Wasserstoff und Biotreibstoffe als Alternative zu Benzin

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Benzin
2.1 Herstellung
2.2 Verbrennungsmotor
2.3 Der Heizwert
2.4 Ökologische Bilanz

3 Biotreibstoffe
3.1 Bioethanol
3.1.1 Herstellung
3.1.2 Nutzung und technische Aspekte
3.1.3 Der Heizwert
3.1.4 Ökologische Bilanz

4 Wasserstoff
4.1 Herstellung
4.1.1 Dampfreformierung
4.1.2 Partielle Oxidation
4.1.3 Elektrolyse
4.2 Nutzung
4.2.1 Brennstoffzelle
4.2.1.1 PEM-Brennstoffzelle
4.3 Der Heizwert
4.4 Ökologische Bilanz

5 Fazit

6 Anhang

7 Literaturverzeichnis

8 Internetquellen

9 Erklärung

1 Einleitung

Auf den folgenden Seiten meiner Facharbeit werde ich mich mit alternativen Antriebsmitteln zu Benzin anhand von Wasserstoff und Biotreibstoff beschäftigen. Ich habe mich für dieses Thema entschieden, da ich vor Kurzem selbst meinen Führerschein erworben habe und somit jetzt aktiv am Verkehrsgeschehen teilnehmen kann und werde. Außerdem interessiere ich mich für die globalen Klimageschehnisse rund um den Treibhauseffekt und habe bereits in der Grundschule ein Referat über den Klimawandel gehalten. Ich werde zuerst auf Benzin als Kraftstoff eingehen und dabei die Herstellung erläutern, den Energiegehalt berechnen und mich mit den ökologischen Aspekten beschäftigen. Daraufhin werde ich die gleichen Aspekte auf Biotreibstoff anhand von Bioethanol und auf Wasserstoff anwenden. Aber zuerst möchte ich eine Einführung in die Klimaproblematik liefern: Mit dem Bevölkerungswachstum, der Industrialisierung und der Globalisierung steigt auch der weltweite Energiebedarf und somit auch die Abhängigkeit der Industriestaaten von den großen Ölexporteuren wie Saudi-Arabien, Kanada, Iran und Irak. Ein Grund für die Entwicklung alternativer Energien ist also das Streben der Industrienationen nach Unabhängigkeit. Wenn man außerdem noch in Betracht zieht, dass weltweit lediglich 10 % der Energie tatsächlich genutzt wird und der Rest verschwendet wird, zeigt sich die Notwendigkeit von neuen Energieformen zur Förderung der Effizienz. Hierzu lässt sich anmerken, dass es zwei Möglichkeiten zur Steigerung der Effizienz beziehungsweise der Nachhaltigkeit im Verkehrssektor gibt. Zum einen ließen sich die bereits vorhandenen Techniken optimieren, um den Wirkungsgrad zu steigern und die Emissionen zu senken, wobei sich allerdings als Problem erweist, dass die Entwicklungspotenziale so gut wie erreicht sind. Hieraus ergibt sich die zweite Möglichkeit der Entwicklung neuer Antriebstechniken, von denen meine Facharbeit handelt. Additiv muss man noch ein Hauptaugenmerk auf den globalen Klimawandel legen, da der Verkehrssektor für ein Drittel der weltweiten Kohlenstoffdioxidausstöße verantwortlich ist. So tagten 1992 zum ersten Mal 10000 Delegierte aus 178 Ländern bei einem Klimagipfel in Rio de Janeiro um Maßnahmen zum Schutz des Klimas zu treffen. Allerdings wurden verbindliche Auflagen erst im Kyoto-Protokoll^[1] von 1997 beschlossen, das 2005 in Kraft trat. So wurde beschlossen, dass die Industrienationen den Ausstoß der relevantesten Treibhausgase^[2] von 2008 bis 2012 um fünf Prozent unter das Niveau von 1990 senken. Es folgten zahlreiche Richtlinien, die den Schadstoffausstoß begrenzten und eine Förderung alternativer Energien und Antriebsstoffe beschlossen.

2 Benzin

Im Jahr 2013 betrug der Anteil der mit Benzin betriebenen PKW im Straßenverkehr 68 %, das heißt, dass Benzin mit Abstand, vor Diesel mit 30 %, der meistgenutzte Kraftstoff auf deutschen Straßen ist.

2.1 Herstellung

Motorenbenzin besteht aus vielen verschiedenen Bestandteilen wie Alkanen, Alkenen, Cycloalkanen und aromatischen Kohlenwasserstoffen sowie Ethern und Alkoholen. Gewonnen wird das Benzin aus Erdöl und wird dazu in vielen Schritten von Raffinerien aufgearbeitet. Im ersten Schritt muss das von Salzen gereinigte Erdöl, das Rohöl, destilliert werden. Hierbei wird das Rohöl in einem bis zu 50 Meter hohen Turm, der oben am heißesten und unten am kältesten ist, erhitzt. So setzen sich die leichten Kohlenwasserstoffe oben und die schweren unten ab. Beim Cracken, dieser Schritt heißt auch Konversion, werden die schweren, komplexen und somit für Benzin ungeeigneten Kohlenwasserstoffe in kleinere und somit leichtere Kohlenwasserstoffe aufgespalten. Im nächsten Schritt muss der im Rohöl enthaltene Schwefel entfernt werden, da sonst bei der Verbrennung schädliche Schwefeloxide entstehen würden. Dazu spaltet man gezielt den Schwefel ab und lässt diesen mit Wasserstoff reagieren. Diese Verbindung kann dann abgeleitet und zu reinem Schwefel weiterverarbeitet werden. Anschließend muss das Rohöl noch in zahlreichen Schritten veredelt werden, damit es die gewünschte Klopffestigkeit aufweist, die maßgeblich für die Qualität eines Kraftstoffes steht (vgl. Shell). Die Klopffestigkeit wird angegeben in der Oktanzahl (ROZ) und liegt bei Benzin bei 91 ROZ. Sie beschreibt die Verbrennungsqualität sowie die Fähigkeit, harten Motorbetriebsbedingungen standzuhalten. Je höher die Oktanzahl ist, desto geringer ist also die Neigung des Kraftstoffes sich selbst zu entzünden. Durch eine hohe Klopffestigkeit steigen folglich die Leistung sowie der Wirkungsgrad des Antriebsstoffes (vgl. Paschotta).

2.2 Verbrennungsmotor

In einem Verbrennungsmotor wird die Energie des Kraftstoffes (siehe Kapitel 2.3) in der Brennkammer des Hubkolbenmotors freigesetzt. Dabei entsteht Wärmeenergie, die eine Volumenänderung des Kraftstoff-Luft-Gemisches bewirkt. Diese Volumenvergrößerung führt zur Erzeugung von Bewegungsenergie, die einen Kolben in Bewegung setzt, der für den Antrieb im Auto sorgt (vgl. Geitmann 2008, S.154f.).

2.3 Der Heizwert

Maßgeblich für die Qualität eines Kraftstoffes steht natürlich die Energie, die bei dessen Verbrennung freigesetzt wird. Im Folgenden werde ich die Verbrennungsenthalpie und daraus den Heizwert von Benzin anhand von Oktan berechnen. Dabei ist anzumerken, dass die Verbrennungsenthalpie das Optimum an genutzter Energie darstellt, das heißt, dass Energieverluste bei der Produktion oder Verluste aufgrund des Wirkungsgrades nicht einberechnet sind. Die Reaktionsgleichung der Verbrennung von Oktan lautet:

C8H18 (l) + 12,5 O2 (g) → 8 CO2 (g) + 9 H2O (g)

Daraus lässt sich nun die Reaktionsenthalpie berechnen, indem man die Summe der Standardbildungsenthalpien der Edukte von der Summe der Standardbildungsenthalpien der Produkte abzieht (Elemente wie Sauerstoff werden hierbei nicht berücksichtigt):

Δ rH°m = Σ Δ fH°m(Produkte) – Σ Δ fH°m(Edukte)

= 8*(fH°m(CO2)) + 9*(fH°m(H2O(g))) – fH°m(C8H18)

= 8*(-393 kJ/mol) + 9*(-242 kJ/mol) – (-250 kJ/mol)

= -5072 kJ/mol

Die Reaktionsenthalpie der Verbrennungsreaktion nennt man auch Verbrennungsenthalpie Δ vH°m. Da eine Energie, die in mol angegeben ist, in der Praxis schwer Anwendung findet, errechnet man den Heizwert, indem man den Betrag der Verbrennungsenthalpie durch die molare Masse des Stoffes teilt:

M(C8H18) = 114,224 g/mol

Hi = (5072 kJ/mol) / (114,224 g/mol) = 44,4 kJ/g

Da für eine Tankfüllung nicht das Gewicht sondern das Volumen entscheidend ist, rechnet man diesen Wert noch mit Hilfe der Dichte des Oktans (p = 0,698 g/cm3) um:

44,4 kJ/g * 0,698 g/cm3 = 31 kJ/cm3 = 31 MJ/l

Der Heizwert von Oktan, also die Energie, die bei der Verbrennung frei wird, beträgt also 31 MJ/l.

2.4 Ökologische Bilanz

Es ist unumstritten, dass die ökologische Bilanz des Benzins äußerst schlecht ist, weshalb ein zeitnaher Wechsel zu alternativen Kraftstoffen angestrebt wird. Es beginnt schon bei der Herstellung, die auf fossile Energiereserven wie Erdöl zurückgreift. Obwohl sich die Methoden zur Förderung von Erdöl in den letzten Jahrzehnten stetig verbessert haben, sodass Öl in bis zu 3000 Metern Tiefe gewonnen werden kann und eine Ausnutzung von bis zu 70 % der Lagerstätten erreicht wird, handelt es sich bei den Erdölressourcen der Erde um versiegende Quellen (vgl. Geitmann 2008, S.35). Es ist unklar, wann die Erdölressourcen tatsächlich aufgebraucht sind, da unter der Erde eventuell noch unentdeckte Vorkommen lagern. So ist auch der Erdölpreis drastisch angestiegen, was eine Verteuerung des Benzinpreises zu Folge hatte. 1972 lag der Preis für Superbenzin noch bei im Schnitt 35,3 Cent pro Liter und stieg zu Hochzeiten im Jahr 2012 auf das mehr als 4,5-fache, also 164,5 Cent pro Liter, an (statista 2014). Bei der Herstellung des Kraftstoffes aus Erdöl werden große Mengen des für die Atmosphäre schädlichen Kohlenstoffdioxids freigesetzt. Auch bei der Anwendung von Benzin im Verbrennungsmotor gibt es eklatante Probleme. Wie in der Reaktionsgleichung in Kapitel 2.3 zu erkennen, entsteht auch hier das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid. Wenn allerdings ein Sauerstoffmangel besteht, dann kann es unter anderem sogar zur Bildung von Kohlenstoffmonoxid oder gar elementarem Kohlenstoff (Ruß) kommen. Außerdem entstehen bei der Verbrennung des Benzins im Motor Stickoxide (NOx), weil aufgrund der Hitze und des hohen Drucks der Sauerstoff mit dem Stickstoff aus der Luft reagiert. Zudem liegt der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren bei lediglich 25 bis max. 37 %, da die chemische Energie des Benzins über mehrere Zwischenstufen umgewandelt werden muss und ein Großteil als Wärmeenergie verloren geht. Zur genaueren Aufschlüsselung der verschwendeten Energie befindet sich ein Schaubild 2.4.1 im Anhang.

3 Biotreibstoffe

Unter Biotreibstoffen versteht man flüssige oder auch gasförmige Antriebsstoffe, die aus Biomasse gewonnen werden, was bedeutet, dass bei der Produktion ausschließlich auf erneuerbare und biologische Quellen zugegriffen wird, wie zum Beispiel nachwachsende Pflanzen. Dabei lassen sie sich in drei Generationen unterteilen. Die erste Generation basiert auf zucker-, stärke- oder ölhaltigen Nahrungspflanzen und wird zum Beispiel für die Produktion von Pflanzenöl-Kraftstoff, Biodiesel oder Bioethanol verwendet. In Kapitel 3.1 werde ich auf den eben genannten Bioethanol eingehen, da dieser die direkte Alternative zu Benzin darstellt und bereits in Benzingemischen verwendet wird. Für Biotreibstoffe der zweiten Generation werden hingegen Pflanzen genutzt, die nicht als Nahrungsmittel für den Menschen geeignet sind, wie Energiemais, Gülle, Holz oder Stroh. So werden daraus Biomethan, BtL-Kraftstoffe^[3] oder auch Biomethanol produziert. Das Augenmerk bei Biotreibstoffen der dritten Generation, die hauptsächlich aus Algen produziert werden würden, liegt darauf, den Ausgangsstoff unter anderem durch Genmanipulation zu verbessern. Diese Überlegungen von Treibstoffen der dritten Generation sind allerdings noch Utopie. Noch theoretischer ist die hypothetische Möglichkeit von Treibstoffen der vierten Generation aus Rohstoffen und Mikroben, die ausschließlich auf die Treibstoffproduktion ausgelegt sind (vgl. Smith 2010, S. 25f.). Das große Ziel, die Nachhaltigkeit dieser Biotreibstoffe ist allerdings höchst umstritten, aber dazu später mehr.

3.1 Bioethanol

Bei Bioethanol handelt es sich chemisch gesehen um den gleichen Stoff wie bei Ethanol aus fossilen Quellen. Die Summenformel lautet ebenso C2H5OH.

3.1.1 Herstellung

Für die Herstellung von Bioethanol werden zucker-, stärke- oder zellulosehaltige Pflanzen benötigt, das heißt, dass es sich um einen Biotreibstoff der ersten Generation handelt. Vor allem die Produktion in Brasilien, die im Jahr 2008 eine Fläche von fast acht Millionen Hektar umfasste, sorgt dafür, dass 65 % der Gesamtproduktion an Bioethanol auf Zuckerrohr zurückzuführen sind. So war Brasiliens Wirtschaft 2008 mit 47 % der Weltproduktion Marktführer in der Herstellung von Bioethanol vor den USA (40 %), die Bioethanol hauptsächlich aus Mais herstellen. Weitere große Produzenten sind China, Spanien und Indien. Zuckerrüben, Kartoffeln oder Getreide eignen sich ebenso zur Produktion von Bioethanol (vgl. Geitmann 2008, S. 84f.), wie auch zellulosehaltige^[4] Pflanzen wie Holz oder Stroh. Zur Herstellung des Ethanols wird der Ausgangsstoff zuerst zerkleinert und anschließend wird der Zucker aus der zuckerhaltigen Pflanze durch Auswaschen herausgetrennt. Bei stärke- und zellulosehaltigen Pflanzen müssen die Kohlenhydrate zuerst durch Verflüssigungs- und Verzuckerungsenzyme zu einer Glukoselösung umgewandelt werden. Problematisch bei zellulosehaltigen Pflanzen ist jedoch im Moment noch, dass die Umwandlung in Bioethanol noch zu energieaufwendig ist und zu kostspielige Enzyme erfordert, was im Endeffekt eine Unwirtschaftlichkeit darstellt. Dem so gewonnenen Zucker werden nun Enzyme von Hefen oder anderen Mikroorganismen beigefügt, die zur Fermentation^[5] des Zuckers zu Ethanol und Kohlendioxid führen:

C6H12O6 (s) → 2 C2H5OH (l) + 2 CO2 (g)

Damit sich Benzin und Ethanol dauerhaft mischen können, muss bei der Herstellung des Ethanols eine Reinheit von 99,5 bis 99,9 % erreicht werden, die durch mehrmaliges Destillieren erzielt wird (vgl. Bundesverband der deutschen Bioethanolwirtschaft e.V.).

3.1.2 Nutzung und technische Aspekte

Seit dem 1. Januar 2006 enthält jede Benzinsorte einen Bioethanolanteil von 5 %. Seit dem 1. Januar 2011 wird an Tankstellen in Deutschland das Bioethanolgemisch E10 angeboten. E10 bedeutet, dass in diesem Kraftstoff ein Anteil von 10 % Bioethanol zu den 90 % Benzin hinzugefügt ist. 93 % aller benzinbetriebenen PKW und 99 % aller in Deutschland gefertigten Benzinmotoren sind ohne Umrüstmaßnahmen in der Lage E10 schadenfrei zu tanken. Trotzdem war die Haltung der Bevölkerung gegenüber des Biotreibstoffes kritisch, was vor allem an Zweifeln an der Verträglichkeit lag (siehe auch Abbildung 3.1.2.1 im Anhang). Am Ende des Jahres 2011 lag der Marktanteil lediglich bei 11 % und stieg bis zum Ende des Jahres 2013 nur unmerklich auf 14 %. Man kann also eine gewisse Steigerung erkennen und dass die Zweifel am neuen Biotreibstoff sich langsam legen, aber die Durchsetzung von Bioethanolgemischen wie E10 als Standardantriebsstoff noch weit entfernt ist (vgl. Keil 2012, S. 32ff.). Ebenso gibt es Benzin-Ethanol-Mischungen mit den Bezeichnungen E15, E25, E50, E85 und E100, für die allerdings Umrüstungen am Motor nötig sind, damit dieser den Treibstoff verarbeiten kann. Dies liegt daran, dass reines Ethanol mit den Bauteilen aus Gummi und Kunststoffen reagiert und diese auflöst. Kraftwagen, die mit reinem Benzin und auch speziell mit dem gängigen E85 betrieben werden können, nennt man Flexible Fuel Vehicles (FFV). Sie sind insbesondere in Schweden und Brasilien die gängige Fahrzeugart, da dort der Marktanteil für Bioethanol wie E85 deutlich höher liegt als hier in Deutschland (vgl. Geitmann 2008, S. 85ff.). Reines Ethanol verfügt über eine sehr hohe Oktanzahl, weshalb die Klopffestigkeit in Bioethanolgemischen wie E85 auf 110 ROZ ansteigt, sodass die Leistung prinzipiell höher ist und Wirkungsgradgewinne von bis zu 20 % gegenüber Benzin mit 91 ROZ möglich sind.

[...]

^[1] Protokoll von Kyoto zum Rahmenübereinkommen der Vereinten Nationen über Klimaänderungen: http://www.bmub.bund.de/fileadmin/bmu- import/files/pdfs/allgemein/application/pdf/protodt.pdf

^[2] Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4), Distickstoffoxid (N2O), teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe (H-FKW, engl.: HFC), perfluorierte Kohlenwasserstoffe (FKW, engl.: PFC) und Schwefelhexafluorid (SF6)

^[3] BtL-Kraftstoffe (Biomass to Liquid-Kraftstoffe) sind synthetische Kraftstoffe aus verflüssigter Biomasse.

^[4] Zellulose ist der Stoff, der sich im holzigen Teil einer Pflanze befindet. Durch Verwendung zellulosehaltiger Pflanzen wäre es folglich möglich, die gesamte Pflanze und nicht nur die zucker- oder stärkehaltigen Teile zu verwenden, was eine erhebliche Effektivitätssteigerung bedeutet.

^[5] Alkoholische Gärung