In der vorliegenden Arbeit wurde die Nettoenergiebilanz der Bioethanolproduktion aus Weizen und aus Zuckerrüben im Geltungs-bereich 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.
Inhaltsverzeichnis
1 EINLEITUNG UND AUFGABENSTELLUNG
2 BIOETHANOL
2.1 Grundsätzliches
2.2 Ökonomische und gesetzliche Vorgaben
2.3 Einsatz des Bioethanol als alternativer Kraftstoff
2.4 Vorkommen in Lebensmitteln
2.5 Sonstige Verwendung
2.6 Zertifikationen für Biokraftstoffproduzenten
3 WEIZEN
3.1 Weizen Anbau, Ertrag und Nebenprodukte
3.2 Chemische Zusammensetzung Weizen und Nebenprodukte
3.3 Mehlverarbeitung
3.4 Herstellung der Substratlösung für die Fermentation
4 ZUCKERRÜBEN
4.1 Zuckerrüben Anbau, Ertrag und Nebenprodukte
4.2 Chemische Zusammensetzung der Zuckerrübe, Koppelprodukte
4.3 Saccharidgewinnung aus Zuckerrüben
4.4 Herstellung der Substratlösung für die Fermentation
5 BIOETHANOL AUS WEIZEN UND ZUCKERRÜBEN
5.1 Grundsätzliches über Saccharomyces cerivisiae
5.2 Ethanolfermentation
5.2.1 Diskontinuierliche Fermentation (Batch-Verfahren)
5.2.2 Kontinuierliche Fermentation
5.2.3 Anlagenaufbau in der Industrie
5.3 Ethanol-Wasser-Trennung
5.3.1 Destillation und Rektifikation
5.3.2 Absolutierung und Filtration
5.3.3 Lagerung und Transport des Ethanol
6 ANLAGENKONZEPTE ZUR ENERGIEGEWINNUNG
6.1 Wirkungsgrade von Heizwerken und Heizkraftwerken
6.2 Anlagenkonzepte und energetische Kenngrössen
6.3 Erzeugung von Biogas Methan
6.4 Inhaltesstoffe und Eigenschaften von Biogas
7 NETTOENERGIEBILANZ DER BIOETHANOLPRODUKTION
7.1 Basisdaten
7.1.1 Basisdaten PE-Träger
7.1.2 Heizwert, Kohlendioxid-Fracht, Marktpreis
7.1.3 Basisdaten Default-Werte
7.1.4 Basisdaten für Anbau und Transport Zuckerrübe, Weizen
7.2 PE-Einsatz der Rohstoffproduktion Weizen, Zuckerrüben
7.2.1 Transportwege
7.3 Bioethanolproduktion aus Weizen
7.3.1 Prozessmodule für die Bioethanolproduktion
7.3.2 Sachbilanz der Weizen-Modelle Input, Output
7.3.3 Input Weizen-Modelle
7.3.4 Output Weizen-Modelle
7.3.5 Allokationen Weizen-Modelle
7.3.6 Energiebilanz der Weizen-Modelle
7.3.7 Default-Wert Berechung Weizen
7.4 Bioethanolproduktion aus Zuckerrüben
7.4.1 Prozessmodule für die Bioethanolproduktion
7.4.2 Sachbilanz der Zuckerrüben-Modelle Input, Output
7.4.3 Input Zuckerrüben-Modelle
7.4.4 Output Zuckerrüben-Modelle
7.4.5 Allokationen Zuckerrüben-Modelle
7.4.6 Energiebilanz der Zuckerrüben-Modelle
7.4.7 Default-Wert Berechung Zuckerrüben-Modelle
8 UNTERSUCHUNG DER BIOETHANOLBERICHTE
8.1 Studie Schmitz
8.2 Studie Elsayed et al.
8.3 Studie EMPA
8.4 Studie CONCAWE
9 STROM EINSPEISUNG, NUTZUNG UND WIRKUNGSGRAD
10 ZUSAMMENFASSUNG
11 AUSBLICK
Zielsetzung und Themen
Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, eine fundierte Nettoenergiebilanz für die technologische Bioethanolproduktion aus Weizen und Zuckerrüben in Deutschland zu erstellen. Dabei wird untersucht, wie hoch der primäre Energieeinsatz in den landwirtschaftlichen Produktionsprozessen und in der industriellen Herstellung im Vergleich zum energetischen Output des produzierten Bioethanols sowie der anfallenden Nebenprodukte ist.
- Erstellung einer detaillierten Nettoenergiebilanz für Bioethanol aus Weizen und Zuckerrüben.
- Untersuchung der landwirtschaftlichen Produktionsprozesse sowie der industriellen Rohstoffaufbereitung.
- Allokation von Koppel- und Nebenprodukten zur korrekten energetischen Bewertung.
- Berechnung von Default-Werten für den Einsatz primärer Energie in verschiedenen Produktionsmodellen.
- Analyse und Vergleich bestehender wissenschaftlicher Studien zur Bioethanolproduktion.
- Untersuchung der energetischen Auswirkungen bei der Stromeinspeisung und -nutzung unter Berücksichtigung von Zertifizierungsvoraussetzungen.
Auszug aus dem Buch
2 BIOETHANOL
Ethanol ist eine farblose, klare und hygroskopische Flüssigkeit, welche einen würzigen Geruch und einen brennendem Geschmack besitzt. Dieser Alkohol ist leicht entzündlich und verbrennt mit schwach leuchtender Flamme mit einem Heizwert Hu von 26,8 MJ pro kg zu Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O). 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.
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 (C2H4) Wasser (H2O) in einer Hydroxylierungs-Reaktion angelagert wird und Ethanol (C2H5OH) als Reaktionsprodukt entsteht. 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.
Ethanol kann mit Wasser ein azeotropes 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. Als absoluter Alkohol wird eine Flüssigkeit bezeichnet die mindestens 99,8 Vol.-% Alkohol enthält und somit praktisch wasserfrei ist.
Zusammenfassung der Kapitel
1 EINLEITUNG UND AUFGABENSTELLUNG: Die Einleitung beleuchtet den klimapolitischen Kontext von Treibhausgasen und definiert das Ziel der Erstellung einer Nettoenergiebilanz für die Bioethanolproduktion.
2 BIOETHANOL: Dieses Kapitel erläutert die chemischen und physikalischen Grundlagen von Ethanol sowie dessen ökonomische Bedeutung und gesetzliche Rahmenbedingungen.
3 WEIZEN: Es wird die Eignung von Weizen als Rohstoff für die Bioethanolproduktion untersucht, inklusive Anbau, Inhaltsstoffen und der Mehlverarbeitung.
4 ZUCKERRÜBEN: Dieses Kapitel analysiert den Anbau, die chemische Zusammensetzung und die Gewinnung von Sacchariden aus Zuckerrüben.
5 BIOETHANOL AUS WEIZEN UND ZUCKERRÜBEN: Dieser Abschnitt beschreibt detailliert die Fermentationsprozesse durch Hefe, die Stoffwechselregulation und die technischen Anlagenkonzepte zur Ethanolherstellung.
6 ANLAGENKONZEPTE ZUR ENERGIEGEWINNUNG: Es werden verschiedene Anlagenkonzepte und deren energetische Kenngrößen sowie die Biogaserzeugung aus Nebenprodukten behandelt.
7 NETTOENERGIEBILANZ DER BIOETHANOLPRODUKTION: Das Hauptkapitel widmet sich der systematischen Erstellung der Nettoenergiebilanz durch die Analyse von Basisdaten, Allokationen und Modellrechnungen für Weizen und Zuckerrüben.
8 UNTERSUCHUNG DER BIOETHANOLBERICHTE: Hier werden bestehende wissenschaftliche Berichte und Studien zur Bioethanolproduktion vergleichend analysiert.
9 STROM EINSPEISUNG, NUTZUNG UND WIRKUNGSGRAD: Dieses Kapitel betrachtet die gesetzlichen Grundlagen zur Stromvergütung und die technischen Aspekte der Energieeffizienz bei der Stromnutzung.
10 ZUSAMMENFASSUNG: Die Ergebnisse der gesamten Untersuchung werden zusammengefasst und die energetische Bewertung der verschiedenen Produktionsmodelle diskutiert.
11 AUSBLICK: Das Fazit wirft einen Blick auf künftige Entwicklungen, insbesondere im Hinblick auf internationale Märkte und neue Fahrzeugtechnologien.
Schlüsselwörter
Bioethanol, Nettoenergiebilanz, Weizen, Zuckerrüben, Energieeinsatz, Allokation, Fermentation, Treibhausgasemissionen, Koppelprodukte, Biogas, Brennstoffe, Ethanolproduktion, Nachhaltigkeit, Energiebilanzierung, industrielle Anlagen.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Diplomarbeit untersucht die Nettoenergiebilanz der industriellen Bioethanolproduktion aus den Rohstoffen Weizen und Zuckerrüben innerhalb Deutschlands.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Zu den zentralen Themen gehören der Energieaufwand der Rohstoffgewinnung, der industrielle Fermentationsprozess, die energetische Bilanzierung von Koppelprodukten sowie die Analyse bestehender Studien.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das primäre Ziel ist es, den gesamten Energieaufwand vom Anbau bis zum fertigen Bioethanol zu erfassen und mittels Allokationsverfahren zu prüfen, ob die Bioethanolproduktion energetisch vorteilhaft gegenüber fossilen Energieträgern ist.
Welche wissenschaftliche Methode wird primär verwendet?
Die Autorin verwendet eine prozessorientierte Bilanzierungsmethode, die auf den Normen für Ökobilanzen (EN ISO 14040ff) basiert, um den kumulierten Primärenergiebedarf zu ermitteln.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Analyse der Rohstoffe, die technischen Details der Ethanolsynthese, die Vorstellung verschiedener Produktionsmodelle und die detaillierte energetische Auswertung dieser Modelle.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Bioethanol, Nettoenergiebilanz, Allokation, Primärenergiebedarf und Koppelprodukte sind die prägenden Fachbegriffe dieser wissenschaftlichen Untersuchung.
Wie werden die Koppelprodukte (z.B. DDGS, Schlempe) energetisch bewertet?
Die Koppelprodukte werden mittels monetärer oder energetischer Allokationsverfahren bewertet, indem ihr Heizwert oder ihr Marktpreis als Gutschrift auf den gesamten Prozess angerechnet wird.
Warum spielt der Einsatz von Heizkraftwerken eine Rolle für die Energiebilanz?
Heizkraftwerke ermöglichen durch Kraft-Wärme-Kopplung eine effizientere Ausnutzung der eingesetzten Energie, wodurch der Netto-Energiebedarf gegenüber reinen Heizwerken gesenkt werden kann.
- Quote paper
- Alexander Bracko (Author), 2008, Nettoenergiebilanz der Bioethanolproduktion aus Zuckerrüben und Weizen in Deutschland , Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/153533
