Potenzial von BiokraftstoffenHauptseminar im Sommersemester 2008

2Überblick

• Motivation

• Herstellungsverfahren verschiedener Biokraftstoffe

• Pflanzenöl und Biodiesel

• Bioethanol

• Biogas / Biomethan

• Biomass to Liquids (BTL)

• Vergleich und Potenzial der vorgestellten Biokraftstoffe

• Zusammenfassung und Gesamtbewertung

• Quellennachweise

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• Argumente für die Entwicklung und Einführung von Biokraftstoffen:• Der Klimawandel erfordert eine Reduktion der Treibhausgase

• Die Erdölvorkommen sind endlich• Langfristig verfügbare Alternativen sind nötig

• Die (momentane) Weltwirtschaft benötigt preisgünstige Energie

• Für mobile Anwendungen (Verkehrsbereich) sind Energieträger mit hoher Energiedichte erforderlich.

• Steigerung der Versorgungssicherheit und Diversifizierung der

Besitzverhältnisse wären von Vorteil

Motivation

4Weltweite Erdölreserven

Jährliche Fördermenge weltweit: ca. 3942,2 Millionen Tonnen

• Nebenbemerkung: Die Erdölreserven „wachsen“ mit steigendem Ölpreis!

5Anforderungen und zu betrachtende Faktoren

• (Wunsch-)Anforderungen an Biokraftstoffe• Erzeugung aus unbegrenzten, regenerativen Quellen

• Systemfreundlicher Übergang (Herstellung, Infrastruktur)

• Kompatibilität zu Verbrennungsmotoren, Brennstoffzellen,

verschiedenen Fahrzeugtypen und stationären Anwendungen• günstiges Handling und Sicherheit, geringe Toxität

• Zu betrachtende Faktoren

• Einzeln:• Herstellungsverfahren

• Vergleichend:• Rohstoffpotential

• Energiebilanz• Wirtschaftlichkeit• Substitutionspotential

6Überblick

• Motivation

• Herstellungsverfahren verschiedener Biokraftstoffe

• Pflanzenöl und Biodiesel

• Bioethanol

• Biogas / Biomethan

• Biomass to Liquids (BTL)

• Vergleich und Potenzial der vorgestellten Biokraftstoffe

• Zusammenfassung und Gesamtbewertung

• Quellennachweise

7Pflanzenöl

• Rohstoffe: Raps, Ölpalmen, Kokospalmen• Herstellung:

• Vorbehandlung (reinigen, trocknen, zerkleinern, ...)

• Ölgewinnung:• mechanisches Abpressen (ggf. bei 100°C)

• optional: • Extraktion mit dem Lösungsmittel Hexan • Trennung von Öl und Hexan durch Destillation

• Nachbehandlung der Rückstände zur Rückgewinnung des Lösungsmittels

• Raffination (Reinigung des Öls)

• Ölausbeute bis zu 99%

• Nachteile: hoher Energie- und Chemikalieneinsatz

8Biodiesel-Produktion aus Pflanzenöl

• Angleichung des Treibstoffs an die vorhandenen Motoren

• erfolgt durch Umesterung

• benötigt Methanol

(zumeist aus fossiler Quelle)• zu verwertende Nebenprodukte:

Glycerin, Rapsschrot

9Überblick

• Motivation

• Herstellungsverfahren verschiedener Biokraftstoffe

• Pflanzenöl und Biodiesel

• Bioethanol

• Biogas / Biomethan

• Biomass to Liquids (BTL)

• Vergleich und Potenzial der vorgestellten Biokraftstoffe

• Zusammenfassung und Gesamtbewertung

• Quellennachweise

10Bioethanol

• Ethanol: C2H5OH• Vergärung von zucker- und stärkehaltigen Pflanzenbestandteilen

• mit Hilfe von Enzymen

• vereinfacht: C6H12O6 (Glucose) � 2 C2H5OH + 2 CO2

• Entwässerung durch spez. Destillation auf Konzentrationen > 96%• Stärke: muss vorab durch Enzyme in Glucose umgewandelt werden.

• Cellulose (Pflanzenbestandteil, Holz): muss gesondert „aufgeschlossen“

werden, um Einfachzucker zu erhalten.

• Aktuell wird nach effizienten Verfahren noch geforscht.

11Ablaufschema: Ethanolgewinnung aus Getreide

12Überblick

• Motivation

• Herstellungsverfahren verschiedener Biokraftstoffe

• Pflanzenöl und Biodiesel

• Bioethanol

• Biogas / Biomethan

• Biomass to Liquids (BTL)

• Vergleich und Potenzial der vorgestellten Biokraftstoffe

• Zusammenfassung und Gesamtbewertung

• Quellennachweise

13Biogas / Biomethan

• Rohstoffe: Breites Spektrum an Biomasse, außer holzartige Pflanzen• Bestandteile des Biogases:

• 50 bis 70% : CH4 (Methan), entscheidend für Engeriegehalt

• 30 bis 40% : CO2

• außerdem weitere Gase wie: H2O, N, O, CO, H2

• Als Ersatz für Erdgas geeignet

• Bildung durch mikrobakteriellen Abbau von Biomasse

• unter Abschluss von Sauerstoff (anaerober / anoxischer Prozess)

• Verfahrensschritte:

• Bereitstellung und Aufbereitung des Rohstoffes• Vergärung

• Entwässerung

• Gasreinigung (Entschwefelung, CO2 Abscheidung)

14Vergärung: anaerober Abbau organischen Materials

Bildquelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Anaerob

15Überblick

• Motivation

• Herstellungsverfahren verschiedener Biokraftstoffe

• Pflanzenöl und Biodiesel

• Bioethanol

• Biogas / Biomethan

• Biomass to Liquids (BTL)

• Vergleich und Potenzial der vorgestellten Biokraftstoffe

• Zusammenfassung und Gesamtbewertung

• Quellennachweise

16BTL-Kraftstoffe: Rohstoff- und Kraftstoffvariationen

• Biokraftstoffe der „2. Generation“• Zwischenschritt über ein Synthesegas

• komplexes Thermochemisches Verfahren

17BTL-Prozess bei Chorens „SunDiesel“

• Zersetzung der Biomasse unterreduzierenden (sauerstoffdefizitären) Bedingungen

Bildquelle: http://www.spiegel.de/international/business/0,1518,grossbild-1150548-547312,00.html

18BTL: Synthetische Dieselkraftstoffe

• Umwandlung des Synthesegases (CO und H2) mittels der Fischer-Tropsch-Synthese:

19Überblick

• Motivation

• Herstellungsverfahren verschiedener Biokraftstoffe

• Pflanzenöl und Biodiesel

• Bioethanol

• Biogas / Biomethan

• Biomass to Liquids (BTL)

• Vergleich und Potenzial der vorgestellten Biokrafts toffe

• Zusammenfassung und Gesamtbewertung

• Quellennachweise

20Vergleich möglicher Rohstoffquellen

21Vergleich der Energiebilanzen

22Beispiel: Energiebilanz für Biogas

• Energiebilanzen (z. B: Input/Output-Verhältnis) sind schwer abschätzbar• Es sind zahlreiche Annahmen und Mittelungen notwendig

• Für Biogas findet sich beispielhaft:

• 28,8 Häufig zitierter Wert aus einem Arbeitspapier von 1996

• „etwa“ 5 bei Berücksichtigung der el. und th. Prozessenergien• 2,97 bei Verwertung extra angebauter Rohstoffe (z. B. Mais-Silage)

inkl. Gasreinigung und Kompression

und extern zugeführter thermischer Prozessenergie

• 5,6 wie zu vor, jedoch bei Verwendung des entstehenden

Methans für die thermische Prozessenergie• Weitere grundsätzlich zu berücksichtigende Faktoren:

• Art und Zusammensetzung der Rohstoffe

• Transport (Anlieferung) der Rohstoffe

• Nährstoffentzug des Bodens durch Abbau � Düngemittel

• Verwertung von evtl. Abwärme und Nebenprodukten

23Vergleich der Kraftstofferträge pro Hektar in Diese läquivalent

24Vergleich erforderlicher Ackerflächen

Zum Vergleich:Weltprimärenergie-

Verbrauch in 2003:10,58 Mrd. RÖE

25Vergleich möglicher Tankstellenpreise

26Vergleich: Vor- und Nachteile der Biokraftstoffe 1/2

27Vergleich: Vor- und Nachteile der Biokraftstoffe 2/2

28Überblick

• Motivation

• Herstellungsverfahren verschiedener Biokraftstoffe

• Pflanzenöl und Biodiesel

• Bioethanol

• Biogas / Biomethan

• Biomass to Liquids (BTL)

• Vergleich und Potenzial der vorgestellten Biokraftstoffe

• Zusammenfassung und Gesamtbewertung

• Quellennachweise

29Potentiale der betrachteten Biokraftstoffe 1/2

• Pflanzenöl und Biodiesel• vergleichsweise geringe Investitionskosten

• schnelle Erhöhung des Kraftstoffanteils möglich

• Konkurrenz zu Nahrungsmitteln

• Anbau ölhaltiger Pflanzen in tropischen Länder sinnvoller• relativ geringer Flächenertrag

• kaum Kompatibilität zur bestehenden Fahrzeugen

• Bioethanol• Konkurrenz zu Nahrungsmitteln• guter Flächenertrag nur in (sub)tropischen Regionen (v. a. Zuckerrohr)

• schlechte Energiebilanz

• Durchbruch bei Konversion von zellulosehaltigen Pflanzen(teilen)

könnte Bewertung zum Positiven ändern.

30Potentiale der betrachteten Biokraftstoffe 2/2

• Biogas / Biomethan• relativ gute Energiebilanz

• holzartige Pflanzen(teile) nicht verwertbar

• Konkurrenz zum Erdgas

• (Noch?) geringe Anzahl kompatibler Fahrzeuge

• Biomass to Liquids (BTL) „2. Generation“• sehr gute Energiebilanz

• hoher Flächenertrag

• Kompatibilität zu zukünftigen Motorengenerationen • großes mittel- und langfristiges Potential

• Unsicherheit bei den Erzeugungskosten

• Von der Automobilindustrie favorisiert

31Zusammenfassung

• Die Erstellung von Energiebilanzen und Kostenschätzungen gestaltet sich sehr schwierig. Es sind viele Annahmen und Mittelungen nötig.

• Biokraftstoffe haben durchaus das Potential maßgeblich zur Substitution

von fossilen Kraftstoffen im Verkehrsbereich beizutragen.

• Jedoch nicht beim weltweiten Energiebedarf.• Ein hoher und steigender Ölpreis begünstigt die Entwicklung und

Chancen der Biokraftstoffe.

• Für Schwellen- und Entwicklungsländern bieten sich neue Chancen als

„Energielieferanten“.

• Es wird zudem auf Chancen für steigende Beschäftigungspotentiale und Wirtschaftswachstum gehofft.

• Biokraftstoffe bieten weitestgehende CO2-Neutralität.

32Überblick

• Motivation

• Herstellungsverfahren verschiedener Biokraftstoffe

• Pflanzenöl und Biodiesel

• Bioethanol

• Biogas / Biomethan

• Biomass to Liquids (BTL)

• Vergleich und Potenzial der vorgestellten Biokraftstoffe

• Zusammenfassung und Gesamtbewertung

• Quellennachweise

33Quellennachweise

• Verwendete Literatur:• Der Spiegel, 08/2007, Seite 104 bis 113

• „Biokraftstoffe: Potential, Zukunftsszenarien und

Herstellungsverfahren im wirtschaftlichen Vergleich“,

Michael Weitz, Diplomica Verlag• basierend auf einer Diplomarbeit von 2003• 2006 vollständig aktualisiert und überarbeitet

• Anmerkung: Der Autor ist ab 2004 für Choren Industries / Biomass tätig.

• Bildnachweise:• Sofern nicht separat gekennzeichnet aus o. g. Buch

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