Nachwachsende Rohstoffe bei der Energiegewinnung und ihre Bedeutung für die chemische Industrie

Gliederung

1. Einleitung

2. Untersuchungsgegenstand/Problemstellung

3. Vorgehen

4 . Warum der Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen?

5. Energiegewinnung durch Pflanzen (Biomasse)
5.1. Gewinnung von Biodiesel aus der Rapspflanze
5.2. Vorteile durch den Umstieg auf Pflanzenbasis bei der Energiegewinnung
5.3. Risiken/Probleme

6. Einsatz von nachwachsenden Rohstoffe in der chemische Industrie
6.1. Herstellung von Waschmittel aus Pflanzenöl
6.2. Vorteile durch den Umstieg auf Pflanzenbasis in der chemischen Industrie
6.3. Risiken/Probleme

7. Perspektive der nachwachsenden Rohstoffe

8. Schlussfolgerung

9. Quellen- & Literaturverzeichnis

10. Anlagenverzeichnis

1. Einleitung

"Energie aus nachwachsenden Rohstoffen, vor allem aus Holz, kann einen erheblichen Beitrag zur Verringerung des vom Menschen verursachten Treibhauseffektes leisten. Gleichzeitig können die erschöpflichen Energiequellen Erdöl, Erdgas und Kohle geschont und für zukünftige Generationen erhalten werden. […] Dadurch kann ein Beitrag zu einer umwelt- und klimaverträglicheren Energieversorgung in Deutschland erbracht werden." Zu dieser Erkenntnis kam Fritz Brickwedde 1997, damals Generalsekretär der Deutschen Bundesstiftung Umwelt in Osnabrück. Damals wie heute ist der Umstieg auf die überwiegende Energiegewinnung aus nachwachsenden Rohstoffen ein großes Thema, womit sich unsere Generation, aber auch viele Generationen nach uns auseinandersetzen müssen. Schließlich sind Energieträger wie Erdöl und Erdgas erschöpflich und irgendwann aufgebraucht. Auch in der chemischen Industrie sind diese Rohstoffe sehr wichtig, weil auch dort viel Erdöl eingesetzt wird, wie zum Beispiel für Kunststoffe, Farbstoffe oder auch Waschmittel. Deshalb werde ich mich in meiner Facharbeit mit Rohstoffen auf Pflanzenbasis, deren Rolle bei der Energiegewinnung und ihre Bedeutung für die Industrie beschäftigen, wobei Gründe für den Umstieg, Chancen und auch Probleme im Vordergrund stehen. Außerdem werden Beispiele beleuchtet, wo pflanzliche Rohstoffe zur Energiegewinnung und zur Weiterverarbeitung in der Industrie verwendet werden.

2. Untersuchungsgegenstand/Problemstellung

Aufgabe dieser Arbeit wird es sein, sich mit dem Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen in der Wirtschaft auseinanderzusetzen, speziell bei der Energiegewinnung und in der chemischen Industrie. Dabei soll geklärt werden, warum der Umstieg auf Pflanzenbasis überhaupt nötig ist.

Weitere Schwerpunkte liegen auf Chancen, Risiken und Perspektiven von nachwachsenden Rohstoffen beim Einsatz in diesen Bereichen. Ziel meiner Facharbeit soll es schließlich sein, die Bedeutung dieser Ressourcen für die heute Zeit und auch für die Zukunft darzustellen und zum am Ende objektiv betrachten zu können.

3. Vorgehen

Als Erstes werde ich versuchen, mich mit dem Thema allgemein auseinandersetzen und näher kennen zu lernen. Dabei sollen mir Fachbücher aus Bibliotheken eine große Hilfe sein.

Außerdem werde ich viele Informationen aus dem Internet beziehen. Auch sollen mir aktuelle Informationen zum Thema helfen.

4 . Warum der Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen?

Fossile Brennstoffe, wie zum Beispiel Erdöl oder Kohle sind erschöpflich und gehen irgendwann zur Neige. Dennoch wird weiterhin auf diese Energieträger gesetzt. 2010 wurden lediglich 10% des gesamten Energiebedarfes aus erneuerbaren Energien bezogen, die restlichen 90% gehen aus fossilen Energieträgern und Kernenergie hervor^[1]. Gleichzeitig macht der Klimawandel auf sich aufmerksam, der nur noch verlangsamt werden kann. Deshalb ist es wichtig, mit den noch zur Verfügung stehenden Ressourcen verantwortungsvoll umzugehen. Dazu kann die Nutzung regenerativer Energien (z.B. Biomasse, Solarenergie, Windenergie, Wasserkraft, Erdwärme) einen großen Beitrag leisten. Deshalb wird auch die Nutzung dieser umweltfreundlichen und klimaverträglichen Energien national wie international erheblich unterstützt^[2]. Da immer mehr Menschen Auto fahren, steigt auch der Ausstoß an CO2. Dem soll in den nächsten Jahren vor allem mit durch Strom betriebenen Kraftfahrzeugen, aber auch mit Autos entgegengewirkt werden, die mit Biodiesel bzw. Biobenzin (z.B. E10) betrieben werden. Im Biobenzin enthalten ist Ethanol, der aus z.B aus Gerste, Weizen oder auch Zuckerrübe gewonnen wird^[3]. Der Großteil erneuerbarer Energie, nämlich ca. 70% wird durch Biomasse erzeugt. Biomasse ist der biologisch abbaubare Teil von Erzeugnissen, Abfällen und Reststoffen der Landwirtschaft mit biologischem Ursprung^[4]. Es wird beispielsweise in Biogasanlagen eingesetzt. Dabei werden energiereiche Pflanzen mit Gülle und organischen Feststoffen zu Biogas vergärt. In einem Blockheizkraftwerk wird durch das Gas Strom und Wärme erzeugt. Dennoch zieht der Einsatz nachwachsender Rohstoffe auch Risiken und Probleme mit sich, auf die noch eingegangen wird.

5. Energiegewinnung durch Pflanzen (Biomasse)

Die Energiegewinnung durch Pflanzen hat einen sehr hohen Stellenwert unter erneuerbaren Energien. 2014 wurden ca. 61% der erneuerbaren Energien aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt^[5]. Dabei gibt es 3 verschiedene Arten von Bioenergieträgern:

Bioenergieträger Holz, agrarische Bioenergieträger und Reststoffe sowie Abfälle biogenen Ursprungs^[6]. Ich möchte jedoch zunächst nur auf ein konkretes Beispiel eines agrarischen Bioenergieträgers eingehen: die Rapspflanze.

5.1. Gewinnung von Biodiesel aus der Rapspflanze

Raps wird in Deutschland vor allem für die Produktion von Rapsöl und Rapsmethylester, aus dem Biodiesel gewonnen wird, angebaut. Raps eignet sich hervorragend zur Herstellung von Biodiesel, da im Rapskorn ein hoher Ölgehalt (40-45%) und gleichzeitig ein niedriger Gehalt an Gamma-Linolensäure enthalten ist^[7]. Außerdem kann Biodiesel auch im Winter bei kalten Temperaturen gut genutzt werden. Dieser Biodiesel wird nicht wie der normale Dieselkraftstoff aus Erdöl gewonnen, sondern aus pflanzlichen oder tierischen Ölen, die mit Methanol vermischt werden. Das benötigte Pflanzenöl wird aus den ölhaltigen Samen der Rapspflanze gepresst, dabei entsteht so genannter „Rapskuchen“ (Rapsschrot), der als Tiernahrung weiterverwendet werden kann. Der chemische Prozess bei der Biodieselherstellung wird als Umesterung bezeichnet. Dabei wird Methanol dem Pflanzenöl beigemischt, dadurch wird das Pflanzenöl aufgespalten. Diese Öle sind Verbindungen pflanzlicher Fettsäuren mit dem dreiwertigen Alkohol Glycerin, kurz Triglyceride^[8]. Dieses Gemisch wird zusammen mit einem Katalysator erwärmt. Dabei „tauschen“ Glycerin und Methanol den Platz, d.h. die Glycerinmoleküle des Öls werden durch jeweils drei Methanolmoleküle ersetzt. Danach wird in mehreren Reinigungsschritten das überflüssige Methanol durch Destillation wieder entfernt^[9].

Neben dem Hauptprodukt Fettsäuremethylester (FAME) = Biodiesel, entsteht auch Glycerin.

Es wird nach der Reinigung vielfältig industriell genutzt, zum Beispiel in der Kosmetikindustrie^{[10] [11]}.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Chemische Reaktion bei der Biodieselherstellung

Normalerweise wird Biodiesel herkömmlichen Diesel aus Erdöl beigemischt. Oft beträgt der Anteil 7%^[12]. In Europa und Asien wird vorwiegend Raps als Rohstoff für Biodiesel verwendet. In Nord- und Südamerika hingegen benutzt man Soja zur Herstellung, in den USA auch teilweise tierische Fette. In Australien werden ausschließlich tierische Fette verwendet^[13].

5.2. Vorteile durch den Umstieg auf Pflanzenbasis bei der Energiegewinnung

Die energetische Nutzung von von nachwachsenden Rohstoffen wird oft unterschätzt. Jedoch tragen sie einen erheblichen Teil der Energieversorgung unserer Welt bei. Der größte Vorteil ist die Vielseitigkeit der Nutzbarkeit von Biomasse. So kann durch diese Rohstoffe zur Energiegewinnung Strom, Wärme oder Kraftstoff hergestellt werden. In aller erster Linie ersetzen Rohstoffe auf Pflanzenbasis fossile Energieträger, die erschöpflich und klimaschädlich sind. Im Gegensatz zu Erdöl und Erdgas sind nachwachsende Rohstoffe nahezu unerschöpflich und können einfach neu angebaut werden. Wenn Biomasse, speziell Holz, als Brennstoff verwendet wird, ersetzt es nicht nur fossile Energieträger, sondern verringert zusätzlich den Kohlenstoffdioxidausstoß. Denn das CO2, das durch die Verbrennung ausgestoßen wird, wird von den Pflanzen aufgenommen, die auch zur Energiegewinnung bestimmt sind. Somit ist der Kohlenstoffdioxidausstoß sogar letztendlich neutral^[14].

Ein weiterer Vorteil ist, dass Holz ein einheimischer Brennstoff ist. Das heißt, Holz muss nicht über tausende Kilometer transportiert werden, sondern kann direkt aus der Region bezogen werden. Entsprechend gering ist dadurch die ökologische Belastung durch Transportabgase^[15]. Auch durch die Verwendung von Biomasse außerhalb von Holz zur Erzeugung von Energie ergeben sich große Möglichkeiten. Neben großen Agrarbetrieben werden oft Biogasanlagen gebaut, die Gülle/Mist und Energiepflanzen in Biogas umwandeln. Im Blockheizkraftwerk wird es in Strom und Wärme umgewandelt. Der Strom kann ins öffentliche Netz eingespeist werden, die Wärme kann für umliegende Gebäude genutzt werden. Dadurch können sich solche Betriebe immer mehr selbst versorgen. Die Reststoffe, die dort anfallen, können sogar als Dünger oder Futtermittel wiederverwendet werden. Außerdem werden so Pflanzenabfälle stark reduziert und landen nicht auf Deponien^[16].

Auch durch die Nutzung von Biodiesel durch Rapsöl als Kraftstoff ergeben sich schwerwiegende Vorteile. Der größte ist wahrscheinlich, dass deutlich weniger CO2 ausgestoßen wird als bei normalen Kraftstoffmotoren. Biodiesel gibt gerade mal so viel Kohlenstoffdioxid ab, wie durch die Pflanzen aufgenommen wurde. Weiterhin ist Biodiesel schwefelfrei (<0,001%). Schwefel in Abgasen verursacht sauren Regen und ist somit ein Grund für das Waldsterben, besonders im Erzgebirge^[17]. Des weiteren ist Biodiesel leicht biologisch abbaubar, innerhalb von 28 Tagen baut er sich zu 98% ab^[18]. Dadurch stellt dieser Treibstoff keine wesentliche Gefährdung für Boden und Grundwasser dar, etwa nach einem Unfall. Außerdem schont Biodiesel den Motor durch die hohe Schmierfähigkeit^[19].

5.3. Risiken/Probleme

„Innerhalb von kurzer Zeit stürzte das Image der Biokraftstoffe vom grünen Hoffnungsträger zum Verursacher von Hunger und Ökosystemzerstörer ab.“^[20]

Das ist eine Aussage von Roland Wengenmayr, Autor des Buches „Erneuerbare Energie“. Er meint, Biodiesel aus Energiepflanzen schonen nicht das Klima, im Gegenteil:

Wissenschaftler haben bewiesen, dass der Verbrauch von Biodiesel aus Energiepflanzen noch schädlicher für das Klima ist als Sprit aus Erdöl. Grund dafür ist der intensive Anbau dieser Pflanzen. Raps in Deutschland zur Herstellung von Biodiesel benötigt riesige Ackerflächen. Deshalb müsste der Anbau auf das Ausland mit größeren Ackerflächen verlegt werden, was wiederum mit Transportabgasen beim Import verbunden ist^[21]. Schon beim Anbau wird viel Energie aus Kohle oder Erdöl verbraucht. Dazu zählt die Bestellung der Felder, Erntemaschinen, Transport, Lagerung und die Verarbeitung zum Biodiesel. Auch Dünger müssen verwendet werden, damit die Pflanzen möglichst viel Ertrag bringen. Aus diesen chemischem Düngern entweicht viel Distickstoffmonoxid N2O (Lachgas), was die Atmosphäre im Gegensatz zu CO2 um ein Vielfaches schädigt. Insgesamt werden für fast alle Pflanzen, die für die Energiegewinnung vorhergesehen sind, Düngemittel verwendet, die der Umwelt schaden. In vielen Biokraftstoffe ist außerdem Palmöl ein Bestandteil. Dieses wird in Asien und Südamerika angebaut, wofür Regenwald abgeholzt wird. Das gleiche gilt für den Biobenzin, zum Beispiel E10, wofür Pflanzen wie Gerste, Mais, Weizen, Zuckerrübe und Zuckerrohr verwendet werden^[22]. Diese Pflanzen, die zur Biobenzinherstellung notwendig sind, belasten gerade in Gebieten mit wenig Niederschlag den Wasserhaushalt. Hinzu kommt, dass die Umwandlung von Urwäldern in Ackerflächen die Klimabilanz verschlechtert, weil nicht mehr so viel CO2 aufgenommen wird^[23]. Auch wird durch die Biokraftstoffe die Nahrungsmittelindustrie gefährdet. Alle Pflanzen, die zur Biokraftstoffgewinnung bestimmt sind, sind Nahrungsmittel. Werden immer mehr nachwachsende Rohstoffe für die Energiegewinnung angebaut, werden die Nahrungsmittel knapper. Dadurch steigen die Preise, wodurch man sich in armen Ländern kein Essen mehr leisten kann^[24]. Durch den Anbau von Energiepflanzen steht immer weniger Fläche für andere Nutzung zur Verfügung, wie zum Beispiel für Naturschutzgebiete, Infrastruktur und Gebäude.

6. Einsatz von nachwachsenden Rohstoffe in der chemische Industrie

Neben dem Erdöl, dem Erdgas und der Kohle sind die nachwachsenden Rohstoffe wichtige Ausgangsstoffe für die organisch-technische Chemie. Im Jahr 2005 wurden weltweit ca. 245 Mio. t fossiler und nachwachsender Rohstoffe in der chemischen Industrie verarbeitet, davon waren 10,4%, also ca. 25 Mio. t, auf Basis nachwachsender Rohstoffe.

Der Anteil der nachwachsenden Rohstoffe ist in den letzten Jahrzehnten von 8% auf jetzt über 10% gestiegen, und aufgrund der zunehmenden Verknappung gut zugänglicher fossiler Rohstoffe wird dieser Anteil in den kommenden Jahren noch deutlich zunehmen^[25].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

6.1. Herstellung von Waschmittel aus Pflanzenöl

In Waschmitteln wie Waschpulver, Shampoos, Spülmittel, oder Duschgels sind Tenside enthalten. Sie bewirken, dass sich Fett und Schmutz lösen. Die konventionellen Tenside aus Mineralöl sind zwar heute deutlich umweltverträglicher als früher, werden aber aus Erdöl

[...]

^[1] Bührke, Thomas/Wengenmayr Roland: Erneuerbare Energie. Weinheim 2012, S. 6

^[2] Kaltschmitt, Martin/Hartmann, Hans/Hofbauer, Hermann: Energie aus Biomasse. Berlin/Heidelberg 2009 (Vorwort)

^[3] Biodiesel und E10. URL:https://www.abenteuer-regenwald.de/bedrohungen/biosprit (Stand: 20.01.2016)

^[4] Definition Biomasse. URL:http://bioenergie.fnr.de/bioenergie/biomasse/definition/ (Stand: 20.01.2016)

^[5] Bührke, Thomas/Wengenmayr Roland : Erneuerbare Energie. Weinheim 2012, S. 6

^[6] Biomasse: Arten der Nutzung. URL: https://www.energieatlas.bayern.de/thema_biomasse/nutzung.html (Stand: 09.02.2016)

^[7] Energiepflanzen: Raps. URL: http://energiepflanzen.fnr.de/energiepflanzen/einjaehrige-energiepflanzen/raps/ (Stand: 09.02.2016)

^[8] Biodieselerzeugung – Verfahren URL: http://www.biowerk-sohland.de/verfahren (Stand: 10.02.2016)

^[9] Biokraftstoff - Nachhaltigkeit garantiert – Herstellung. URL: http://www.biokraftstoffverband.de/index.php/herstellung.html (Stand: 09.02.2016)

^[10] Biokraftstoffe - Herstellung von Biodiesel. URL: http://www.bio-kraft-stoff.de/Herstellung-von-Biodiesel.php (Stand: 09.02)

^[11] Bild zum Herstellungsprozess von Biodiesel im Anhang (Herstellungsprozess.jpg)

^[12] Biokraftstoff - Nachhaltigkeit garantiert – Herstellung. URL: http://www.biokraftstoffverband.de/index.php/herstellung.html (Stand: 11.02.2016)

^[13] Über Biodiesel – Rohstoffbasis. URL: http://biodiesel.evonik.de/product/biodiesel/de/ueber/rohstoffbasis/pages/default.aspx (Stand: 11.02.2016); Bild dazu im Anhang (Biodieselherstellung.jpg)

^[14] Bührke, Thomas/Wengenmayr Roland : Erneuerbare Energie. Weinheim 2012, S. 9

^[15] Pro und Contra - Warum mit Holz heizen? URL: http://www.oekowaerme.de/holz_pro_contra.htm (Stand 13.02.2016) aus: Fraefel, Rudolf: Heizen und Lüften im Niedrigenergiehaus, ökobuch - Staufen

^[16] Konitzer, Christoph: Was ist Biomasse? (1. April 2012), URL: http://www.energiequellen.net/biomasse/ (Stand: 15.02.2016)

^[17] Biodiesel – Abwägung. URL: http://www.poel-tec.com/lexikon/biodiesel.php (Stand: 15.02.2016)

^[18] Die Vorteile von Biodiesel. URL: http://www.froehlichtrans.de/Wissen/Biodiesel3.htm (Stand: 15.02.2016)

^[19] Biodiesel – Abwägung. URL: http://www.poel-tec.com/lexikon/biodiesel.php (Stand: 16.02.2016)

^[20] Bührke, Thomas/Wengenmayr Roland : Erneuerbare Energie. Weinheim 2012, S. 69

^[21] Biodiesel Auto. URL: http://alternative-kraftstoffe.com/alternative-kraftstoffe/biodiesel-auto/ (Stand: 16.02.2016)

^[22] Biodiesel und E10. URL:https://www.abenteuer-regenwald.de/bedrohungen/biosprit (Stand: 16.02.2016)

^[23] Bührke, Thomas/Wengenmayr Roland : Erneuerbare Energie. Weinheim 2012, S. 69

^[24] Biodiesel und E10. URL:https://www.abenteuer-regenwald.de/bedrohungen/biosprit (Stand: 16.02.2016)

^[25] Behr, Arno/Agar, David W./Jörissen, Jakob: Einführung in die Technische Chemie. Heidelberg 2010, S. 211