabelle 2 ist der Heizwert von Ethanol pro Tonne Weizen berechnet worden (siehe Gleichung 72). Aufgeführt ist dieser berechnete Wert in Tabelle 50. Gleichung 72: Ethanol

W t MJ kg MJ W t kg rgie Ethanolene / 99 , 7462 / 8 , 26 * / 47 , 278 = =

Energieoutput aus DDGS

Wie aus Tabelle 45 ersichtlich ist, wird ein Input bei den Weizen-Modellen durch den Erlös von DDGS und der Kleie als Tierfutter erzielt. In Tabelle 50 ist mit den Daten aus Kapitel 7.1.2, S. 76f und den Daten aus Tabelle 11 der Energieerlös aus dem DDGS mit der Kleie berechnet worden (siehe Gleichung 73).

Nettoenergiebilanz Weizen 94

Gleichung 73: DDGS Energieerlös

W t MJ kg MJ W t kg W t kg ös Energieerl DDGS / 52 , 21738 / 80 , 21 * ) / 18 , 877 / 120 ( = + =

Der Erlös aus dem DDGS-Verkauf ist in Gleichung 74 berechnet worden. Gleichung 74: DDGS Erlös

Erlös DDGS

Alle Energieoutputs, die bei den Weizen-Modellen vorkommen, sind in Tabelle 50 aufgeführt. Der im Fermentationsprozess hergestellte Ethanol wie auch das DDGS und die Kleie wird in dieser Tabelle in seiner produzierten Menge und in seinem energetischen Wert aufgeführt. Der Heizwert für das DDGS in MJ pro kg TS ist aus Tabelle 25 entnommen worden. Alle Weizenenergieoutputs sind auf eine Tonne Weizen bezogen worden.

Tabelle 50: Gesamter Energieoutput Weizen-Modelle

Vollständigkeitsprüfung

Die in den Kapiteln 7.3.1 und Kapitel 7.3.2 ermittelten und berechneten Daten für die Allokationsverfahren sind auf anerkannte, wissenschaftliche Quellen zurückzuführen. Eine Vollständigkeit über den PE-Einsatz ist im landwirtschaftlichen Anbau und dem Transport zur Bioethanolproduktionsstätte gegeben. Der PE-Einsatz für die Enzymherstellung kann aufgrund der Angaben von Feesche J., Henkel KGaA nicht genau erfasst werden (vgl. Kapitel 7.1.2, S. 78 der vorliegenden Arbeit). Aus diesem Grund ist in dieser Diplomarbeit der PE-Einsatz für die Enzymherstellung nicht ausführlich betrachtet worden. Des Weiteren ist bei der Bioethanolproduktion aus Weizen von einer Biogasproduktion aus dem Lutterwasser aus der Destillation abgesehen worden. Durch die Wiederverwertung des Kondensatwassers aus der Evaporation fallen keine mit organischen Substanzen belasteten Abwässer aus der Produktion kontinuierlich an.

7.3.5 Allokationen Weizen

In den folgenden 4 Tabellen sind die Allokationen der In- und Outputs für die Weizen-Modelle 1 bis 3a dargestellt. Die zur Berechnung der Allokationen notwendigen Daten sind aus den Tabellen aus Kapitel 7.3.4, 7.3.3 und dem Kapitel 7.1.2 entnommen worden. Es sind der monetäre und der energetische Erlös der Outputs mit den zutreffenden Allokationsformen für die durch Allokationen miteinander verknüpften In- und Outputs dargestellt pro Tonne Weizen. Sowie der insgesamt verbleibende Energetischeerlös aus der Summe der unterschiedlichen Allokationen pro Tonne Weizen gekennzeichnet ist.

Nettoenergiebilanz Weizen 95

Weizen-Modell 1

In Tabelle 51 sind die monetären Allokationen und die Allokationen nach dem Heizwert für das Weizen-Modell 1 dargstellt. Dabei ist durch eine monetäre Allokation der Erlös aus dem DDGS vorrangig für die Bereitstellung des im Produktionsprozess eingesetzten Energieträgers Stroh verwendet worden (siehe Gleichung 75). Damit konnte die im Produktionsprozess durch eine HKW-Anlage zur Verfügung gestellte Energie gedeckt werden. Der verbleibende Erlös aus dem DDGS und dem Kleie verkauf ist ebenfalls berechnet worden in Gleichung 76. Gleichung 75: DDGS - Stroh

Stroh DDGS −

Gleichung 76: Resterlös DDGS - Stroh

W t Euro W t Euro W t Euro Stroh DDGS sterlös / 35 , 49 / 38 , 40 / 74 , 89 Re = − = −

Mit dem restlichen Erlös aus dem Stroh kauf, ist ein Teil der benötigten Menge am Rohstoff Weizen erworben worden. Die Allokationsform ist ebenfalls eine monetäre. Der PE-Einsatz der notwendig ist um den gekauften Weizen anzubauen ist auf den gesamten PE-Einsatz aus dem landwirtschaftlichen Weizenanbau gutgeschrieben worden. Für diese monetäre Allokation ist es notwenig eine mathematische Gleichung zu entwickeln die das Verhältnis des Jahresbedarfes an Weizen zu der erworbenen Menge an Weizen darstellt (siehe Gleichung 77). Gleichung 77: Weizenmenge DDGS - Stroh

t / 000 . 170

a t a t / 41 , 173 . 56 4935 , 0 * / 58 , 826 . 113 =

Die Variable x sagt aus, wie groß die bereitgestellte Menge an Weizen sein muss damit durch die DDGS-Allokation die zugekaufte Weizenmenge mit der bereitgestellten Menge den Jahresbedarf von 170.000 Tonnen Weizen entspricht. Multipliziert man diesen Wert mit dem Proportionalitätsfaktor 0,4935 so erhält man die durch die DDGS-Allokation erworbene Menge an Weizen in Tonnen pro Jahr. Dieser Wert ausgedrückt in % zum Gesamtjahresbedarf beläuft sich auf 33,62 % (siehe Gleichung 78). Gleichung 78: DDGS Allokation Stroh

Weizen Anteil

Mit diesem Prozentualanteil ist die Menge an bereitgestellter Energie pro Tonne Weizen bezogen auf den PE-Einsatz im Anbau berechnet worden. Der noch verbleibende Betrag an PE aus dem Weizenanbau und dem Transport ist durch eine Allokation durch den Heizwert des erzeugten Ethanol kompensiert worden. Der verbleibende energetische Erlös von 6475,65 MJ pro Tonne Weizen sagt aus das dieses Weizen-Modell über eine positive Nettoenergiebilanz verfügt. Dieser Wert ist bei einem Weizenertrag von 7,5 Tonnen pro Hektar übertragbar auf die Anbaufläche und beläuft sich auf 48.56 GJ/ha.

Nettoenergiebilanz Weizen 96

Tabelle 51: Allokationen der In- und Outputs Weizen-Modell 1

Weizen-Modell 2

Für das Weizen-Modell 2 ist eine monetäre Allokation aus dem Erlös des DDGS mit dem Erdgas vollzogen worden (siehe Gleichung 79). Gleichung 79: DDGS - Erdgas

EG DDGS −

Der Kauf von Erdgas reicht nicht aus um den gesamten benötigten Energiebedarf aus der Erdgasverbrennung in einer HKW-Anlage zu decken. Der verbleibende Rest nach der DDGS-Allokation wird durch eine Allokation durch den Heizwert mit dem produzierten Ethanolenergieoutput vollzogen. Sowie der PE-Einsatz aus dem Anbau und dem Transport auch durch eine Allokation durch den Heizwert mit Ethanol erfasst wird. Die Nettoenergiebilanz dieses Weizen-Modells ist positiv und der letztendlich verbleibende Energieerlös beläuft sich auf 1838,06 MJ pro Tonne Weizen (siehe Tabelle 52). Im Bezug auf die Anbaufläche liegt der Nettoenergiegewinn für 7,5 Tonnen Weizenertrag pro Hektar bei 13,78 GJ pro Hektar.

Tabelle 52: Allokationen der In- und Outputs Weizen-Modell 2

Weizen-Modell 3

Durch eine monetäre Allokation aus dem Erlös von DDGS und Kleie ist im Weizen-Model 3 die benötigte Menge an Braunkohle erworben worden (siehe Gleichung 80). Gleichung 80: DDGS - BK

W t Euro kg Euro W t kg BK DDGS / 28 , 79 / 18 , 0 * / 48 , 440 = = −

Der Resterlös aus dieser monetären Allokation ist in Gleichung 81 berechnet worden. Gleichung 81: Resterlös DDGS - BK

W t Euro W t Euro W t Euro BK DDGS sterlös / 46 , 10 / 28 , 79 / 74 , 89 Re = − = −

Mit dem Resterlös aus dieser monetären Allokation ist der Rohstoff Weizen erworben worden.

Nettoenergiebilanz Weizen 97

Um die erworbene Menge Weizen im Verhältnis zum Jahresbedarf an Weizen darzustellen ist wiederum die im Weizen-Modell 1 entwickelte Gleichung (Gleichung 77) verwendet worden. Es änderte sich in dieser Gleichung der Proportionalitätsfaktor auf 0,1046 für das Weizen-Modell 3 (siehe Gleichung 82). Gleichung 82: Weizenmenge DDGS - BK

t / 000 . 170

a t a t / 13 , 098 . 16 1046 , 0 * / 86 , 901 . 153 =

Aus der Variable x, welche die bereitgestellte Menge an Weizen ist die mit der DDGS - Braunkohle Allokation den gesamten Jahresbedarf von 170.000 Tonnen Weizen ergibt, wurde mit dem Proportionalitätsfaktor 0,1046 die Menge an Weizen die durch diese Allokation erworben worden ist berechnet. Der Prozentualanteil dieses Wertes zur Gesamtmenge beträgt 9,46 % (siehe Gleichung 83). Gleichung 83: DDGS Allokation BK

Weizen Anteil

Aus dem Prozentualanteil an Weizen durch die DDGS - Braunkohle Allokation ist der PE-Einsatz der für diese Weizenmenge notwendig ist im Anbau berechnet worden. Dieser Energiebetrag wird dem PE-Einsatz für den gesamten Anbau in der Landwirtschaft gutgeschrieben.

Die verbleibenden Energieinputs aus dem Anbau und dem Transport sind mit Allokationen durch den Heizwert mit dem Ethanolenergieoutput aufgewogen worden (siehe Tabelle 53). Die Nettoenergiebilanz ist auch bei diesem Weizen-Modell positiv. Der nach den Allokationsverfahren verbleibende Energieerlös liegt bei 6346,83 MJ pro Tonne Weizen. Hochgerechnet auf die Anbaufläche mit einem Weizenertrag von 7,5 Tonnen pro Hektar beträgt der Energieerlös 47,60 GJ pro Hektar.

Tabelle 53: Allokationen der In- und Outputs Weizen-Modell 3

Nettoenergiebilanz Weizen 98

Weizen-Modell 3a

Das Weizen-Modell 3a ist durch eine monetäre Allokation des DDGS mit Braunkohle gekennzeichnet (siehe Gleichung 84). Gleichung 84: DDGS Erlös - BK

Erlös DDGS

Der Resterlös aus der monetären Allokation von DDGS und Braunkohle ist mit 19,94 Euro pro Tonne Weizen in Gleichung 85 berechnet worden. Gleichung 85: Resterlös DDGS - BK

W t Euro W t Euro W t Euro BK DDGS sterlös / 94 , 19 / 80 , 69 / 74 , 89 Re = − = −

Dieser Betrag ist eingesetzt worden um in einer weiteren monetären Allokation den benötigten Netzstrom zu erwerben (siehe Gleichung 86). Gleichung 86: Netzstrom - DDGS

Netzstrom DDGS −

Die dadurch erworbene Energiemenge an Strom ist aber nicht ausreichend. Deshalb ist durch eine Allokation durch den Heizwert mit dem Ethanolenergieoutput der gesamte Bedarf gedeckt worden. Der landwirtschaftliche Anbau und Transport ist durch dasselbe Allokationsverfahren mit dem restlichen Ethanolenergieoutput ausgeglichen worden. Die Nettoenergiebilanz ist wiederum positiv ausgerichtet mit einem Energiegewinn von 5342,23 MJ pro Tonne Weizen (siehe Tabelle 54). Hochgerechnet auf den Ertrag von 7,5 Tonnen Weizen pro Hektar Anbaufläche beläuft sich der Energiegewinn auf 40,06 GJ pro Hektar.

Tabelle 54: Allokationen der In- und Outputs Weizen-Modell 3a

Nettoenergiebilanz Weizen 99

7.3.6 Energiebilanz der Weizen-Modelle

Die in Abbildung 25 aufgeführten Energieerlöse und Heizwerte für das Nebenprodukt DDGS sowie für das Endprodukt Ethanol sind im Gegensatz zu den Energieinputs mit der Verlustleistung der Feuerungsanlagen in MJ pro Tonne Weizen dargestellt.

Abbildung 25: PE Output Vergleich Weizen-Modelle

Output Vergleich Weizen-Modelle

12000

9000

6000

3000 MJ/t

-3000

-6000

-9000

-12000

Output DDGS Output Ethanol Input

In Abbildung 26 sind die Energiegewinne aller 4 Weizen-Modelle in MJ pro Hektar Anbaufläche dargestellt.

Abbildung 26: Nettoenergiebilanz Weizen-Modelle

Nettoenergiebilanz Weizen-Modelle

50 40 30 ^GJ/ha

20 10 0

Default-Wert Weizen 100

Sensitivitätsprüfung

Das Ziel der Untersuchung im Rahmen dieser Diplomarbeit ist mit dem Ergebnis der Sachbilanz für alle 4 Weizen-Modelle erfüllt worden. Es ist eine positive Nettoenergiebilanz für die Produktion von Ethanol aus Weizen aufgezeigt worden. Die Ergebnisse und Schlussfolgerungen dieser Untersuchung sind im Rahmen der gegebenen Marktpreisschwankungen und den damit durchgeführten monetären Allokationen sowie der ausführlichen Betrachtung des Produktionsprozesses im Bioethanolwerk vertrauenswürdig. Diese Untersuchung der Bioethanolproduktion mit Weizen kommt zu dem Schluss, dass die Bioethanolproduktion aus diesem Rohstoff sich aus der Betrachtungsweise des PE-Einsatzes im Bezug zu dem energetischen Nutzen aus dem Brennstoff Ethanol und den Nebenprodukten lohnt. Somit ist es möglich mit Bioethanol den fossilen Treibstoff unter Energiegewinn zu ersetzen.

Konsistenzprüfung

Die in dieser Untersuchung verwendeten Allokationsverfahren entsprechen den der EN ISO 14044/40 und die Ermittlung des PE-Einsatzes ist bei allen 4 Weizen-Modellen nach derselben Vorgehendweise erstellt worden. Die Lebenswege in der Landwirtschaft und im Bioethanolwerk entsprechen den gebräuchlichen Vorgehensweisen in dem Zielsystem Deutschland. Die Systemgrenze Deutschland ist für alle Weizen-Modelle ausgewählt worden.

7.3.7 Default-Wert Berechung Weizen

In Tabelle 55 ist die Energiemenge der einzelnen Energieträger aufsummiert worden die in den Produktionsprozessen von der Landwirtschaft bis zur Bioethanolproduktion benötigt werden. Die Energiebeträge für die Steinkohle sind mit in die Braunkohlebeträge aufgenommen worden und der Strom ist nur als EVU Strom betrachtet worden. In dieser Tabelle ist auch der vom Weizen-Modell 1 benötigte Energiebetrag aus dem Stroh aufgeführt. Diese Daten sind auf einen Hektar Anbaufläche bezogen und beinhalten den PE-Einsatz für die Förderung und Breitstellung der Energieträger (vgl. Kapitel 7.1.3, S. 78f der vorliegenden Arbeit).

Tabelle 55: Energieaufteilung Weizen

Die Energieträger Heizöl S, Diesel und Strom sind weiter unterteilbar in PE-Träger. Dies ist in Tabelle 56 dargestellt worden. Zur Berechnung der Werte sind die Daten aus Kapitel 7.1.3, S. 78ff verwendet worden. Durch die Prozentualverteilung der PE-Träger in den genannten Energieträgern sind die

Default-Werte Weizen 101

Mengen berechneter Anteile der PE-Träger aus Tabelle 55 und die ursprünglich vorhandenen PE-Träger aus Tabelle 55 in Tabelle 56 aufsummiert worden. Die Berechnung der CO 2 -Erzeugung pro Hektar erfolgte aus den aufsummierten PE-Trägren in Tabelle 56 und mit den Daten aus Tabelle 24 über die CO 2 -Fracht der PE-Träger (siehe Gleichung 87). ^{Gleichung 87: CO} 2 ^-Menge ha kg in CO BK EG Erdöl Menge CO / 083 , 0 * 05 , 0 * 077 , 0 * = + + = −

2 2

Die in Gleichung 87 berechnete CO 2 -Menge in kg pro Hektar wurde in Gleichung 88 mit den Daten aus Tabelle 2 und 11 auf 1 GJ Ethanolenergie umgerechnet. Siehe Gleichung 88: Default-Wert

Wert Default −

Zur Berechnung des Default-Wertes der Strohverbrennung wurde in Gleichung 89 die Menge an Weizen die zur Erzeugung von 1 GJ Ethanolenergie notwendig ist berechnet. Mit der CO 2 -Bildungsmenge aus Tabelle 13 von 0,1 kg CO 2 pro MJ Strohbrennstoff und dem Energiebedarf aus der Strohverbrennung aus Tabelle 51 mit 10394,36 MJ pro Tonne Weizen wurde in Gleichung 90 der Default-Wert für den Stroh berechnet. Dieser Wert wurde zu dem Default-Wert der PE-Träger Verbrennung in Tabelle 56 für das Weizen-Modell 1 hinzuaddiert. Gleichung 89: Masse Weizen pro GJ

W Masse =

^{Gleichung 90: CO} 2 pro GJ

CO =

2

Tabelle 56: PE-Träger Weizen Default-Werte

Aus den Ergebnissen aus Tabelle 56 ist ersichtlich das mit Heizkraftwerken (Weizen-Modell 3) im Gegensatz zu Heizwerken (Weizen-Modell 3a) deutlich bessere Default-Werte erreicht werden können. Bei der Strohverbrennung wird viel CO 2 pro GJ Ethanol produziert. Die Braunkohleverbrennung ist ebenfalls mit sehr hohen CO 2 -Emission verbunden. Niedere Default-Werte können mit Erdgas erzielt werden.

Nettoenergiebilanz Zuckerrüben 102

7.4 Bioethanolproduktion aus Zuckerrüben

Bei der Energieaufwand Betrachtung für die Bioethanolerzeugung aus Zuckerrüben wird von dem in der Industrie vorhandenen, halbkontinuierlichen Verfahren der Bioethanol GmbH in Anklam ausgegangen (siehe Abbildung 19).

7.4.1 Prozessmodule für die Bioethanolproduktion

Der erste Produktionsschritt des halbkontinuierlichen Ethanolfermentationsverfahrenes besteht aus der der Gewinnung von Dicksaft aus Zuckerrüben. In dieser Diplomarbeit wird von der Reinigung des Rohsaftes für die Bioethanolfermentation abgesehen. Die für die Rohsaftgewinnung notwendigen Verfahren mit ihrem eingesetzten Energiebedarf sind in Tabelle 57 aufgeführt.

Tabelle 57: Energie für Dicksaftherstellung

(Tabelle nach Kalschmitt M. u. Reinhardt G., 1997, S. 239 u. eigene Berechnungen)

In dieser Diplomarbeit werden Energieeinsparungsmaßnahmen geltend gemacht durch eine Wärmerückkopplung des pasteurisierten Rohsaftes. Dieser wird soweit abgekühlt das durch beimischen der weiteren Fermentationszutaten die Anstelltemperatur für die Fermentation in einem Rührtank erreicht wird. Die durch die Wärmerückkopplung gewonnene Wärme wird für die Verdampfungstrocknung der Zuckerrübenschnitzel eingesetzt. Der in Tabelle 58 aufgeführte Strombedarf für die Gärung der Fermentationsmischung pro kg reinem Alkohol (Ethanol) ist auf das Mischwerk im Rührtank zurückzuführen. Für den Mischungsprozess der Fermentationssubstrate im Rührtank wird in dieser Diplomarbeit derselbe Strombedarf pro kg reinem Alkohol in Zeile Mischung Substrate verwendet. Ebenso sind die Werte für die Destillation, Rektifikation und Absolutierung durch ein Molekularsieb aufgeführt in dieser Tabelle. Die in dieser Tabelle aufgeführten Werte pro kg reinem Alkohol sind nach den Daten aus Tabelle 10 umgerechnet worden in pro Tonne Zuckerrüben. Dort ist aufgeführt das aus einer Tonne Zuckerrüben 43,24 kg Ethanol hergestellt werden.

Nettoenergiebilanz Zuckerrüben 103

Tabelle 58: Zuckerrüben Ethanol

(Tabelle nach Kaltschmitt M. u. Reinhardt G., 1997, S. 239 u. eigene Berechnungen)

Laut den Angaben von Friedl A., 2005, S. 33 sind für die Fermenterkühlung, ausgedrückt in Wärmeenergie, von Zuckerrüben und Weizen dieselben energetischen Beträge notwendig (siehe Tabelle 59). Der in dieser Tabelle aufgeführte Wert pro kg reinem Alkohol ist mit den Daten aus Tabelle 10 umgerechnet worden in eine Tonne Rüben.

Tabelle 59: Kühlung Fermentation

(Tabelle nach Friedl A. et al., 2005, S. 33 u. eigene Berechnungen)

Der Energieaufwand zur Erzeugung von Zuckerrübenschnitzel und für das Auspressen der Zuckerrübenschnitzel ist in Tabelle 57 aufgeführt. Zur ZRS-Weiterverarbeitung zu Substraten für die Biogasgewinnung werden die extrahierten Zuckerrübenschnitzel nur ausgepresst und durch ein Dreiwalzwerk zerkleinert (Energieaufwand der Zerkleinerungsanlage siehe Tabelle 60).

Tabelle 60: ZRS-Zerkleinerung Biogas

(Tabelle nach Vauck W. u. Müller H., 1994, S. 335)

Der Energieaufwand zur ZRS-Zerkleinerung pro Tonne Zuckerrüben ist nach den Daten aus Tabelle 10 und Tabelle 60 in Gleichung 91 berechnet worden. Es sind somit für die Zerkleinerung der ZRS 43,82 MJ elektrische Leistung pro Tonne Rüben aufzubringen. Gleichung 91: Zerkleinerung ZRS

ung Zerkleiner

Nettoenergiebilanz Zuckerrüben 104

Diese zerkleinerten Zuckerrübenschnitzel werden für die Biogasproduktion in einer Biogasanlage mit dem anfallenden Brüden aus der Schlempeeindampfung fermentiert. Die notwendige Energie zur Vinasenerzeugung aus der Schlempe ist in Tabelle 61 aufgeführt. Dieser Wert ist aus der Bioethanolerzeugung aus Weizen entnommen worden und stellt somit nur einen Näherungswert für den Energiebedarf zur Gewinnung des Schlempeeindampfungsproduktes Vinasse dar. Die Umrechnung von einer Tonne Vinsasse auf eine Tonne Rüben beruft sich auf die Daten aus Tabelle 10.

Tabelle 61: Schlempeeindampfung

(Tabelle nach Kaltschmitt M. u. Reinhardt G., 1997, S. 247 u. eigene Berechnungen)

Werden die Zuckerrübenschnitzel als Tierfutter verwendet, so werden sie nach dem Extrahieren noch gepresst, getrocknet und pelletiert. Der dazu benötigte Energieaufwand ist in Tabelle 57 aufgeführt.

7.4.2 Sachbilanz der Zuckerrüben-Modelle Input, Output

In Tabelle 62 sind die 4 Zuckerrüben-Modelle für die Bioethanolgewinnung aus Zuckerrüben mit deren Allokationen dargestellt.

Tabelle 62: Modelle Zuckerrüben

Nettoenergiebilanz Zuckerrüben 105

7.4.3 Input Zuckerrüben-Modelle

In Tabelle 63 sind die in Kapitel 7.2 und die in Kapitel 7.4.1 berechneten Werte für den Energieverbrauch pro Tonne Zuckerrüben für die 4 Zuckerrüben-Modelle zusammengestellt und aufsummiert worden.

Tabelle 63: Input Zuckerrüben

Prozessenergie Erzeugung

Die Daten über die Zuckerrüben-Modelle die in Tabelle 64 aufgeführt sind, sind aus den Daten der Tabelle 63 und der Tabelle 13 berechnet worden. Es gelten die folgenden Gleichungen für die Berechnung der Gesamtleistung der HKW-Feuerungsanlagen und für die HW-Feuerungsanlagen. Gleichung 70: Gesamtleistung HKW

tung Gesamtleis

Gleichung 71: Heizleistung HW

ng Heizleistu

Die Masse des Brennstoffes pro Tonne Zuckerrüben ist aus der Gesamtleistung in MJ pro Tonne Zuckerrüben und mit den Daten aus Tabelle 23 berechnet worden. Der Netzstromwert bezieht sich auf die von der Anlage benötigte elektrische Leistung pro Tonne Zuckerrüben.

Tabelle 64: Energieinput von Feuerungsanlagen ZR

In Tabelle 65 ist der PE-Einsatz bei den Zuckerrüben-Modellen 5 und 7a für die Stromnutzung aus dem Netz aus der Summe der von der Feuerungsanlage benötigten elektrischen Leistung (siehe Tabelle 64) und der von der Produktion benötigten elektrischen Leistung (siehe Tabelle 63) aufsummiert worden. Mit dem errechneten Wert der PE für die Stromerzeugung (EVU) von 2,069 MJ PE für 1 MJ elektrischer Energie ist der gesamte PE-Einsatz für die elektrische Leistung bei diesen Modellen berechnet worden siehe folgende Gleichungen.

Nettoenergiebilanz Zuckerrüben 106

Gleichung 92: PE-Strom Modell 5

ZR t MJ PE MJ ZR t MJ ZR t MJ Strom PE / 18 , 202 069 , 2 * ) / 26 , 94 / 46 , 3 ( = + = −

Gleichung 93: PE-Strom Modell 7a

ZR t MJ PE MJ ZR t MJ ZR t MJ Strom PE / 99 , 168 069 , 2 * ) / 72 , 75 / 96 , 5 ( = + = −

Tabelle 65: Gesamter PE-Input ZR-Modelle

Ergebnisse der Sachbilanzinputs

In Abbildung 27 sind für alle 4 Zuckerrüben-Modelle die PE-Einsätze pro Tonne Zuckerrüben ohne die Verluste aus den Feuerungsanlagen dokumentiert. Der landwirtschaftliche Energieinput beinhaltet den Anbau und den Transport der Zuckerrüben zum Bioethanolunternehmen. Die Konversion schließt die Dicksaftherstellung und den gesamten Fermentationsprozess mit ein. Zu dem Energieinput der Destillation gehören die Destillation, Rektifikation und die Absolutierung durch ein Molekularsieb. Die Nebenprodukte sind in den Zuckerrüben-Modellen unterschiedlich. Biogas wird nur in den Modellen 5 und 7 produziert bei den beiden anderen Modellen werden die ZRS getrocknet und pelletiert.

Abbildung 27: PE-Inputs Zuckerrüben-Modelle

Inputs Zuckerrüben-Modelle 1600 1400 1200 ^{PE in MJ/t}

1000 800 600 400 200 0

Nettoenergiebilanz Zuckerrüben 107

7.4.4 Output Zuckerrüben-Modelle

Ethanolenergie

Es ist in allen 4 Zuckerrüben-Modellen vom gleichen Ethanolertrag, wie er von der Anklamer Bioethanol GmbH postuliert wird, ausgegangen worden. Dieser Betrag ist bezogen auf eine Tonne Zuckerrüben auf 43,24 kg Ethanol umgerechnet worden (siehe Tabelle 10). Aus diesem Wert und dem Heizwert für Ethanol aus der Tabelle 2 ist der Energiebetrag pro Tonne Zuckerrüben für die Verbrennung von Ethanol für die 4 Zuckerrüben-Modelle berechnet worden (siehe Gleichung 94). Aufgelistet ist dieser Wert in Tabelle 67. Gleichung 94: Ethanolenergie

ZR t MJ kg MJ ZR t kg rgie Ethanolene / 83 , 1158 / 8 , 26 * / 24 , 43 = =

Biogasproduktion

In zwei der Zuckerrüben-Modelle Modell 5 und Modell 7 wird aus dem einselierten ZRS-Presskuchen und aus dem Brüdenkondensat aus der Schlempetrocknung in einer Covergärung im UASB-Reaktor Biogas erzeugt (vgl. Kapitel 6.3, S. 68 der vorliegenden Arbeit). Dieses Biogas wird in diesen beiden Modellen als Energieträger für den Herstellungsprozess eingesetzt. Bei diesen beiden Zuckerrüben-Modellen wird auch aus dem Abwasser und dem Lutterwasser aus der Destillation Biogas produziert. Der einsilierte ZRS-Presskuchen weist einen Gehalt an organischer Masse von 929 g pro kg ZRS auf (http://www.zuckerverbaende.de/pdf/VdZ_Futtermittel _Konzept _2_Auflage _2003.pdf, 03.12.2007). Die Aufkonzentrierung der Schlempe [Weizen] zu Sirup mit einem Multi-Effekt-Evaporator führt zu dem

Koppelprodukt Evaporatorkondensat, welches wenig organischen Stoffe (CSB < 10 g/dm ³ ) und beinahe keine anorganische Salze beinhaltet (Wilkie C. et al., 2000, S. 75f, übersetzt vom Verfasser der vorliegenden Arbeit). In dieser Diplomarbeit wird aufgrund der nahezu homologen verfahrenstechnischen Vorgehensweise zur Gewinnung des Evaporatorkondensats oder des Brüdenkondensats in der Zuckerrübentechnologie von einem gleichen CSB-Wert beider Koppelprodukte ausgegangen (vgl. Kapitel 5.2.3, S. 44f der vorliegenden Arbeit). Mit den genannten Daten und den Daten über die Massenströme bei Zuckerrüben aus Tabelle 10 sowie den Daten über den UASB-Reaktor aus Tabelle 15 ist das Volumen an Biogas für eine Tonne Zuckerrüben in Tabelle 66 dargestellt worden. Berechungen sind in den folgenden Gleichungen pro Tonne Zuckerüben dargestellt. Gleichung 95: Biogas ZRS

^{3 3} ZR t m ZR t kg OS kg m ZRS kg kg ZRS BG / 70 , 11 / 45 * / 28 , 0 * / 929 , 0 = =

Gleichung 96: Biogas Brüden

^{3 3} ZR t m ZR t kg CSB kg m Brüden kg kg Brüden BG / 13 , 0 / 48 * / 28 , 0 * / 01 , 0 = =

Nettoenergiebilanz Zuckerrüben 108

Tabelle 66: Biogasproduktion ZRS, Brüden

Mit dem berechneten Wert für Biogas pro Tonne Zuckerrüben aus der Tabelle 66 und mit dem Heizwert von Biogas aus Tabelle 23 ist für die Zuckerrüben Biogas-Modelle 5 und 7 ist der Energieoutput aus der Biogasproduktion mit 312,41 MJ pro Tonne Zuckerrüben berechnet worden (siehe Gleichung 97). Es ist

von einer Dichte des Biogases von 1,2 kg pro m ³ ausgegangen worden (http://www.kompost-biogas.info/ article/articleview /25682/1/1448, 26.01.2008). Gleichung 97: Biogas M5, M7

^{3 3} ZR t MJ kg MJ m kg ZR t m BG / 41 , 312 / 22 * / 2 , 1 * / 834 , 11 = =

Aus dem Reinigungsabwasser der Zucker- und Bioethanolindustrie lässt sich ebenso Biogas erzeugen. Diese Abwässer sind mit einem CSB-Gehalt von 1,5 bis 6 kg pro Tonne Zuckerrüben belastet. Das bei der Alkohol-Wasser-Trennung durch Destillation abgetrennte Lutterwasser weisst einen CSB-Wert von 0,026 bis 0,062 kg pro kg reinem Alkohol auf (Austmeyer et al., 1987, zit. n. Kalschmitt M. u. Reinhardt G., 1997, S. 240). Aus diesen beiden Substraten kann Biogas mit einer Energieausbeute von 60 MJ pro Tonne Zuckerrüben erzeugt werden. Das erzeugte Biogas kann in allen Feuerungsanlagen verwendet werden außer in solchen die mit einer Gasturbine betrieben werden (Kalschmitt M. u. Reinhardt G., 1997, S. 240). Somit kommt ein zusätzlicher Biogaseinsatz als Brennstoff nur bei den Biogas-Modellen 5 und 7 infrage.

In Tabelle 67 sind alle Energieoutputs die bei der Bioethanolproduktion mit Zuckerrüben zum Einsatzkommen aufgelistet. Der Heizwert der Zuckerrübenschnitzel für die Zuckerrüben-Modelle 6 und 7a sind mit dem Heizwert TS aus Tabelle 25 und der im Produktionsprozess anfallenden Masse von 45 kg pro Tonne Zuckerrüben (siehe Tabelle 10) berechnet worden in Gleichung 98. Der Heizwert der Zuckerrübenvinasse ist mit dem OS-Wert aus Tabelle 25 und dem in Tabelle 10 aufgeführten Anteil von 19,25 kg Vinasse pro Tonne Zuckerrüben berechnet worden (siehe Gleichung 99). Gleichung 98: Heizwert ZRS

ZR t MJ TS kg MJ ZR t kg Heizwert ZRS / 50 , 733 / 30 , 16 * / 45 = =

Gleichung 99: Heizwert Vinasse

ZR t MJ OS kg MJ ZR t kg Heizwert Vinasse / 60 , 138 / 2 , 7 * / 25 , 19 = =

Nettoenergiebilanz Zuckerrüben 109

Tabelle 67: Gesamter Energieoutput ZR-Modelle

Vollständigkeitsprüfung

Aus anerkannten wissenschaftlichen Quellen sind die Daten aus dem Kapitel 7.4.2 berechnet worden. Der PE-Einsatz im landwirtschaftlichen Bereich ist umfassend auf den Anbau und den Transport der Rohstoffe bezogen worden. Alle im Anbau und Transport erforderlichen Energieeinsätze sind nach dem PE-Einsatz untersucht worden. Der PE-Einsatz ist in allen notwendigen Prozessabläufen im Bioethanolherstellungsprozess auf den gesamten Ablauf von der Rohstoffaufbereitung über die Fermentation bis zur Trennung vom Ethanol-Wasser-Gemisch dokumentiert worden. Der PE-Einsatz für die Sulfatherstellung ist in allen 4 Zuckerrüben-Modellen vernachlässigt worden. Bei der Bioethanolherstellung ist bei 2 Zuckerrüben-Modellen durch die Biogasgewinnung mit Abwasser und Destillationsrückständen ein Energieoutput erzielt worden. Sowie in diesen Modellen mit dem Nebenprodukt ZRS und dem Brüdenkondensat Biogas für die Prozessenergie bereitgestellt wurde.

7.4.5 Allokationen Zuckerrüben-Modelle

In den folgenden 4 Tabellen sind die Allokationen der In- und Outputs für die Zuckerrüben-Modelle 5 bis 7a dargestellt. Die zur Berechnung der für die Allokation notwendigen Daten sind Daten aus den Tabellen 65 und der Tabelle 67 sowie die Daten aus dem Kapitel 7.1.2 verwendet worden. Der energetische Erlös der Outputs wird durch die Allokation nach dem Heizwert für die miteinander verknüpften In- und Outputs in den Tabellen dargestellt pro Tonne Zuckerrüben. Sowie der insgesamt verbleibende energetische Erlös aus der Summe der Allokationen pro Tonne Zuckerrüben gekennzeichnet ist.

Zuckerrüben-Modell 5

Der energetische Betrag in Tabelle 68 für den Biogasoutput setzt sich aus der Biogaserzeugung und dem Biogas aus der Entsorgung zusammen. Da die durch die Biogasgewinnung bereitgestellte Energie nicht ausreicht um die vom Heizwerk geforderte Energie zu decken wurde das Defizit durch eine Befeuerung mit Erdgas gedeckt. Mit den folgenden Allokationen durch den Heizwert mit den Energieoutputs Ethanol und Vinasse ist ein verbleibender energetischer Erlös von 53,17 MJ pro Tonne Zuckerrüben verblieben. Hochgerechnet auf den Energieerlös pro Hektar mit einer Masse von 58 Tonnen Zuckerrübenernte pro Hektar beläuft sich der Erlös auf 3,08 GJ pro Hektar.

Nettoenergiebilanz Zuckerrüben 110

Tabelle 68: Allokationen der In- und Outputs ZR-Modell 5

Zuckerrüben-Modell 6

In Tabelle 69 ist der energetische Gesamterlös der mit Allokationen durch den Heizwert mit den Energieinputs und Energieoutputs erzielt wurde und der sich auf 585,89 MJ pro Tone Zuckerrüben beläuft dargestellt. Auf 33,98 GJ pro Hektar wurde der Energieerlös für die Erntemenge von 58 Tonnen Zuckerrüben pro Hektar berechnet.

Tabelle 69: Allokationen der In- und Outputs ZR-Modell 6

Zuckerrüben-Modell 7

Das im Zuckerrüben-Modell 7 erzeugte Biogas setzt sich aus dem Biogas, welches aus dem Nebenprodukt ZRS und dem Bürdenkondensat hergestellt worden ist und dem Biogas aus der Entsorgung zusammen. Diese Biogasmenge ist aber zu gering um den gesamten Energiebedarf im Heizkraftwerk zu decken. Deshalb wird als zweiter Brennstoff Erdgas im Heizkraftwerk eingesetzt. Mittels Allokationen durch den Heizwert mit den Energieinputs und Outputs beläuft sich der energetische Erlös in diesem Zuckerrüben-Modell auf 246,61 MJ pro Tonne Zuckerrüben (siehe Tabelle 70). Hochgerechnet auf den Energieerlös pro Anbaufläche beläuft sich dieser Wert auf 14,30 GJ pro Hektar bei einem Ernteertrag von 58 Tonnen Zuckerrüben pro Hektar.

Tabelle 70: Allokationen der In- und Outputs ZR-Modell 7

Nettoenergiebilanz Zuckerrüben 111

Zuckerrüben-Modell 7a

Im Zuckerrüben-Modell 7a beträgt der Energieerlös mittels den Allokationen durch den Heizwert der Energieinputs und Energieoutputs 427,23 MJ pro Tonne Zuckerrüben (siehe Tabelle 71). Bei einer Ernte von 58 Tonnen Zuckerrüben pro Hektar liegt der Erlös bei 24,77 GJ pro Hektar.

Tabelle 71: Allokationen der In- und Outputs ZR-Modell 7a

7.4.6 Energiebilanz der Zuckerrüben-Modelle

In Abbildung 28 sind die Energieinputs mit den Feuerungsanlagen Verlusten der Zuckerrüben-Modelle den Energieoutputs gegenübergestellt. Der Energieoutput von Biogas schließt die Erzeugung und die Entsorgung sowie die Energie aus der Vinasse mit ein. Der Energieoutput aus den ZRS beinhaltet zusätzlich die Energie aus der Vinasse. Das Endprodukt Ethanol ist wie die andern Energiegrößen in MJ pro Tonne Zuckerrüben aufgeführt.

Abbildung 28: PE Output Vergleich Zuckerrüben-Modelle

Output Vergleich Zuckerrüben-Modelle

1800 1400 1000 600 200 ^MJ/t -200 -600 -1000 -1400 -1800

Aus Abbildung 28 ist ersichtlich, dass der Energieinput bei den Heizkraftwerken in den Zuckerrüben-Modellen 6 und 7 geringer ausfällt als die Verwendung von Heizwerken mit Netzstrom in den Modellen 5 und 7a.

Nettoenergiebilanz Zuckerrüben 112

Die Energiegewinne die aus den 4 Zuckerrüben-Modellen gewonnen werden können sind in Abbildung 29 dargestellt. Die in der Abbildung aufgeführten Zahlen beziehen sich auf die Anbaufläche von einem Hektar.

Abbildung 29: Nettoenergiebilanz Zuckerrüben-Modelle

Nettoenergiebilanz Zuckerrüben-Modelle

40

30

GJ/ha 20

10

0

Sensitivitätsprüfung

Die in dieser Diplomarbeit durchgeführte Untersuchung über die Nettoenergiebilanz der Bioethanolherstellung aus Zuckerrüben ist zu folgendem Ergebnis gekommen. Es sind 4 Zuckerrüben-Modelle untersucht worden und alle Modelle wiesen eine positive Nettoenergiebilanz auf. Es wird somit durch die Herstellung von Ethanol aus Zuckerrüben mehr Energie durch das produzierte Ethanol bereitgestellt als für seine Produktion benötigt wird. Aus Gründen der Vergleichbarkeit sind alle 4 Zuckerrüben-Modelle mit der Allokationsform nach dem Heizwert durchgeführt worden. Ergebnisse und Schlussfolgerungen dieser Untersuchung beruhen auf der Berechnungsgrundlage und dem Umfang, wie er für Nettoenergiebilanzen durchgeführt wird.

Konsistenzprüfung

In dieser Untersuchung sind Allokationsverfahren nach EN ISO 14044/40 durchgeführt worden. Für alle 4 Zuckerrüben-Modelle gelten sie selben Lebenswege unterschiede sind in der Handhabungsweise der Nebenprodukte geltend gemacht worden. Als Systemgrenze ist für alle Zuckerrüben-Modelle Deutschland gewählt worden. Sowie alle Zuckerrüben-Modelle nach den gleichen Allokationsverfahren bewertet worden sind.

Default-Werte Zuckerrübe 113

7.4.7 Default-Wert Berechung Zuckerrüben

Die in Tabelle 72 aufgestellten Daten stellen die aufsummierte Energiemenge der einzelnen Energieträger dar. Es ist der Herstellungsprotzes von der Landwirtschaft bis zur Ethanolherstellung betrachtet worden. Die Energiebeträge für die Steinkohle sind mit in die Energiebeträge der Braunkohle aufgenommen worden und der Strom ist nur als EVU Strom betrachtet worden. Der ebenfalls aufgeführte Biogaswert ist der entnommene Wert aus der Produktion hochgerechnet auf ein Hektar. In Tabelle 72 ist die Summe aus den Energieträgern, welche im Anbau und Transport verwendet werden aufgelistet worden. Die Energie die von den Energieträgern für die Feuerungsanlagen bereitgestellt wird ist zu den jeweiligen, zutreffenden Energieträgern aus dem Anbau und dem Transport hinzuaddiert worden. Die Energieträger für die Feuerungsanlagen wurden auf pro Hektar hochgerechnet (siehe folgende 3 Gleichungen). Gleichung 96: EG Modell 5

ha MJ ha ZR t ZR t MJ ha MJ M EG / 64 , 563 . 52 / 58 * / 80 , 875 / 24 , 1767 5 = + = Gleichung 97: EG Modell 6

ha MJ ha ZR t ZR t MJ ha MJ M EG / 96 , 968 . 75 / 58 * / 34 , 1279 / 24 , 1767 6 = + = Gleichung 98: EG Modell 7

ha MJ ha ZR t ZR t MJ ha MJ M EG / 20 , 104 . 53 / 58 * / 12 , 885 / 24 , 1767 7 = + =

In den Zuckerrüben-Modellen 5 und 7a ist auch die von der Feuerungsanlage und die im Produktionsprozess benötigte elektrische Leistung zu den Daten aus dem Anbau und der Landwirtschaft hinzuaddiert worden (siehe folgende 2 Gleichungen). Gleichung 99: Strom M5

ha MJ ha t t MJ t MJ ha MJ M Strom / 35 , 6264 / 58 * ) / 26 , 94 / 46 , 3 ( / 59 , 596 5 = + + = Gleichung 100: Strom M7a

ha MJ ha t t MJ t MJ ha MJ a M Strom / 03 , 5334 / 58 * ) / 72 , 75 / 96 , 5 ( / 59 , 596 7 = + + =

Der Energieträger für die Feuerungsanlage im Zuckerrüben-Modell 7a ist Heizöl L. Dieser Energiebetrag wird ebenfalls dem Betrag für Heizöl L aus dem Anbau und dem Transport hinzuaddiert (siehe Gleichung 101). Gleichung 101: HL Modell 7a

ha MJ ha MJ ha t t MJ a M L Heizöl / 78 , 603 . 73 / 2 , 1 / 58 * / 01 , 1269 7 = + =

Tabelle 72: Energieaufteilung Zuckerrüben

Default-Werte Zuckerrübe 114

Die Energieträger Heizöl L, Heizöl S, Diesel und Strom sind weiter unterteilbar in PE-Träger. In Tabelle 73 sind die Zuckerrüben-Modelle nach ihren PE-Trägern aufgeteilt worden. Zur Berechnung der Werte sind die Daten aus Kapitel 7.1.3 verwendet worden. Dort sind die prozentualen Verteilungen der PE-Träger in den Energieträgern aufgezeigt. Mit den in Tabelle 24 aufgeführten Daten über die CO 2 -Fracht bei der Verbrennung der PE-Träger ist die CO 2 -Erzeugung in kg pro Hektar für die Summe der PE-Träger der einzelnen Modelle berechnet worden. Der aus diesem Wert resultierende Default-Wert ist für die Zuckerrüben-Modelle ohne Biogasproduktion nach Gleichung 102 und mit den Daten aus Tabelle 10 berechnet worden. Gleichung 102: Default-Wert M6 und M7a

Wert Default −

Die Default-Wert-Berechnung für die Zuckerrüben-Modelle, bei welchen Biogas erzeugt wird, ist auf der Grundlage der Default-Wert Berechnung ohne Biogas erfolgt. Die CO 2 -Menge pro GJ, die durch das Biogas entsteht, ist zum Default-Wert hinzuaddiert worden. Berechnung dieser CO 2 -Menge pro GJ siehe Gleichung 103. Dazu sind die Daten über die Biogasverbrennung aus Tabelle 13 herangezogen worden. Gleichung 103: Default-Wert BG

Default BG

Tabelle 73: PE-Träger Zuckerrüben Default-Wert

Die Ergebnisse aus der Tabelle 73 sagen aus das das Zuckerrüben-Modell mit dem Erdgasbrennstoff die geringste CO 2 -Emissionen aufweist. Durch eine Biogasverbrennung und durch Netzstromnutzung verschlechtert sich das Default-Wert-Ergebnis. Es ist wiederum ersichtlich, dass durch Heizkraftwerk-Feuerungsanlagen geringere Default-Werte erzielt werden können als durch Heizwerke und Netzstrom. Heizöl L verbrennt mit den höchsten CO 2 -Emissionen.

Bioethanol Berichte 115

8 UNTERSUCHUNG DER BIOETHANOLBERICHTE

In dieser Diplomarbeit werden Studien untersucht, die mit der Aufgabenstellung in dieser Diplomarbeit verglichen werden können. Somit sind Studien die auf der Grundlage der EN ISO 14040 bis EN ISO 14043 über Energiebilanzen für die Bioethanolproduktion aus Zuckerrüben und Weizen im Geltungsbereich Deutschland bzw. mittel Europa und gesamt Europa betrachtet worden. Der Zweck dieser Studien ist es den gesamten Bioethanolherstellungsprozess mit dem dazu notwendigen Energieaufwand aus primären Energieträgern aufzugeigen. Sowie aus den berechneten Daten eine Analyse über den energetischen Gewinn von Kraftstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen aufgezeigt werden soll und um sie mit dem Energieaufwand von fossilen Energieträgern zu vergleichen. Die Ergebnisse dieser Studien sollen Produktionswege aufzeigen, wie mit energetischem Gewinn Biotreibstoffe von der Landwirtschaft bis zur Verbrennung im Pkw-Motor hergestellt werden können.

Dieses Thema wird kontrovers diskutiert beispielweise kommt die Studie von Pimentel D., 2003, von der Cornell University in New York zu dem Ergebnis das die Bioethanolproduktion einen höheren primären Energieverbrauch hat als die Nutzung von primären Treibstoffen selbst. Der Geltungsbereich dieser Studie liegt allerdings in den U.S.A. und hat dort auch seine Gegner wie Wang M. vom Argonne National Laboratory in Chicago. In mehreren Studien ist er zum Schluss gekommen, dass die vollständige Energiebilanz für Bioethanol, die alle Schritte vom Rohstoffanbau über die Herstellung des Treibstoffes bis zu dessen Verbrauch im PKW, positiv ausfällt.

In keiner der folgenden Studien sind die Berechnungen für die Energiebilanz exemplarisch darlegt worden. Es ist offensichtlich dargestellt worden auf welche Basisdaten sich die Studien berufen und welche Berechnungsmodelle verwendet worden sind. In der Concawe Studie wird nur der erste Abschnitt betrachtet. Dieser beschäftigt sich mit der Produktion von Bioethanol bis in den Tank des Fahrzeuges (WTT).

Bioethanol Berichte 116

8.1 Studie Schmitz

Der Titel der Studie lautet

Innovationen bei der Bioethanolerzeugung und ihre Auswirkungen auf Energie und Treibhausbilanz 2005.

Basisdaten

Von insgesamt 29 Studien wurden 12 Studien ausgewählt, welche für die in dieser Studie bearbeitete Fragestellung als besonders relevant erachtet wurden. Zu den Auswahlkriterien für die betrachteten Studien gehören:

• Aktualität der landwirtschaftlichen Produktion und der Rohstoff Konversionsanlagen zu Ethanol. Berücksichtigung der Koppelprodukte

• Lebenszyklusanlage vollständige Analyse des Lebensweges

• Transparenz der Datengrundlage. Systemabgrenzung und Behandlung der Koppelprodukte müssen nachvollziehbar sein

• Relevanz der Studie für das bearbeite Thema: Herstellung von Bioethanol aus Weizen, Zuckerrüben

• Vergleichbarkeit, einheitliche Wirkungskategorien. Vergleich Energiebilanz und Treibhauseffekt

Die 12 ausgewählten Studien sind

I. Senn und Lucă (2002) Studie zur Bioethanolproduktion aus Getreide Energiekostenbilanzierung II. Wagner und Igelspacher (2003) ganzheitliche Systemanalyse zur Erzeugung und Anwendung von Bioethanol in Verkehrssektor

III. Shapouri, Duffield und Wang (2002): Energy Balance of Corn Ethanol: An Update IV. Armstrong et al. [CONCAWE] (2002): Energy and greenhouse gas balances of biofuels for Europe - an update

V. Stelzer (1999): Biokraftstoffe im Vergleich zu konventionellen Kraftstoffen - Lebensweganalysen von Umweltwirkungen

VI. Reinhardt und Zemanek (2000): Treibhausgasbilanz Bioenergieträger. Basisdaten, Ergebnisse, Bewertungen

VII. Jonk (2002): European Environmental Bureau (EEB) background paper 18-03-2002 on the use of biofuels for transport

VIII. Elsayed, Matthews and Mortimer (2003): Carbon and energy balances for a rage of biofuels options

Bioethanol Berichte 117

IX. General Motors (GM) et al. (2002): Well-to-Wheel Analysis of Energy Use an Greenhouse Gas Emissions of Advanced Fuel/Vehicle Systems - A European Study X. Schmitz (2003): Bioethanol in Deutschland

XI. Gärtner und Reinhardt (2003): Erweiterung der Treibhausgasbilanz für RME XII. de Carvalho Macedo et al. (2003) Greenhouse Gas (GHG) Emissions in the Production und Use of Ethanol in Brazil: Present Situation (2002)

Daten aus der Landwirtschaft

Alle notwendigen Arbeitsgänge für den Anbau, Ernte und der in den Produktionsprozessen verwendeten Maschinen, Arbeits- und Kraftstoffaufwand sind aus der KTBL 2002: Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft. Datensammlung Betriebsplanung Landwirtschaft 2002/2003. Darmstadt 2002. entnommen und berechnet worden. Dabei ist man von folgenden Größen und Sachverhalten ausgegangen:

• Mittler Bodentyp und einer Schlaggröße von 5 ha

• Nur Pflanzenanbaubetrieb ohne Viehhaltung

• Rein mineralische Düngung nur Ausgleichsdünnung, Kraut und Stroh verbleiben auf dem Feld

• Die Verfahren in der Landwirtschaft entsprechen den üblichen Verfahren und Methoden in Deutschland

• Kenngrößen über den unterstellten Energiepflanzenanbau hat der Autor durch eine persönliche Mitteilung von der Raiffeisenhauptgenossenschaft Nord, 2004, in Erfahrung gebracht

Abgrenzungsmethoden

Ziel dieser Untersuchung ist es das Gewinnen von Ethanol, ETBE aus Stärke-, zucker- oder lignozellulosehaltigen Rohstoffen zu analysieren. Dabei wurde Ethanol mittels unterschiedlicher Konversionstechniken hergestellt. Analysekriterien hierfür sind die aufzuwendenden Primärenergien aus fossilen Energieträgern und die klimawirksamen Emissionen im Herstellungsprozess. Die in der EN ISO 14040 bis EN ISO 14043 beschriebenen Definitionen für Ökobilanzen fanden Verwendung in dieser Untersuchung. Die Festlegung der Lebenswege erfolgt von der konventionellen landwirtschaftlichen Produktion an mit den verbrauchten und zurückverfolgbaren Energiequellen. Bis zum Transport der Rohstoffe zur Ethanolgewinnung. Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Konversionstechnologien und der unterschiedlichen Prozessenergiebereitstellung. Sowie der Betrachtung der Anlageninfrastruktur mit Bau, Betrieb und Abriss der notwendigen Anlagen. Als Funktionelleeinheit

wurde die Bereitstellung von 1 dm ³ Ethanol gewählt. Als Systemgrenze für die Bilanzierung der Umweltbelastungen bei der Ethanol- und ETBE-Produktion ist Deutschland festegelegt worden. Produkte und Rohstoffe, die nach Deutschland importiert werden, fallen auch mit in die Bilanzierung mit ein.

Bioethanol Berichte 118

Um eine Vergleichbarkeit der Konversionen zu gewährleisten, wird für alle untersuchten Anlagen angenommen das sie in Deutschland betrieben werden.

Betrachtete Studien, Unterschiede in der Betrachtung oder Abgrenzung

• Anbaubedingen

• Rohstoffe

Energetische ökologische Bewertung der Bioethanolproduktion

• Landwirtschaftliche Produktion: Energie, Düngemittelproduktion und -einsatz sowie Erträge und alternativer Anbau

• Verwendete Technologie: Anlagengrösse, Verfahren, Energiekonzept in der Treibhausbilanz

• Verfahren der Konversion, sekundäre Energieträger

• Bewertung der Kopplungsprodukte in der Produktion

• Ethanol Einsatz

Kumulierter fossiler Energieaufwand

Dies stellt den Verbrauch an erschöpflichen Energieressourcen dar. Bei fossilen Energieträgern wie Erdgas, Erdöl, Stein- und Braunkohle wird der primäre Energieverbrauch als Heizwert berechnet. Primäre Energie in Form von Strom aus der Kernenergie wird über einen Wirkungsgrad von 33% umgerechnet.

Anthropogener Treibhauseffekt

Die Klimawirksamkeit der einzelnen Stoffe wie CH 4 , N 2 O und CO 2 werden unter zur Hilfenahme von Gewichtungsfaktoren in CO 2 -Äquiyalente überführt.

Konversionsanlagen

Bei Bau und Abriss verursachte Umweltbelastungen werden nur aufgrund des verwendetem Stahl und Beton abgeschätzt. Es wird von einer technischen Lebensdauer von 15 Jahren ausgegangen mit einer Betriebsstundenzahl zwischen 7.920 h pro Jahr (330 Tage) und 8.300 h pro Jahr (ca. 346 Tage).

Sachbilanz

Die Massen- und Energieströme im gesamten Lebensweg wurden auf die Funktionelleinheit 1 dm ³ Ethanol bezogen. Verwendet wird dies in der Prozesskettenanalyse, welches eine Verknüpfung der einzelnen Prozesse auf Basis von physikalischen Grössen ist.

Bioethanol Berichte 119

Wirkungsabschätzung

Beurteilung der im Lebensweg auftretenden potentiellen Umweltwirkungen des Verfahrens oder der Produkte bzw. Koppelprodukte. Die Umwelteinwirkungen werden in unterschiedliche Klassen unterteilt z. B. Eutrophierung oder stratosphärisches Ozon.

Sensitivitätsanalyse

Der Bau und der Abriss der Anlage fliest über die technische Lebensdauer und der Betriebsstundenzahl in das Ergebnis mit ein. Aus diesem Grund wird durch eine Variation dieser Parameter keine nennenswerte Veränderung des Gesamtergebnisses mit sich bringen, gleiches gilt für die Transportwege. Das Ergebnis wird zu einem grossen Teil davon beeinflusst in wie weit ein fossiler Energieträger durch einen regenerativen ersetzt werden kann. Die fossilen Energieträger Braunkohle, Heizöl werden durch den effizientesten fossilen Energieträger Erdgas ersetzt. Bei Systemerweiterungen wurden immer für ein Anlagenkonzept die Umweltbelastungen durch energetische oder monetäre Allokationen bestimmt.

Bewertung von Koppelprodukten

• Einsatz der Koppelprodukte

• Zielproduktorientierte Methode keine Koppelprodukte werden bewehrtet

• Gutschriftverfahren

• Substitutionsverfahren

• Bei Allokationsverfahren erfolgt die Einteilung der Koppelprodukte in energetische Grössen: Brennwert, Heizwert, primär Energieäquivalent oder wirtschaftlichen Wert: Marktpreis, Kosten für Äquivalenzprodukt

• Es wurden in den Studien alle Allokationsverfahren angewendet

Anwendung der Allokation nach EN ISO 14041

Vermeidung von Allokation durch Systemaufteilung oder Systemerweiterung. Unvermeidbare Allokationen werden auf der Basis von physikalischen Grössen wie Energie oder Masse vollzogen. Wenn nicht vermeidbar dann auch Vergleiche durch Grössen wie z. B. monetäre Werte.

Diskussion

In dieser Untersuchung werden 12 Studien aus 29 Studien ausgewählt und deren Ergebnisse und Bewertungskriterien dargelegt. Diese Untersuchung versucht anhand dieser Studien die Bioethanolproduktion und den Verwendungsnutzen in Deutschland darzustellen. Das Ergebnis dieser Untersuchung ist das ein positiver Effekt durch die Bioethanolanwendung auf die Prävention fossiler Energien und die GHG Emissionen zu verzeichnen ist.

Bioethanol Berichte 120

8.2 Studie Elsayed et al.

Titel der Studie lautet

Energy and Greenhouse Gas Emissions for Bioethanol Productions from Wheat Grain and Sugar Beet

Basisdaten

Berücksichtigung von 2 Datenbanken bestehend aus bekannten Reporten und aus internationalen technischen Reporten. Ebenso finanzielle Informationen aus einem Vertrauensverhältnis zu British Sugar. Begleitet von einer Rücksprache wehrend der Studie über die 8 unterschiedlichen Abschätzungen der Modelle in der Produktionswahl. Bei den Allokationsberechnungen diente die EN ISO 14040 als Grundlage. Für den Anbau, Düngung, Ernte und Transport wurde bei den Zuckerrüben 24% bei dem Weizen 32 % am Gesamtaufwand der primären Energie berechnet.

Bezugsdaten dieser Studie sind:

"Communication from the Commission to the European Parliament, the Council, the Economic and Social Committee and the Committee of the Regions on Alternative Fuels for Road Transport and on a Set of Measures to Promote the Use of Biofuels" European Commission, COM(2001) 547, Brussels, Belgium, 7 November 2001

"Environmental Management - Life Cycle Assessment" European Standard EN ISO 14040 Series, European Committee for Standardisation, Brussels, Belgium

"Carbon and Energy Balances for a Range of Biofuels Options" by M. A. Elsayed, R. Matthews and N. D. Mortimer, Project Number B/B6/00784/REP, URN 03/836 for the Sustainable Energy Programmes of the Department of Trade and Industry, Resources Research Unit, Sheffield Hallam University, United Kingdom, March 2003.

"Third Assessment Report" Intergovernmental Panel on Climate Change, www.grida.no/climate/ipcc_tar/wg1, 2001.

"Carbon and Energy Modelling of Biomass Systems: Conversion Plant and Data Updates" by M. A. Elsayed and N. D. Mortimer, Report B/U1/00644/REP, Energy Technology Support Unit, Harwell, United Kingdom, August 2001.

Bioethanol Berichte 121

“Methodology for Environmental Profiles of Construction Materials,

Components and Buildings” Centre for Sustainable Construction at the Building Research Establishment Ltd., CRC Ltd., London, United Kingdom, 2000 "Digest of United Kingdom Energy Statistics, 2000" Department of Trade and Industry, London, United Kingdom, 2001

"Alternative Road Transport Fuels - A Preliminary Life-Cycle Study for the UK" by M. P. Gover, S. A. Collings, G. S. Hitchcock, D. P. Moon and G. T. Williams, Report R92, Volume 2, Energy Technology Support Unit, Harwell, United Kingdom, March 1996

Private communication with M. Watson, United Kingdom Petroleum Industry Association, Department of Trade and Industry, London, United Kingdom, London, 23 March 2003

"Nachwachsende Energieträger - Grundlagen, Verfahren, Ökologische Bilanzierung" (Renewable Energy Sources, Basis, Processes and Ecological Balance) by M. Kaltschmitt and G. A. Reinhardt (eds), Vieweg, Braunschweig/Weisbaden, Germany,1997

"Handbook of Industrial Energy Analysis" by I. Boustead and G. F. Hancock, Ellis Horwood Ltd., Chichester, United Kingdom, 1979

Abgrenzungsmethoden

Die charakteristischen Merkmale dieser Studie wurden wie folgt festgelegt:

• Produktion von Bioethanol aus Weizen und Zuckerrübe unter den in Gross Britannien gewöhnlichen Produktionsbedingungen

• Acht verschiedene Modelle der Bioethanolproduktion wurden untersucht (siehe Tabelle 74)

• Die besondere Basiseinheit in der Messung, welche die Quantität des Endpunktes in der Prozesskette aufzeigt ist in dieser Studie die Endeinheit von 1 Tonne Bioethanol

• Ergebnisse aus Fliessdiagrammen und Tabellenkalkulationen werden im allgemeinen auf 1 Tonne Bioethanol bezogen

• Vergleiche zwischen Bioethanol und Benzin werden mit den aus diesen beiden Kraftstoffen verfügbaren Energien angestellt. Angabe der relevanten Brutto- und Nettokalorienwerte, welche gleich der gesamten freigegebenen Hitzemenge während der Verbrennung sind. Einschließlich der latenten Hitze durch kondensierenden Dampf

• Eine weitere Spezifikation in der Tabellenkalkulation sind die relevanten Orte und Perioden auf die sich die Rechnungen beziehen. Dies ist notwendig, da die Resultate aus unterschiedlichen Ländern und Perioden sich erheblich unterscheiden können

Bioethanol Berichte 122

• Die gesamte Menge an primärer Energie besteht aus der Summe der Verbrauchten direkten Energie der Treibstoffe und der Elektrizität in den spezifischen Abschnitten des Hauptprozess

• Die indirekte Energie bezieht sich auf die Beschaffung von Material, Ausrüstung, Treibstoff, Elektrizität etc. welche in den Produktionsabschnitten verwendet wird. Sowie auf den Energiebetrag, welcher in chemischen Stoffen enthalten ist. Dazu zählen Dünger und Material aus Plastik das aus fossilem Öl hergestellt wurde

• Energie, welche freigesetzt wurde, um die fossile Energie zu reduzieren, wird in dieser Studie als solche in die Rechnung einbezogen

• Nettoänderungen beim Kohlenstoffgehalt ausgelöst durch Verschmutzungen bei der Feldfrucht Kultivierung von Weizen und Zuckerrübe wurden nicht mit in diese Studie miteinbezogen

• Die Empfehlung von Kultivierungssystemen und deren Effekte wurden berücksichtigt. Dies führt primäre Energie- und GHG-Kredite für die alternative Landnutzung ein. Wenn die Feldfrucht unter den ermittelten Bedingungen nicht wachsen würde. Normierungen der Größen für den Anbau und die Ernte sind pro Hektar oder Jahr. Diese sind angepasst auf die Buchführung der Produktionsverfahren reflektiert wird dies in Diagrammen und in jeder Allokation

• Gesamt Werte aus direkter oder indirekter Energie und Grundmengen Inputs und Outputs, für jeden Beitrag auf jeder Stufe im Biokraftstoff-Technologieverfahren, wurden summiert in der Tabellenkalkulation dargestellt. Schätzwerte werden in typischen Werten und Bereichen dargestellt in der Form von Errors bars. Dieser Spielraum basisiert auf den spezifischen Unsicherheitslevels der individuellen Inputs und Outputs hergeleitet aus dem Endresultat unter Nutzung von standardisierter Fortpflanzung von Routinefehlern. Verwendete Größen für primäre Energieinputs sind MJ

Tabelle 74: Übersicht Modelle Bioethanolherstellung

Bioethanol Berichte 123

Bewertung von Koppelprodukten

Die Erschliessung von Koppelprodukten und Allokationsverfahren wurden in dieser Studie wie folgt festgelegt:

• In einer Reihe von Modellen wurden monetäre Allokationen nach den Marktpreis durch Einführung von „Shadow prices“ angewendet. Wichtige Anpassungen wurden in dieser Studie, wenn sie auf dem aktuellen Marktpreis für verkaufbare Produkte basieren getätigt. Neben- oder Koppelprodukte wurden auf physikalische Faktoren wie relative Konzentration eingestellt und normiert. Um so einen repräsentativen effektiven Preis für das Zwischenprodukt zu erzielen

• Es wurden in dieser Studie mehrere Allokationsverfahren angewendet

• Die getroffene Allokationswahl hängt von spezifischen Umstandsbedingungen ab

• Substitutionsallokationen sind sehr oft bei der Lebenszyklus Festelegung getroffen worden

• Nebenprodukte wie DDGS, und Pulb werden gewöhnlich als Tierfutter verwendet

• Spezielle Allokationen durch Substitutionen werden bei einem Überschuss an Elektrizität verwendet, welcher aus KWK-Anlagen gewonnen wurde und an andere Nutzer aus dem zusammengeschlossen Netz verkauft wird

• Energieallokationen wurden für jene besonderen Gruppen von Verbindungsprodukten eingesetzt, welche Elektrizität, Dampf und heißes Wasser in KWK-Anlagen erzeugen. Dabei werden die primären Energien auf die unterschiedlichen Produktionsstufen aufgeteilt

Übersicht über alle 8 Modelle

Weizen-Modelle

Tabelle 75: Weizen-Modelle Elsayed et al.

Daten die für alle 4 Weizen-Modelle gelten:

• N-Dünger: 185 kg/ha.a

• Ertrag: 8,6 t/ha.a

• Feuchtigkeit im Weizen: 20 %

• Transport Entfernung Anbau - Bioethanolwerk: 186 km

Bioethanol Berichte 124

Modell 7 Weizen Stroh:

• Stroh 3,5 t/ha.a, Feuchtigkeit 15 %,

• Extra Stickstoffdünger 59 kg/ha.a

• Transport Stroh 80 km,

• Wärme - Strom Verhältnis: 1 : 1

Zuckerrüben-Modelle

Tabelle 76: Zuckerrüben-Modelle Elsayed et al.

Daten die für alle 4 Zuckerrüben-Modelle gelten:

• N-Dünger: 103 kg/ha.a

• Ertrag: 52 t/ha.a

• Transport Entfernung Anbau - Bioethanolwerk: 94 km

• KWK-Anlage: Hitze Überschuss - Trocknung Tierfutter, verkauf von Strom Überschuss

Modell 8 Zuckerrübe Stroh:

• Extra Stickstoffdünger 59 kg/ha.a

• Transport Stroh 80 km,

• Wärme - Strom Verhältnis: 1 : 1

Diskussion

Die Nutzung von KWK-Anlagen mit einem Allokationsverfahren für überschüssigen Strom wirkt sich positiv auf die Prävention primärer Energie aus. Ein gutes Ergebnis bei der Reduzierung der primären Energie erzielte eine Gasturbine in Kombination mit einer KWK-Anlage. Den grössten Effekt auf die Prävention primärer Energie haben in der Elsayed et al. Studie die Modelle 7 und 8 welche eine Strom-und Wärmegewinnung durch eine KWK-Anlage mit Dampfturbine durch Stroh vorsehen. Wobei sich bei der Reduzierung primärer Energie bessere Ergebnisse erzielt werden bei den Zuckerrüben als beim Weizen.

Bioethanol Berichte 125

Die Modelle 7 und 8 erweisen sich als Kohlenstoff neutral im Bezug auf ihre gesamt CO 2 -Emissionen aus. Sowie diese Modelle einen niederen Wert an GHG Emissionen erzielen. Aus dem Ergebnis des Modells 8 ist ersichtlich das bei diesem Verfahrens- und Allokationsaufbau die GHG-Emission am stärksten positiv beeinflusst wird.

8.3 Studie EMPA

Titel der Studie lautet

Ökobilanz von Energieprodukten: Ökologische Bewertung von Biotreibstoffen

Basisdaten

Daten aus Ecoinvent Schweizerische Umweltinventardatenbank, welche von EMPA-Forschern erstellt und betreut wird. Die Kosten oder die sozialen Folgen der Bioenergieproduktion werden in dieser Studie nicht bewertet, Datenbezug ist die Schweiz 2004.

Abgrenzungsmethoden

Betrachtungsweise der Systemgrenze.

Als primäre Systemgrenze wurde das Land Schweiz betrachtet. Die Studie wurde in WTT und WTW Studienbereiche unterteilt. Die Prozesskette Well-To-Tank (WTT) betrachtet den Biotreibstoff vom Anbau bis zur Tankstelle in der Schweiz. Die Nutzung der verschiedenen alternativen Treibstoffe und ihre Kombination mit fossilen Treibstoffen wird erst in der Well-To-Wheels (WTW) Studie berücksichtigt und erforscht.

Methodik der Ökobilanzierung

Als Funktionelleinheit wurde der kumulierte, nicht erneuerbare Energieaufwand (KEA) für die Bioenergieproduktion verwendet. Welcher die Ermittlung des primären Energie Aufwandes für den hergestellten Kraftstoff ist. Der für die Nutzung von einem MJ Treibstoffenergie an der Tankstelle verbraucht wurde. Verglichen wurden die Bioenergieträger im gesamten Lebenslauf. Betrachtet wurden alle Energetischen- und Schadstoffbelastungen mit Ausnahme der ökonomischen und sozialen Faktoren. Sowie keine Bewertung von Biodiversitätsverlusten stattfand. Der Bilanzierungsansatz beinhaltet nur die primären Umweltauswirkungen der Prozesskette. Beim Anbau landwirtschaftlicher Biomasse wird nicht zwischen Ernteüberschüssen und spezifischer zur Treibstoffherstellung produzierter Biomasse unterschieden. Es wurden alle Anbauflächen in die Kalkulation mit einbezogen, egal ob sie kultiviert werden oder nicht.

Bioethanol Berichte 126

Herstellungsprozesse, welche für die Schweiz als praktikabel erscheinen, wurden in dieser Studie verwendet. Es wurden teilweise sehr unterschiedliche Technologien miteinander verglichen. Die Resultate aus den Sachbilanzdaten beziehen sich im Wesentlichen auf bestehende Prozessketten und decken somit den Ist-Zustand in der Schweiz ab, zukünftige Entwicklungen wurden nicht beurteilt. Weizen wurde aus dieser Studie ausgeschlossen und durch Roggen ersetzt da Weizen einen höheren Anspruch an den Boden stellt als Roggen. Obwohl der hier gewählte Ökobilanzierungsansatz sehr umfassend ist werden gewisse Umweltauswirkungen nicht oder nur unvollständig berücksichtigt. Beispielsweise werden die Auswirkungen der Wassernutzung nicht bewertet, da diese stark von den lokalen Gegebenheiten abhängig sind.

Anforderungen an die Methode

• Möglichst umfassende Berücksichtigung der verschiedenen Umweltauswirkungen

• Berücksichtigung des gesamten Lebensweges

• Quantifizierung der Umweltauswirkung

• Entscheidungsfreundlich durch eine Bewertung der verschiedenen Auswirkungen

• Wissenschaftlich abgestützt, um eine hohe Akzeptanz zu erreichen

Vorgehen bei der Ökobilanzierung

Vorgehensweise nach EN ISO 14040 umfasst die Ökobilanz folgende Schritte:

• Festlegen des Zielsystems und der Rahmenbedingungen

• Erfassen der relevanten Stoff- und Energieströme sowie den Ressourcenbedarf (Sachbilanz)

• Bestimmen der Auswirkungen auf die Umwelt (Wirkbilanz)

• Interpretation der Umweltauswirkungen aufgrund der Zielsetzungen (Bewertung)

• Erarbeiten von Maßnahmen (Optimierung)

Methoden der Bewertung von Koppelprodukten

Allokationsverfahren nach ökologischen Kreterin d. h. Umweltemissionen werden gemäss ihren Anteilen am erzielten Erlös auf die jeweiligen Produkte verteilt.

Allokationsverfahren

Entscheidungen über das Allokationsverfahren wurden in dieser Studie bei der Erstellung der Datensätze von Ecoinvent getroffen. In Ecoinvent werden die realen Umweltbelastungen nach der 100-%-Regel auf die bilanzierten Koppelprodukte aufgeteilt. Die Nutzung eines flussspezifischen Allokationsfaktors wird teilweise vollzogen. Landwirtschaftliche Produkte weisen meist ökonomische Kriterien auf (Erlös durch die Produkte). Für Energiegehalt und Kohlenstoffaufnahme werden physikalische Größen verwendet.

Bioethanol Berichte 127

In Ecoinvent Datensätzen, werden auch bei diesen zusätzlichen Datensätzen keine Gutschriften bzw. Systemerweiterungen bilanziert. Die Allokation der Zuckerrübenbereitstellung für die Bioethanolproduktion und die Nebenprodukte wird nach Marktpreisen bewertet.

Fermentierung aus Zuckerrübenmelasse

Die Schweiz betreibt die Produktion von Ethanol (95 Vol.-%) und Vinassekonzentrat aus Zuckerrübenmelasse im schweizerischen Kontext. Das Allokationsverfahren für die Rohstoffe Melasse, Zucker und Pulpe sowie für die Fermentationsprodukte Ethanol und Vinassekonzentrat erfolgt nach ökonomischen Kriterien. Aufteilung der Allokationsfaktoren:

93 % für Melasse, 4.7 % für Zucker und 2.3 % für die Pulpe bzw. 95.% für Ethanol und 4.5 % für das Vinassekonzentrat.

Vergärung von Roggen (Weizen)

Die Allokation der Roggenbereitstellung auf Ethanol und das Nebenprodukt DDGS erfolgt nach ökonomischen Kriterien. Allokationsfaktoren: 98.1 % für Ethanol und 1.9 % für DDGS. Für den Roggenanbau wurden zwei unterschiedliche Szenarien berücksichtigt. Einerseits der europäische Durchschnittsertrag, der aufgrund von extensiven Anbauflächen in Osteuropa relativ niedrig ist (Roggen, 3.2 t/ha a). Andererseits ein ertragsoptimierter Anbau wie er in der Schweiz und in Deutschland betrieben wird (Roggen, 6 t/ha a), was für eine energetische Nutzung das wahrscheinlichere Szenario darstellt.

Diskussion der Methoden

Diese Studie befasst sich sehr ausführlich mit den primären Umwelteinflüssen der Bioenergieproduktion und dem Erwerb bzw. dem Transport dieser Kraftstoffe. Es werden Bezugsgrössen wie Eco-Indikator und UBP06 kreiert um den gesamten Effekt von Bioenergie auf Umwelt, Mensch und Ressourcen darzustellen. Es werden auch vergleiche angestellt, welche durch den Eco-Indikator 99 markiert werden. Um zu erfahren welches Bioethanol Produktionsland für die Schweiz die beste energetische und ökologische Bilanz aufweisen kann wird damit beantwortet. Die Abgrenzungsmethoden werden ausführlich dargelegt und erörtert. Sowie man versuchte die unterschiedlichen vorhandenen Technologien, welche kurzfristigen Neuerungen unterworfen sind, zu erfassen. In dem man sich mehrere Szenarien anhand der in der Schweizer Industrie vorhanden Technologie ausmalte und kalkulierte. Somit konnten die unterschiedlichen Prozessketten aufgezeigt werden. Die Ökobilanz und die Schadstoffbilanz fokussiert sich in dieser Studie nicht nur auf die Biokraftstoffherstellung aus landwirtschaftlichen Erzeugnissen sondern auch auf die Herstellung von Bioenergie aus Abfällen aus der Landwirtschaft, Forstwirtschaft, Lebensmittelindustrie und aus dem Haushalt. Genaue landwirtschaftliche Betrachtungsweisen führen zu einem hohen Umwelteinfluss auf die Bioenergieherstellung.

Bioethanol Berichte 128

Daher ist aus dieser Schweizer Studie zu entnehmen wie sich die Bioenergieproduktion auf die Umwelt selbst, den Menschen und die Ressourcen positiv und negativ auswirkt. Ausgedrückt wird dies durch den Ökotoxizitätsfaktor. Diese Studie leistet damit für die umwelttechnischen und umweltschützenden Fragen in der Politik und in der Gesellschaft einen wichtigen Beitrag. Sowie sie durch eine Darstellung der möglichen Szenarien hinweise geben möchte wie ein ökonomisches Umsetzten von bioenergetischen politischen Interessen möglich ist.

Ergebnisse der Studie

Die Menge der einheimischen Schweizer Bioenergie ist begrenzt. Wenn verfügbare Biomasse jedoch effizient und umweltfreundlich in Energie umgewandelt und gleichzeitig die Energieeffizienz erhöht wird, könnten alternative Energieträger zusammen mit anderen erneuerbaren Energieformen eine wichtige Rolle in der zukünftigen Energieversorgung übernehmen.

8.4 Studie CONCAWE

Titel der Studie

WELL-TO-WHEELS Analysis of future automotive fuels and Powertrains in the European context

Basisdaten

• Das TES-Konsortium bestehend aus LBST und General Motors et al. erstellte eine komplette Datenbasis. Die Erneuerung dieser Daten fand mit der Zustimmung dieser beiden Organisationen statt diese Daten wurden ausgedehnt und erneuert

• Daten aus den Concawe Reporten WTT 1 bis 4 und WTW 1 bis 4

• Daten aus der landwirtschaftlichen europäischen Produktion unter www.europa.eu

Abgrenzungsmethoden

Geltungsbereich oder Systemgrenzen dieser Studie sind Europa.

Erster Teil der Studie Well-To-Tank WTT

Übersicht:

• Well-To-Tank Reporte 1 bis 4 vom 02.03.2007 und früher

• Potentielle Verfügbarkeit der Kraftstoffe, individuelle Herstellungskosten in der landwirtschaftlichen Produktion, Ernte und Transport

Bioethanol Berichte 129

• Abgeschätzte Berechnung für den Energieaufwand. Verbunden mit dem GHG-Ausstoß, der erforderlich ist von der landwirtschaftlichen Produktion des fertiggestellten Treibstoffes bis in den Tank des Fahrzeuges

Abgrenzungsmethoden WTT:

Im Produktionsprozess Zuckerrübe zu Ethanol 2 Wege SBET 1: Hitze von Naturgas Boiler DDGS als Tierfutter. SBET 3: Hitze von Naturgas Boiler DDGS als Brennstoff für die Produktionshitze.

Im Produktionsprozess Weizen zu Ethanol 8 Wege

WTETE 1a: Prozess Hitze von Naturgas befeuertem Dampfkessel, DDGS als Tierfutter. Die am meisten verwendete Anlage und auch die günstigste

WTETE 1b: Prozess Hitze von Naturgas befeuertem Dampfkessel, DDGS als Brennstoff. Die am meisten verwendete Anlage und auch die günstigste

WTETE 2a: Prozess Hitze von Naturgas befeuerter Gasturbine kombiniert mit Hitze- und

WTETE 2b: Prozess Hitze von Naturgas befeuerter Gasturbine kombiniert mit Hitze- und

WTETE 3a: Prozess Hitze von Holz befeuerter Gasturbine kombiniert mit Hitze- und Elektrizitätsgewinnung, DDGS als Tierfutter. Holz ist billig und leicht verfügbar WTETE 3b: Prozess Hitze von Holz befeuerter Gasturbine kombiniert mit Hitze- und Elektrizitätsgewinnung, DDGS als Brennstoff. Holz billig und leicht verfügbar WTETE 4a: Prozesshitze von Stroh befeuerter Dampfturbine kombiniert mit Hitze- und

WTETE 4b: Prozesshitze von Stroh befeuerter Dampfturbine kombiniert mit Hitze- und

Bioethanol Berichte 130

Bewertung von Koppelprodukten WTT

Energie Substitutionsmethode Kennzeichen:

• Alle Energien und Emissionen die in einem Prozess anfallen werden auf das Hauptprodukt oder auf das Zwischenprodukt bezogen

• Die Gewonnne Energie durch Nebenprodukte und der Emissionskredit ist gleich der Energie und der geschützten Emission des nicht produzierten Materials, dass durch das Nebenprodukt hauptsächlich ersetzt wird

WTT Appendix 1:

Detaillierte Auflistung der Input Daten. Vergleich der Input und Output Daten mittels der energischen Basiseinheit Mega Joule.

WTT Appendix 2:

Nennung der Energiegrößen in den intermediären Stufen des Herstellungsprozess. Mit dem Bezug zu dem Energiegehalt vom 1-Mega-Joule des fertig hergestellten Kraftstoffes und nicht mit dem Output des jeweiligen Schrittes.

Einheiten zur Berechung der energetischen Inputs und Outputs

Unabhängig vom Ursprung des Rohstoffs für die Treibstoffgewinnung wurde die aufgewendete totale primere Energie ausgedrückt in MJ xt . Bei Treibstoffen aus erneuerbarem Ursprung wurden die fossilen Energien, welche im Wege der Herstellung auftraten für die Erfassung der totalen primären Energie MJ ^xt abgeschätzt. Durch die Normierung der totalen primären Energie MJ xt mit der Größe von 1 MJ f , kann die Menge an Energie, die für den Verbraucher zugänglich ist, dargestellt werden.

Nebenprodukte

Die Nebenprodukte können auf verschiedene Art und Weise genutzt werden. In dieser Studie wurden die plausibelsten Wege genutzt, wie sie in der Praxis vorkommen. Der ökonomische Aspekt des Nebenprodukteinsatzes ist wichtiger als der Energetische oder die Emissionen für GHG Balancen. Vereinzelte Optionen im Prozessablauf und deren Energien sollten berücksichtigt werden.

Verwendung von Zuckerrübenschnitzel

• Tierfutter

• Elektrizität

• Prozesswärme als Brennstoff

• Hydrolyse erneut der Fermentation zuführen

Strom 131

Verwendung von Weizen DDGS

• Tierfutter

• Elektrizität

• Prozesswärme als Brennstoff

Diskussion WTT

Der Verbrauch an fossiler Energie nimmt die geringsten Werte an wenn die Nebenprodukte wie DDGS oder Zuckerrübenschnitzel als Brennstoffe zur Prozesshitzegewinnung verwendet werden. Oder als Fermentationssubstrate zur Gasgewinnung, aus welchem Strom oder Hitze erzeugt werden kann, genutzt werden. In dieser Diplomarbeit wird nur der erste WTT-Abschnitt der Concawe Studie ausführlich betrachtet. Da dieser Abschnitt sich mit dem Thema dieser Diplomarbeit deckt. Der zweite Bereich nennt sich Tank-To-Wheels TTW und untersucht die Emissionen verschiedener Kraftstoffe in verschiedenen Fahrzeugtypen. Der letzte Bereich Well-To-Whells WTW beleuchtet die gesamten Kraftstoffenergie und Emissionsverhältnisse.

9 STROM EINSPEISUNG, NUTZUNG UND WIRKUNGSGRAD

Im Erneuerbaren-Energien-Gesetz (EEG) vom 21. Juli 2004 werden Gesetze formuliert die den Anschluss von Anlagen zur Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Energien und aus Grubengas an die Netze für die allgemeine Versorgung mit Elektrizität regeln. Der Geltungsbereich des Gesetzes ist die Bundesrepublik Deutschland einschließlich der deutschen ausschließlichen Wirtschaftszone. Sowie mit diesen Gesetzen die vorrangige Abnahme, Übertragung und Vergütung des erzeugten Stroms durch die Netzbetreiber und den bundesweiten Ausgleich des abgenommenen und vergüteten Stroms geregelt wird. Zweck dieses Gesetzes ist es im Interesse des Klima-, Natur- und Umweltschutzes eine nachhaltige Entwicklung der Energieversorgung zu ermöglichen. Sowie der Anteil erneuerbarer Energien an der Stromversorgung bis zum Jahr 2010 auf mindestens 12,5 Prozent und bis zum Jahr 2020 auf mindestens 20 Prozent erhöht werden soll. Netzbetreiber sind verpflichtet Anlagenbetreiber an ihr Netz anzuschließen und den von diesen Anlagen erzeugten Strom abzunehmen. Diese Verpflichtung betrifft den Netzbetreiber, bei welchem die technisch kürzeste Entfernung zum Produktionsstandort besteht. Netzbetreiber können den aufgenommenen Strom verkaufen oder zur Deckung ihres eigenen Strombedarfs verwenden. Der laut Gesetz vorgegebene und in dieser Diplomarbeit als EEG-Basis-Wert bezeichnete Wert für die Stromvergütung sinkt in den folge Jahren jeweils um 1,5 % ab (http://www. gesetze-im-internet.de/bundesrecht/eeg_2004/gesamt.pdf, 09.01.2008).

In dieser Diplomarbeit wird nur auf die gesetzlichen Regelungen über die Vergütung des erzeugten Stromes eingegangen, welche auf die Sachverhalte in der Diplomarbeit zutreffen.

Strom 132

Es wird von einer Anlage mit einer Leistung bis einschließlich 20 Megawatt, die im Jahr 2007 in Betrieb genommen wurde, ausgegangen. Stromvergütung in Abhängigkeit von der Leistung siehe Tabelle 77.

Tabelle 77: Vergütung Strom

(Tabelle nach http://www.gesetze-im-internet.de/bundesrecht/eeg_2004/gesamt.pdf, 09.01.2008)

Stromwirkungsgrad

Der PE-Einsatz ist für die Stromnutzung aus dem Netz größer als wenn für dieselbe Strommenge durch Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen produziert wird. Dies ist auf den im Stromnetz bestehenden Leistungsverlust durch Ohmschewiderstände (Leitungen, Anschlüsse, Sicherungen) zurückzuführen. Bezeichnet wird dieser elektrische Widerstand im Stromnetz als der innere Widerstand R i . Der Belastungswiderstand des an das Stromnetz angeschlossenen Verbrauchers wird mit R bezeichnet. Die Summe aus dem Belastungswiderstand R und dem inneren Widerstand R i stellt den auf diesen Verbraucher

zurückzuführenden gesamten Leistungswiderstand R g dar. Leistungsbezogen ausgedrückt ist der Stromnetzwirkungsgrad ή die entnommene Leistung am Verbraucher dividiert durch die gesamte Netzleistung P g (siehe Formel 102; Philippow E. et al., 2000, S. 223f)

Formel 102: Stromnetzwirkungsgrad ή

η =

Aus Formel 102 wird ersichtlich das für die Nutzung der elektrischen Energie aus dem Stromnetz eine höhere Leistung aufzubringen ist als das der Verbraucher aus den Stromnetz beziehen kann.

Zusammenfassung 133

10 ZUSAMMENFASSUNG

In der vorliegenden Arbeit wurde die Nettoenergiebilanz der Bioethanolproduktion aus Weizen und aus Zuckerrüben im Geltungsbereich Deutschland untersucht. Bei der Untersuchung wurden die PE-Einsätze von der Rohstoffproduktion in der Landwirtschaft bis zu der Ethanolproduktion im Bioethanolwerk erfasst. Es wurden für die Bioethanolproduktion aus Weizen und aus Zuckerrüben jeweils 4 unterschiedliche Modelle erstellt. Diese Modelle unterscheiden sich hauptsächlich in der Handhabung der Nebenprodukte in den Allokationen. Grundlage für diese Untersuchung waren Daten aus der Literatur.

Das Gesamtergebnis dieser Untersuchung deckt sich mit den Ergebnissen anderer Untersuchungen und Studien über eine positive Nettoenergiebilanz bei der Bioethanolproduktion aus Weizen und Zuckerrüben in Deutschland. Die Höhe der positiven Energiebilanz ist stark von den eingesetzten Energieträgern im Herstellungsprozess abhängig. Bei den Weizen-Modellen kann aufgrund des mit einem hohen Marktpreis bewerteten DDGS und der grossen erzeugten Menge pro Tonne Weizen eine höhere Nettoenergiebilanz erzielt werden als mit den Zuckerrüben. Es konnte aufgezeigt werden, dass durch eine monetäre Allokation mit dem in den Weizen-Modellen anfallenden DDGS ein grosser Anteil der im Herstellungsprozess benötigten Energie gedeckt werden kann. Das Energiedeckungspotenzial ist aber signifikant von dem eingesetzten Energieträger und schlussendlich von seinem Preis-Energie-Verhältnis abhängig.

Stroh als Energieträger weist bei den Weizen-Modellen die höchste Nettoenergiebilanz auf, bei einer monetären DDGS-Allokation. Dies ist auf den relativ hohen Heizwert und auf den niedren Marktpreis zurückzuführen. Stroh als Brennstoff zur Prozessenergiebereitstellung weist aber wie die Braunkohle einen hohen Default-Wert auf. Ergas ist mit seinem hohen Brennwert und dem niederen Default-Wert ein guter Brennstoff. Negativ bemerkbar macht sich bei der monetären Allokation sein hoher Marktpreis und dadurch schlussendlich seine schlechte Nettoenergiebilanz, welche bei einer Allokation durch den Heizwert sicherlich höher ausfallen würde.

Der benötigte Energiebedarf konnte in keinem der Zuckerrüben-Modelle von einem Nebenprodukt vollständig gedeckt werden. Bei zwei der Zuckerrüben-Modelle ist eine Biogasproduktion geltend gemacht worden. Diese wirkt sich aber auf die Energiebilanz nicht positiv aus. Die Menge, die an Biogas produziert wird, ist viel zu gering um die benötigte Energie zu decken. Somit muss trotzdem immer ein weiterer Energieträger eingesetzt werden. Es ist durch eine Allokation durch den Heizwert mit ZRS eine höhere Nettoenergiebilanz erzielbar als durch die Biogasproduktion. Praktisch umsetzbar ist diese Allokation durch die Verbrennung der ZRS in einem Heizkraftwerk.

Ausblick 134

Bei den Biogas-Modellen ist sehr deutlich ersichtlich, dass sich ein Heizkraftwerk im Vergleich zu einem Heizwerk bei der Energiebilanz zu deutlich besseren Ergebnissen führt. Dies ist auf den verbrauchten Netzstrom des Heizwerks und den Netzstromverbrauch in der Produktion zurückzuführen. Der Strom, der durch das Heizkraftwerk produziert wird, ist ein Koppelprodukt aus der Wärmegewinnung und beinhaltet einen niedrigeren PE-Einsatz als die Netzstromnutzung (Leitungsverluste). Der eingesparte PE-Einsatz bei Heizkraftwerken beläuft sich fast auf den PE-Einsatz der druch die Netzstromnutzung verursacht wird.

Es ist somit ersichtlich, dass Heizkraftwerke eine sinnvolle Energiebereitstellungsmöglichkeit für technische Verfahren, welche Elektrische- und Wärmeenergie benötigen, darstellen. Um aber noch bessere Ergebnisse in der Nettoenergiebilanz zu erzielen wird man die Feuerungsanlagentechnik im Bereich der Stromerzeugung noch weiter verbessern müssen. Die Biogasproduktion ist noch ausbaufähig. Im landwirtschaftlichen Anbau sind die maximal erzielbaren Einsparungen an PE erreicht worden. Die PE-Einsätze in der Herstellung des Bioethanol unterscheiden sich bei den Zuckerrüben und dem Weizen im landwirtschaftlichen Bereich nur geringfügig. Die Zuckerrüben liegen dabei etwas höher als der Weizen. Deutlichere Unterschiede machen sich bemerkbar bei dem Herstellungsprozess in Bioethanolwerk. Dort weisen die Zuckerrüben einen um etwa 25% höher liegenden Energieverbrauch auf.

11 AUSBLICK

Im Bezug auf dem Klimaschutz und die CO 2 -Emissionen bei der Bioethanolproduktion wird in Brasilien Bioethanol produziert aus Zuckerrohr mit geringeren CO 2 -Emissionswerten als in Deutschland und in Europa. Ein Import von Bioethanol nach Deutschland wehre nur zu Rechtfertigen wenn die Produktion eine höhere ökologische Effektivität und ökonomische Effizienz aufweisen würde. In Brasilien wird über 70 % des Zuckerrohranbaus auch durch die Ethanolproduzenten vollzogen, welche somit unabhängig von Zulieferern sind. Die Gewinne aus dem Bioethanol werden auch von diesen Unternehmen in Anspruch genommen. Damit könnte begründet werden, dass Landwirte in Deutschland selbst Eigentümer von Bioethanolproduktionsanlagen werden und so an der Wertschöpfung durch Bioethanol teilhaben.

An der Treibstoffentwicklung in Brasilien ist weiterhin zu erkennen, dass durch den Einsatz von Flex-Fuel-Fahrzeuge (FFV) die Nachfrage nach wasserhaltigem Bioethanol ansteigt. Der Preis für wasserhaltigen Bioethanol war zu Begin des Jahres 2006 höher als der für wasserfreien Bioethanol. In Europa und Deutschland steht das Konzept für diesen Kraftfahrzeugtyp erst in den Anfängen. Es kann davon ausgegangen werden, dass diese Marktentwicklung durch FFV und die Unabhängigkeit von nur einem Treibstoff, dem fossilen, zur Einführung dieser Technik führen wird. Der Einsatz der neuen Fahrzeugtechnik ist mit einem relativ geringem Risiko verbunden.

Ausblick 135

Falls die notwendige politische Unterstützung für diese Technik erfolgt ist langfristig von einem Durchbruch dieser Technologie auszugehen. Wie sich der weltweite Bioethanolmarkt verhält, wird in erster Linie vom Verhalten von Brasilien abhängen. Dieses Land verfügt über ein enormes Ausdehnungspotential bei idealen Produktionsstrukturen. Es ist weiterhin abzuwarten wie sich Länder die über geeignete Rohstoffe zur Biotreibstoffproduktion verfügen ihre Produktion ausdehnen und diese Treibstoffe in ihr Treibstoffnetz einfügen (Henniges O., 2007, S. 216ff).

Literatur und Quellenverzeichnis XΙΙ

Literaturverzeichnis

Antranikian G.: Angewandte Mikrobiologie. Berlin, Heidelberg: Springer Verlag, 2006 Beckert R. et al.: Organikum. 22. Auflage. Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2004 Belitz D. u. Grosch W.: Lehrbuch der Lebensmittelchemie. 3. Auflage. Berlin, Heidelberg, New York: Springer Verlag, 1987

Dane E. et al.: Kleines chemisches Praktikum. neunte neubearbeitete Auflage. Weinheim: VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1997

Emili M.: Effekt der Überproduktion von Enzymen des Glucosestoffwechsels auf das Wachstum und die Alkoholbildung in der Hefe Saccharomyces cerevisiae. Dissertation. Lohmar: Josef Eul Verlag GmbH, 2007

Forth W. et al.: Allgemeine und spezielle Pharmakologie und Toxikologie. 8. Auflage. München: Urban & Fischer Verlag, 2001

Hämke, technischer Berater für Stärkeverarbeitung bei AB Enzymes, Neubrandenburg: Telefongespräch, 21.01.2008, (Dirk.Haemke@abenzymes.com)

Henniges O.: Die Bioethanolproduktion Dissertation 2. Auflage. Lohmar - Köln: Josef Eul Verlag GmbH, 2007

Kaltschmidt M. u. Hartmann H.: Energie aus Biomasse: Grundlagen, Techniken und Verfahren. Berlin: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2001

Kalschmitt M. u. Reinhardt G.: Nachwachsende Energieträger. Braunschweig, Wiesbaden: Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, 1997

Krämer J.: Lebensmittel Mikrobiologie. 4. Auflage. Stuttgart (Hohenheim): Eugen Ulmer Verlag GmbH & Co, 2002

Kurzhals H.: Lexikon Lebensmitteltechnik. 1. Auflage. Hamburg: Behr`s Verlag GmbH & Co. KG, 2003 Lehninger A. et al.: Prinzipien der Biochemie. 2. Auflage. Heidelberg: Spektrum Akademischer Verlag GmbH, 1994

LMR Lebensmittelrecht. 2. Auflage. Nördlingen: C. H. Beck Verlag, 2005 Lücke W. et al.: Energiebilanzen im Ackerbau. Abschlussbericht. Göttingen: Forschungs- und Studienzentrum Landwirtschaft und Umwelt Georg-August-Universität Göttingen, 2000 Onken U. u. Behr A.: Chemische Prozesskunde. Stuttgart, New York: Georg Thieme Verlag, 1996 Philippow E. et al.: Grundlagen der Elektrotechnik. 10. überarbeitete Auflage. Berlin: Verlag Technik Berlin, 2000

Rehm H.: Industrielle Mikrobiologie. 2. völlig neubearbeitete Auflage. Berlin: Springer-Verlag, 1980 Römpp H. et al.: Chemie Lexikon. 9. erweiterte und neubearbeitete Auflage. Stuttgart, New York: Georg Thieme Verlag, 1990

Schlegel H.: Allgemeine Mikrobiologie. 7. überarbeitete Auflage. Stuttgart, New York: Georg Thieme Verlag, 1992

Literatur und Quellenverzeichnis XΙΙΙ

Schmitz N., 2003,: Bioethanol in Deutschland. Münster: Landwirtschaftsverlag GmbH, 2003 Schmitz N., 2005,: Innovationen bei der Bioethanolerzeugung. Münster: Landwirtschaftsverlag GmbH, 2005

Schmitz N. et al., 2006,; Technikfolgeabschätzung Theorie und Praxis; S. 16-26, in Zeitschrift: TATuP Forschung Publikationen, Nr. 1, 15. Jahrgang o. O. April 2006

Steinbüchel A. et al.: Mikrobiologisches Praktikum. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2003 Vauck W. u. Müller H.: Grundoperationen chemischer Verfahrenstechnik. 10. durchges. Aufl. Leipzig, Stuttgart: Dt. Verl. für Grundstoffindustrie, 1994 Winner C.: Zuckerrübenanbau. Bern: Verbaddruckerei Wirz, 1982

Literatur und Quellenverzeichnis X ΙV

Quellenangaben aus dem Internet

Friedl A. et al., 2005,: Polgeneration Bruck/Leitha: Produktion alternativer Treibstoffe, Wärme, Strom. Wien, September 2005, http://www.energiesystemederzukunft.at/edz_pdf/0677_polygeneration.pdf, 15.01.2008

Schmitz N. et al., 2007,: Nachwachsende Rohstoffe: Welche Märkte haben Zukunft? Berlin, 24. Mai 2007, http://www.bmelv.de/nn_1021300/SharedDocs/downloads/081-NaWaRo /StudieZukunftsmaerkte/ Schmitz-Biokraftstoffe,templateId=raw,property=publicationFile.pdf /Schmitz-Biokraftstoffe.pdf, 24.10.2007

Wilkie C. et al., 2000,: Stillage characterization and anaerobic treatment (…). Grainesville, U.S.A., http://www.elsevier.com/locate/biombioe, 30.01.2008 http://dip.bundestag.de/btd/16/027/1602709.pdf, 19.02.2008 http://upi-institut.de/klima-bericht_des_ipcc.htm, 11.11.2007 http://www.agriserve.de/Pflanzenheizungen-Allgemeines.html, 05.02.2008 http://www.akahl.de/index.php?hid=1&id=306, 15.01.2008

http://www.arbeitsinspektion.gv.at/AI/Arbeitsstoffe/explosionsgefaehrliche/brand_030.htm, 17.12.2007 http://www.bioenergie.de/kraftstoffe-der-zukunft/Pr%E4sentationen_nachtr%E4glich/Fehrenbach.pdf, 04.02.2008 http://www.Bmelv.de

http://www.bmu.de/files/pdfs/allgemein/application/pdf/hintergrund_zahlen2006.pdf, 24.10.2007 http://www.bvt.umweltbundesamt.de/archiv/abgas-abwasser.pdf, 02.01.2008 http://www.carmen-ev.de/dt/portrait/foren/forum07/3_B%F6se.pdf, 19.11.2007 http://www.daf.zadi.de/download/PPT_Vorlop.pdf, 03.01.2008 http://www.energieberatung.ibs-hlk.de/plangetrei_dat.htm, 30.11.2007 http://www.energie.ch/et/umwandlung/verbrennung/index.htm, 30.01.2008 http://www.erdoel.ch/doc/300319850511072007.pdf, 09.01.2008 http://www.gesetze-im-internet.de/bundesrecht/eeg_2004/gesamt.pdf, 09.01.2008 http://www.gesundheit.de/medizin/medikamente/alkohol-in-medikamenten/index.html, 15.11.2007 http://www.Henkel.com E-Mail von Herr Feesche J., Henkel KGaA http://www.ig-pflanzenzucht.de http://www.kwst.com/prodinfo.html, 17.12.2007

http://www.kws.de/aw/KWS/home/Zuckerruebe_5429688/Qualitaet_534372/~cbup/Inhaltsstoffe/, 13.10.2007

http://www.kiel-strom.de, 17.01.2008

http://www.lab biokraftstoffe.de/downloads/PDF/fachinformationen/ifo-studie.pdf, 05.02.2008 http://www.lab-biokraftstoffe.de/Einsatzmoeglichkeiten.html, 09.11.2007

Literatur und Quellenverzeichnis XV

http://www.lab-biokraftstoffe.de/Poletik.html, 09.11.2007

http://www.lab-biokraftstoffe.de/Bioethanol-weltweit.html, 09.11.2007 http://www.Landwirtschaft.sachsen.de/lfl, 15.11.2007

http://www.learn-line.nrw.de/angebote/agenda21/lexikon/kalorie.htm, 04. 01. 2008 http://www.muk.uni-frankfurt.de/pm/pm2007/1107/204/index.html, 12.12.2007 http://www.paul-ehrlich-schule.de/Download/Projekte/NaFeStBr.pdf, 13.10.2007) http://www.smul.sachsen.de/de/wu/Landwirtschaft/lfl/inhalt/download /Biokraftstoffe_2007_07_02_ Kennwortschutz.pdf, 15.11.2007

http://www.stock-world.de/board/forum_gesamt/255385/thread.m?a= , 09.10.2007 http://www.suedzucker.de/produkt/schema/index.shtml, 15.11.2007 http://www.tagesschau.de/meldung110550.html, 11.11.2007 http://www.transgen.de/lexikon_nutzpflanzen/4.weizen.html, 19.11.2007 http://www.tutech.de/energy/cms/Content/download/fma_bioethanol_Wilkening_public_TuTech-KWST-03-11-06-rev.pdf, 15.01.2008

http://www.umwelt.sachsen.de/de/wu/Landwirtschaft/lfl/inhalt/download/grunert.pdf, 15.11.2007 http://www.wikipedia.de, 27.11.2007 http://www.zuckerverbaende.de/2_1_3.html, 21.11.2007 http://www.zentralheizung.de/heizkosten/heizkosten.php, 08.02.2008 http://www.zuckerruebe.nu/upl_material/bioe7.pdf, 15.01.2008

http://www.zuckerverbaende.de/pdf/VdZ_Futtermittel_Konzept _2_Auflage _2003.pdf, 03.12.2007

Anhang Verteidigung Power Point Präsentation XVΙΙ Folie 1

Anhang Verteidigung Power Point Präsentation XVΙΙI Folie 2

Anhang Verteidigung Power Point Präsentation XΙX Folie 3

Anhang Verteidigung Power Point Präsentation XX Folie 4

Anhang Verteidigung Power Point Präsentation XXΙ Folie 5

Anhang Verteidigung Power Point Präsentation XXΙΙ Folie 6

Anhang Verteidigung Power Point Präsentation XXΙΙΙ Folie 7

Anhang Verteidigung Power Point Präsentation XXΙV Folie 8

Anhang Verteidigung Power Point Präsentation XXV Folie 9