Bioethanol als Treibstoff. Produktion, Wirtschaftlichkeit, Ökologie

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Bioethanol

3 Herstellung: Das Abengoa-Verfahren
3.1 Der Rohstoff
3.2 Die Produktion des Bioethanols

4 Wirtschaftlichkeit
4.1 Rohstoffkosten
4.2 Investitionskosten
4.3 Personalkosten
4.4 Zusammenfassung
4.5 Politische Förderung

5 Ökologie
5.1 Energiebilanz von Bioethanol
5.2 Nettoenergiebilanz
5.3 Umweltbilanz
5.4 CO2-Bilanz zur Bereitstellung von Bioethanol
5.5 Weitere Umweltwirkungen

6 Fazit

7 Literatur- und Quellenverzeichnis
7.1 Abbildungen
7.2 Tabellen
7.3 Literatur
7.4 Internetquellen

1 Einleitung

Die vorliegende Arbeit thematisiert Bioethanol als Treibstoff. In Zusammenhang mit den aktuell in Medien und Politik stattfindenden Diskussionen über die Reduzierung von CO2-Emissionen zwecks Klimaschutzes ist dieser biologische Treibstoff als Substitut für Ottokraftstoff ebenfalls von Bedeutung. Es interessiert dabei insbesondere der Vergleich mit herkömmlichem Treibstoff. Deshalb wird zunächst ein Produktionsverfahren betrachtet, um anschließend den biologischen Treibstoff auf Wirtschaftlichkeit, Energie- und Umweltbilanzen zu untersuchen. Aufgrund des großen Umfangs der Thematik können hier lediglich die wesentlichen Aspekte kurz erläutert werden. Ursprünglich sollte in dieser Ausarbeitung außerdem Biodiesel als Ersatzprodukt zu herkömmlichem Diesel betrachtet werden, was allerdings die Vorgaben zum Umfang der Hausarbeit übersteigen würde.

Als Grundlage für die Hausarbeit sind Fachliteratur und Informationsquellen aus dem Internet herangezogen worden.

Zum Thema existiert verhältnismäßig wenig Literatur, aktuellere Studien liegen zudem nicht vor, daher sind viele Literaturquellen möglicherweise nicht mehr auf dem aktuellsten Stand.

Diese Hausarbeit ist auf Basis der fachlichen Informationen des Literatur- und Quellenverzeichnisses und nach den Vorgaben aus Prof. Dr. Przywaras „Formale Gestaltung wissenschaftlicher Arbeiten" von mir selbstständig erstellt worden.

Hannover, 18.07.2013

2 Bioethanol

Die Eigenschaften von Bioethanol als Kraftstoff sind bereits seit vielen Jahrzehnten bekannt. So bezeichnete schon Henry Ford¹ 1908 den aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnenen Alkohol als Treibstoff der Zukunft. Letztlich konnte er sich zu Beginn des 20. Jahrhunderts allerdings nicht gegen die leichter und ertragreicher zu produzierenden Mineralölkraftstoffe durchsetzen. Heutzutage, rund 100 Jahre später, hat sich die Situation zu Gunsten des Ethanols verändert. Immer knapper werdende Vorkommen fossiler Brennstoffe, sowie eine zunehmend bedrohliche Umweltbelastung durch eben diese erhöhen die Konkurrenzfähigkeit des biologischen Treibstoffes. Das verdeutlichen vor allem die Absatzszahlen, die in Deutschland beispielsweise von 238 Mio. Tonnen² im Jahr 2005 auf mehr als das Fünffache (1233 Mio. Tonnen) in 2011 gestiegen sind. Daneben ist auch in anderen Staaten ein positiver Trend erkennbar.

Abb. 1: Bioethanol in Deutschland

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die zentrale Rolle bei der Herstellung spielt dabei die sog. „alkoholische Gärung“, bei der die zucker- oder stärkehaltigen Rohstoffe, darunter Zuckerrüben,Weizen und Mais zu Ethanol umgesetzt werden. Die genauen Verfahren der Gewinnung unterscheiden sich je nach verwendetem organischem Material. Auch das herstellende Unternehmen oder dessen Standort haben Einfluss auf die Produktion. Der folgende Text präsentiert nun eines dieser in Europa angewandten Verfahren und geht dabei im Besonderen auf den exakten Ablauf und das benötigte Rohmaterial des jeweiligen Prozessschrittes ein.

3 Herstellung: Das „Abengoa“-Verfahren

3.1 Der Rohstoff

Die Anlagen des europäischen Marktführers für die Bioethanolproduktion „Abengoa“ verwenden neben Gerste überwiegend Weizen, also stärkehaltige Rohstoffe, für die Herstellung des Kraftstoffes. Die drei in Spanien liegenden Fabriken werden zu 50 % mit spanischem Getreide versorgt, während die andere Hälfte aus Deutschland, Frankreich und der Ukraine importiert wird. Dabei ist von großer Wichtigkeit für die Alkoholausbeute, dass der Stärkegehalt des Rohstoffes 58 % nicht unterschreitet. Der Alkoholgewinn pro Kilogramm Getreide liegt bei etwa 0,35 Liter Ethanol, die Gesamtkapazität bei durchschnittlich 526.000 m3 im Jahr³.

3.2 Die Produktion des Bioethanols

Der erste Schritt nach dem Reinigen des Getreides ist der Mahlvorgang. Das Mehl wird daraufhin mit heißem Wasser, welches ein Nebenprodukt späterer Vorgänge ist, vermischt und in einen sog. Jet-Kocher geleitet. Dieser setzt unter Zugabe von Druck und Wasserdampf die Stärkemoleküle frei.

Abb. 2: Schematische Bioethanolgewinnung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Um allerdings Glucose zu gewinnen, welche im späteren Herstellungsprozess zu Ethanol reagiert, muss die Stärke gelöst werden. Dazu ist in einem weiteren Arbeitsschritt wiederum Hitze nötig, da sich Stärke in kaltem Wasser nahezu nicht lösen lässt.

Bei Abengoa erfolgt nun zunächst eine Teilverzuckerung. Dazu werden der Stärkelösung Ammoniumionen (NH4+) beigemischt. Sie verringern den pH-Wert der Flüssigkeit und verhindern so Schimmel- und Pilzbefall, der den hergestellten Zucker verbrauchen und so die gesamte Lösung für die Ethanolgewinnung nutzlos machen könnte. Dabei ist es wichtig, nur eine schwache Säure zu verwenden, da die Säure sonst auch die Stärkemoleküle zerstörte. Mit einem pKS-Wert von 9,25 ist das Ammoniumion gerade stark genug, um den pH-Wert so weit zu senken, dass das Risiko eines Schädlingsbefalls minimiert wird. Es reagiert mit dem in der Lösung vorhandenen Wasser. Die Reaktionsgleichung lautet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Zusätzlich dient das noch in vergleichsweise hoher Konzentration vorhandene Ammoiniumion (aufgrund der niedrigen Hinreaktionsrate) als Nährstoff für die Hefepilze bei der Verzuckerung im Fermentationstank. Die Wirkung ist also einerseits vorbeugend und gleichzeitig reaktionsfördernd.

Es schließt die Weiterleitung in den sog. Verzuckerungstank an. Bei einer Temperatur von ca. 60°C wird dort das Enzym Glucoamylase hinzugegeben. Es katalysiert die Reaktion der Stärkemoleküle zu Einfachzucker (Glucose; C6H12O6).

In sog. Fermentationstanks, die mit der zuckerhaltigen Lösung gefüllt werden, sorgen Hefepilze („Bäckerhefe“) mithilfe ihres Enzyms Zymase für die Umsetzung der Glucose zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid (Alkoholische Gärung). Auch die vollständige Umwandlung der Stärke zu Zucker erfolgt aus Schutz vor möglichem Pilz- und Bakterienbefall im

Abb. 3: Hefepilze im Rasterelektronenmikroskop

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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¹ http://www.runet.edu/~wkovarik/papers/fuel.html

² http://www.biomasse-nutzung.de/biogas-biokraftstoffe-grafiken-statistik/

³ Vgl. Schmitz, Bioethanolerzeugung, S. 70-71