FAKULTÄT

RESSOURCENMANAGEMENT
GÖTTINGEN

MASTERTHESIS

im Studiengang
Nachwachsende Rohstoffe und
Erneuerbare Energien

Lehrgebiet:
Biogene Kraftstoffe

Thema:
Anbau von Ölpflanzen in den Tropen und Subtropen für
die Herstellung biogener Kraftstoffe - am Beispiel des
südlichen Afrikas

vorgelegt von
Lars Pingel

am
01.07.2008

1. Einleitung
1.1 Problemstel ung

Derzeit befinden wir uns im grundlegenden Wandel unserer Energieversorgung. Da der Bedarf stetig steigt, die fossilen Ressourcen schwinden und der globale Klimaschutz eine deutliche Reduktion der Treibhausgasemissionen erfordert, steht die globale Energiepolitik vor einer Umstrukturierung der Energieversorgung. Weltweit betrachtet haben wir heute einen Primärenergieverbrauch von rund 450 EJ, wobei das Erdöl (40,9 % am PEV) der weitaus bedeutendste Energieträger ist, vor allem im Heiz- und im Verkehrssektor, und wie kein anderer im so erheblichem Maße die Geschehnisse auf unserer Erde beeinflusst [86]. Im Bereich Verkehr und Mobilität ist derzeit und wohl auch längerfristig die Biomasse die aussichtsreichste regenerative Energiequelle, die es annäherungsweise vermag die konventionellen fossilen Kraftstoffe wie Diesel, Benzin und Kerosin zu substituieren. Während die so genannten ,,Kraftstoffe der 2. Generation" (BTL, Wasserstoff) sich gerade erst in der Einführungsphase befinden und ihre Etablierung noch durch technische sowie wirtschaftliche Defizite erschwert wird, erscheinen vorerst nur die ,,Kraftstoffe der 1. Generation" wie Biodiesel und Bioethanol als Kraftstoffsubstitut im großen Maßstab in Frage zu kommen. Hierzu gehören biogene Kraftstoffe auf Basis von Pflanzenölen (Biodiesel) sowie auf Basis von stärke- und zuckerhaltigen Pflanzen (Bioethanol).

Der entscheidende Vorteil dieser Kraftstoffe ist, dass sie zum einen CO2-neutral und zum anderen regenerativ sind, im Gegensatz zu fossilen Energieträgern. Das heißt, dass der biogene Treibstoff nicht zusätzlich die Atmosphäre mit CO2 anreichert, weil er bei der Verbrennung nur den Kohlenstoff an die Atmosphäre abgibt, den er zuvor über die Photosynthese aufgenommen hat. Außerdem ist diese Art von Kraftstoff immer wieder erneuerbar und unterliegt keiner Knappheit, sofern immer genug Licht, Wasser, CO2 und Mineralstoffe vorhanden sind.

Der Anbau von Energiepflanzen hat weltweit gesehen ein sehr hohes Potential, da es vor allem noch in den Schwel en- und Entwicklungsländern große Agrarflächen gibt, die nur zum Teil oder uneffizient bewirtschaftet sind. Folgende Rechnung soll das weltweit energetische Potential von Ölpflanzen verdeutlichen:

[Rechnung] [7]

[Rechnung] [7]

[Rechnung] [7]

[Rechnung] [77]

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[Rechnung] [78]

Setzt man einen durchschnittlichen Ölertrag von rund 2.000 l/ha (Anmerkung: Rapsölertrag bis zu 1.500 l/ha, Palmölertrag bis zu 6.000 l/ha) so kann man die erforderliche Fläche errechnen, die man braucht damit die Menge an Erdöl vol ständig substituiert werden kann.

[Rechnung]

Das heißt also, dass man rund 14,4 % der zur Verfügung stehenden Landflächen auf der Erde für den Anbau von Ölpflanzen benötigen würde, sofern sich die Weltbevölkerung und deren Nachfrage nach Erdöl nicht verändern würden. Bezogen auf die Ackerfläche auf der Erde würden wir sogar mehr Fläche benötigen als überhaupt zur Verfügung steht. Dieses Rechenbeispiel ist natürlich rein hypothetisch anzusehen, da ein Großteil der Landflächen (Wälder, Wüsten, Gebirge,...) nicht für agrarwirtschaftliche Zwecke zur Verfügung stehen. Des weiteren können auch nicht al e potentiellen Agrarflächen mit ,,Energiepflanzen" angebaut werden, da diese zum Großteil für die Ernährung der Menschheit benötigt werden. Allerdings bekommt man durch dieses Beispiel eine Vorstellung über die Größenordungen
über die gesprochen wird.
Aus verschiedenen Gründen gerät heute der Anbau von Energiepflanzen zunehmend in die öffentliche Kritik, die Ursache für verschiedene Missstände auf der Erde zu sein. Zu diesen Missständen zählen vor allem die Lebensmittelknappheit auf unserer Erde und die daraus resultierenden Hungersnöte bzw. die steigenden Rohstoffpreise (Getreide, Fleisch,...) als auch die Abholzung von Regenwäldern und die Dezimierung der Tier- und Pflanzenvielfalt. Hierbei werden allerdings auch viele andere wichtige Aspekte außen vor gelassen, die große wirtschaftliche, ökologische und soziale Auswirkungen haben aber nur selten beim Namen genannt werden. Dies ist zum einem das fortschreitende Bevölkerungswachstum (ca. 80 Mio. Menschen pro Jahr) auf unserer Erde und der damit gekoppelten zusätzlichen Nachfrage nach Ressourcen [84]. Zudem kommen auch die veränderten Lebensweisen und Essgewohnheiten von Menschen aus Schwellenländern wie China und Indien, die vermehrt nach tierischen Lebensmitteln nachfragen. So werden z.B. 30 % der weltweit genutzten Agrarflächen für die Massentierhaltung angebaut. Für die Kultivierung von Energiepflanzen werden noch nicht einmal 2 % der Agrarflächen beansprucht [19]. Weitere Aspekte die ebenfalls große globale Auswirkungen haben sind auch Spekulationen an den Rohstoffbörsen, der Verlauf des Erdölpreises und klimatische Veränderungen und Folgen wie z.B. Wasserknappheit, extreme Dürreperioden und die daraus resultierenden Missernten. Hieraus wird ersichtlich, dass nicht al ein bzw. zu einem geringen Anteil der Anbau von Energiepflanzen für diese globalen Entwicklungen verantwortlich ist. Beim derzeitigen Stand und Entwicklung ist ein Flächenkonflikt zwischen Energie- und

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Lebensmittelpflanze wohl nicht vermeidbar, wenn auch künftig die Energieversorgung auf etwa gleichem Niveau sichergestellt werden soll. Es ist weniger eine Frage ob ,,Tank oder Tel er" sondern vielmehr ,,Tank und Teller", weil beides benötigt wird. Deshalb erscheint der Anbau von Energiepflanzen, worunter auch die Ölpflanzen zählen, für energetische Zwecke eine Notwenigkeit für die Zukunft.

Gerade im Bereich der Pflanzenöle gibt es eine Fülle an verschieden Pflanzenarten zu geben, die sich in vielen Parametern unterscheiden. Je nach Anwendungszweck, Anbaugebiet, Klima, Bodenqualität, Nebenprodukte, etc. können verschiedenste Pflanzen sinnvoll sein um kultiviert zu werden. In den warmen Ländern unserer Erde, begünstigt durch die hohe Sonneneinstrahlung, werden etwa 85 % der Ölfrüchte produziert [8]. Die Produktion von Pflanzenölen nimmt weltweit eine immer bedeutendere Rolle ein und hat innerhalb des letzten Jahrzehnts um 50 % auf rund 122 Mio. t im Jahr 2006/07 zugenommen. Für diesen Anstieg sind insbesondere Palmöl (+ 96 %) und Sojaöl (+ 47 %) verantwortlich [21].

Abb. 1 Weltweite Produktion von Pflanzenölen [21]

Zukünftig ergibt sich nun die Möglichkeit und Chance, das Flächen- und Rohstoffpotential in den Entwicklungsländern mit dem technologischen ,,Know How" aus den Industrieländern zu koppeln. Hieraus ergibt sich insbesondere eine große Chance für die Entwicklungs- und Schwellenländer dieser Erde sich aufgrund ihres Potentials weiterzuentwickeln. Schließlich ist die Versorgung mit ausreichender Energie die Grundvoraussetzung einer modernen Gesellschaft. Aufgrund dessen soll in dieser Arbeit herausgearbeitet werden, welche Ölpflanzen geeignet sind, insbesondere in Hinblick auf semiaride und aride Gegenden, angebaut zu werden um aus ihnen biogene Kraft- und Treibstoffe zu gewinnen.

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1.2 Zielsetzung

Die folgende Arbeit soll dem Leser einen detail ierten Überblick geben, über die Möglichkeit ölhaltige Pflanzen im südlichen Afrika anzubauen. Diese Pflanzen und deren Öle sollen hauptsächlich auf ihre ökologische und physikalische, und wenn möglich auch auf ihre ökonomische Eignung hin zur Nutzung als biogenen Kraftstoff bewertet werden. Da man auf diesem kontinentalen Abschnitt eine große Spannbreite von verschiedenen Klimazonen vorfindet kann man dieses Modell zugleich auch auf andere Länder übertragen, die sich vor allem im tropischen und subtropischen Raum befinden. Im Hinblick auf die aktuelle Diskussion über den Konflikt von Energie- und Lebensmittelpflanzen soll in folgenden Kapiteln verstärkt auf die Nutzung von Ölpflanzen eingegangen werden, die auch in ariden und semiariden Gebieten wachsen. Da es derzeit schon einige Erfahrungen hinsichtlich des Anbaus der Purgiernuss (Jatropha curcas) gibt, soll hier auch am intensivsten auf die Kultivierung dieser Pflanze eingegangen werden. Des weiteren werden in dieser Ausarbeitung noch andere trockenresistente Ölpflanzen wie Jojoba, Moringa oleifera und Pongamia pinnata betrachtet, wobei es mittlerweile Bemühungen und bereits Erfahrungen gibt diese Pflanzen bzw. deren Öle als Kraftstoffquelle zu nutzen. Außerdem sollen auch der Anbau der Kokospalme, Ölpalme und der Sonnenblume zwecks Biokraftstoffnutzung beschrieben werden, da diese Pflanzen auch im südlichen Afrika vorkommen und kultiviert werden. Als Referenzkraftstoff soll der Raps und sein Öl als erstes in dieser Arbeit beschrieben werden, damit man später die Unterschiede zwischen dem Anbau von Ölpflanzen in den gemäßigten Zonen und in den Tropen und Subtropen besser ersehen kann. Um diese Zielsetzung zu erreichen wird in der vorliegenden Arbeit folgendermaßen vorgegangen.

Nach der einleitenden Einführung und Problemstellung im ersten Kapitel soll im zweiten Kapitel die chemische Struktur von Pflanzenölen sowie ihre physikalischen Eigenschaften untersucht werden. Dies ist sehr wichtig, da nicht jedes Pflanzenöl überall gleich gut geeignet ist, um als Kraftstoff eingesetzt zu werden. Im dritten Abschnitt werden der Referenzkraftstoff bzw. -pflanze, die Ölgewinnungsverfahren, die Biodieselherstellung sowie die Qualitätsanforderungen an den Kraftstoff beschrieben. Zusätzlich werden hier die wichtigsten Qualitätsparameter des Biokraftstoffs aufgeführt und ihre Bedeutung erläutert.

Darauf aufbauend werden im vierten Kapitel die verschiedenen Ölpflanzen hinsichtlich ihrer Charakteristik, ihres Anbaus, ihrer Erträge und Ölqualitäten als auch ihrer ökonomischen Eignung beschrieben, sofern dies möglich ist. In diesem Abschnitt soll der Schwerpunkt dieser Arbeit liegen. Im fünften Kapitel wird dann das Projekt ,,SABIO" der Alensys AG und die dazugehörige Biodieselanlage sowie dessen Verfahren erläutert. Hieran schließen sich im sechsten Kapitel die Diskussion der wichtigsten Ergebnisse an sowie eine abschließende Zusammenfassung mit einem Ausblick im siebten Kapitel.

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2. Chemische Struktur und Eigenschaften von Pflanzenölen

Fette und Öle sind im Grunde genommen das Gleiche, sie unterscheiden sich lediglich in ihrem Aggregatzustand. Fette sind bei den üblichen Außentemperaturen fest, wobei Öle sich immer im flüssigen Zustand befinden. Je nach Klima eines Landes wird die Bezeichnung ausfallen. Beispielsweise wäre in Mitteleuropa das Öl der Kokospalme im festen Zustand, sodass man es hierzulande auch Kokosfett bezeichnet. Fette kommen bei Menschen und Tieren meist im Fettgewebe vor, bei Pflanzen vor allem in Früchten und Samen. Sie entstehen im tierischen und pflanzlichen Organismus durch Umwandlung von Kohlenhydraten [7]. Reine Fette sind farb-, geruch- und geschmacklos, bei längerer Aufbewahrung an der Luft resultieren jedoch chemische Veränderungen und Fette werden ranzig. In dieser Arbeit sollen aber lediglich Öle pflanzlicher Herkunft betrachtet und ausführlich beschrieben werden.

Chemisch gesehen sind Pflanzenöle Carbonsäureester. An einem Alkohol, dem Glycerin, hängen drei Fettsäuren (Triglycerid). Die einzelnen Ölpflanzen haben jeweils ein ganz charakteristisches Fettsäuremuster. Aufgrund der verschiedenen Kettenlängen (Anzahl der Kohlenstoffatome pro Fettsäuremolekül) der Fettsäuren, der Anzahl und Stellung der Doppelbindungen, sowie der Anwesenheit von weiteren Komponenten wie z.B. freie Fettsäuren oder Tocopherolen (Vitamin E), gibt es sehr große Unterschiede zwischen den Pflanzenölen hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften. Die Bindungen zwischen den Kohlenstoffketten können gesättigt sein, d.h. an jedem der vier Bindungsstellen des C-Atoms hängt ein weiteres Atom. Bei ungesättigten Bindungen entstehen Doppelbindungen zwischen den C-Atomen.

Abb. 2 Darstellung eines Triglycerid [3]

Interessant ist, dass die Pflanzenöle genetisch bedingt verschiedene Fettsäuren in jeweils charakteristischer Konzentration enthalten. Dieses Fettsäuremuster bestimmt maßgeblich die Kraftstoffeigenschaften und -qualitäten wie z.B. die Viskosität, Dichte, Flammpunkt und Oxidationsstabilität des Pflanzenöls. Fettsäuren werden oft auch als Kurzformel beschrieben. Beispielsweise bedeutet die Bezeichnung C 18:1 (Ölsäure), dass diese Fettsäure 18 Kohlenstoffatome mit einer Doppelbindung (einfach ungesättigt) enthält.

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