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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
3
• 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
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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