Ganzheitliche Betrachtung von biogenen Kraftstoffen
©2003
Diplomarbeit
102 Seiten
Zusammenfassung
Inhaltsangabe:Zusammenfassung:
Ziel der Arbeit ist es, einen genauen Blick auf diese biogenen Kraftstoffe zu werfen, sowie ihre Eigenschaften und ihre Potenziale (in Deutschland, der EU15 und der EU30) detailliert zu betrachten und zu analysieren. Weiterhin werden sie mit konventionellen Kraftstoffen auf der Basis der Energie- und Emissionsintensität verglichen.
Das Kyoto-Protokoll verlangt von der EU, ihren Treibhausgasausstoß zwischen 2008 und 2010 gegenüber dem Stand des Referenzjahres 1990 um 8 Prozent zu reduzieren. Bei der Betrachtung des Verkehrsektors zeigt sich jedoch, dass dieser nahezu zu 100% vom Erdöl abhängt, der gerade unter dem Aspekt der CO2-Reduktion sehr kritisch zu betrachten ist. Dazu kommt die prinzipielle Endlichkeit von Rohöl als Primärenergieträger für die meisten Kraftstoffe, sowie die geographische Konzentration der Vorkommen. Besonders brisant dabei ist die Möglichkeit der Ressourcen bedingten Konflikte, da 73% der Reserven auf die Staaten der OPEC entfallen und 61% auf den politisch und wirtschaftlich instabilen Nahen Osten.
Wegen dieser genannten Gründe wird den biogenen Kraftstoffen immer mehr Aufmerksamkeit geschenkt. Sie sind mehr oder weniger CO2 neutral, regenerativ und sie können in der EU angebaut sowie hergestellt werden.
Sie werden aus pflanzlichen Rohstoffen, wie z.B. RME aus Raps, oder aus biogenen Reststoffen, wie z.B. Methan aus Fäkalien, hergestellt.
Auf diese Roh- und Reststoffe wird allerdings durch Konkurrenzprodukte Nachfrage ausgeübt. Es können beispielsweise Baumaterialien daraus gefertigt werden oder auch Strom und Wärme produziert werden.
Es ist deshalb von Nöten, eine Potenzialabschätzung durchzuführen, ob biogene Kraftstoffe überhaupt eine substantielle Rolle in dem Kraftstoff-Markt spielen können. Bisher werden in Europa besonders Ethanol aus Zuckerrüben und RME aus Raps produziert.
Das Ergebnis einer Potenzialanalyse ist, dass sich zwar nicht der komplette konventionelle Kraftstoff in Deutschland bzw. der EU15 durch biogenen Kraftstoff ersetzen lässt, aber eine Möglichkeit zur Substitution von ~15% bzw. 20% gegeben ist. Dies liegt immer noch ungefähr doppelt so hoch wie das Ziel, welches sich die Bundesregierung gesetzt hat. Es steht diesem also, vom Aspekt des möglichen Potenzials her, nichts im Wege.
Bei einem Vergleich biogener Kraftstoffe mit konventionellen Kraftstoffen sieht man, dass das Verhältnis von Energieinput zu Energieoutput bei den konventionellen Kraftstoffen eindeutig […]
Ziel der Arbeit ist es, einen genauen Blick auf diese biogenen Kraftstoffe zu werfen, sowie ihre Eigenschaften und ihre Potenziale (in Deutschland, der EU15 und der EU30) detailliert zu betrachten und zu analysieren. Weiterhin werden sie mit konventionellen Kraftstoffen auf der Basis der Energie- und Emissionsintensität verglichen.
Das Kyoto-Protokoll verlangt von der EU, ihren Treibhausgasausstoß zwischen 2008 und 2010 gegenüber dem Stand des Referenzjahres 1990 um 8 Prozent zu reduzieren. Bei der Betrachtung des Verkehrsektors zeigt sich jedoch, dass dieser nahezu zu 100% vom Erdöl abhängt, der gerade unter dem Aspekt der CO2-Reduktion sehr kritisch zu betrachten ist. Dazu kommt die prinzipielle Endlichkeit von Rohöl als Primärenergieträger für die meisten Kraftstoffe, sowie die geographische Konzentration der Vorkommen. Besonders brisant dabei ist die Möglichkeit der Ressourcen bedingten Konflikte, da 73% der Reserven auf die Staaten der OPEC entfallen und 61% auf den politisch und wirtschaftlich instabilen Nahen Osten.
Wegen dieser genannten Gründe wird den biogenen Kraftstoffen immer mehr Aufmerksamkeit geschenkt. Sie sind mehr oder weniger CO2 neutral, regenerativ und sie können in der EU angebaut sowie hergestellt werden.
Sie werden aus pflanzlichen Rohstoffen, wie z.B. RME aus Raps, oder aus biogenen Reststoffen, wie z.B. Methan aus Fäkalien, hergestellt.
Auf diese Roh- und Reststoffe wird allerdings durch Konkurrenzprodukte Nachfrage ausgeübt. Es können beispielsweise Baumaterialien daraus gefertigt werden oder auch Strom und Wärme produziert werden.
Es ist deshalb von Nöten, eine Potenzialabschätzung durchzuführen, ob biogene Kraftstoffe überhaupt eine substantielle Rolle in dem Kraftstoff-Markt spielen können. Bisher werden in Europa besonders Ethanol aus Zuckerrüben und RME aus Raps produziert.
Das Ergebnis einer Potenzialanalyse ist, dass sich zwar nicht der komplette konventionelle Kraftstoff in Deutschland bzw. der EU15 durch biogenen Kraftstoff ersetzen lässt, aber eine Möglichkeit zur Substitution von ~15% bzw. 20% gegeben ist. Dies liegt immer noch ungefähr doppelt so hoch wie das Ziel, welches sich die Bundesregierung gesetzt hat. Es steht diesem also, vom Aspekt des möglichen Potenzials her, nichts im Wege.
Bei einem Vergleich biogener Kraftstoffe mit konventionellen Kraftstoffen sieht man, dass das Verhältnis von Energieinput zu Energieoutput bei den konventionellen Kraftstoffen eindeutig […]
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
ID 7708
Sammut, Markus: Ganzheitliche Betrachtung von biogenen Kraftstoffen
Hamburg: Diplomica GmbH, 2004
Zugl.: Brandenburgische Technische Universität Cottbus, Universität, Diplomarbeit, 2003
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Diplomica GmbH
http://www.diplom.de, Hamburg 2004
Printed in Germany
Inhaltsangabe
Übersicht
über
Tabellen
5
Übersicht
über
Grafiken
7
1
Motivation und Zielsetzung der Arbeit
8
2
Betrachtung biogener Kraftstoffe und deren Gewinnung
11
2.1
Übersicht
11
2.2
Mögliche biogene Roh- und Reststoffe für die Kraftstoffgewinnung 13
2.2.1
Ölhaltige
Pflanzen
13
2.2.2
Zuckerhaltige
Pflanzen
15
2.2.3
Stärkehaltige
Pflanzen
17
2.2.4
Schnellwachsende Baumarten
20
2.2.5
Stroh
21
2.2.6
Waldrest-
und
Industrieholz 21
2.2.7
Ausgangsstoffe für eine Biogaserzeugung
22
2.3 Alternative
Nutzungsmöglichkeiten von biogenen Roh- und
Reststoffen
23
2.3.1
Übersicht
23
2.3.2
Schmierstoffe 25
2.3.3
Wasch-
und
Reinigungsmittel
25
2.3.4
Biologisch
abbaubare
Werkstoffe
25
2.3.5
Naturfaserverstärkte
Kunststoffe
25
2.3.6
Baumaterialien einschließlich Dämmstoffe
26
2.3.7
Papier
und
Pappe
26
2.3.8
Strom
und
Wärme
26
1
3
Herstellung und Einsatzmöglichkeiten biogener Kraftstoffe
27
3.1
Betrachtungen
zur
Herstellung
27
3.1.1
Pflanzenöl
aus
Rapssaat
27
3.1.2
Pflanzenmethylester
(PME) 29
3.1.3
Ethanol 31
3.1.4
Biogas 33
3.1.5
Methanol
34
3.1.6
Synfuel
und
Sunfuel 35
3.1.7
Wasserstoff
37
3.2
Einsatzmöglichkeiten
der
Kraftstoffe
38
3.2.1
Übersicht
38
3.2.2
Pflanzenölmotoren
40
3.2.3
Dieselmotor für Pflanzenölmethylester (PME)
41
3.2.4
Otto- und Dieselmotoren für Ethanol und Methanol 42
3.2.5
Ottomotor
für
Biogas 44
3.2.6
Otto- und Dieselmotoren für Synfuel und Sunfuel
45
3.2.7
Brennstoffzelle
für
Wasserstoff
46
4
Produktionsstrukturen in Deutschland und in der EU
48
5
Potenziale für die Erzeugung biogener
Kraftstoffe
53
5.1
Potenziale
in
Deutschland
53
5.2
Potenziale
in
der
EU 58
6
Flächen- bzw. Mengenproduktivität ausgewählter biogener Kraftstoffe
63
6.1
Übersicht
63
6.2
Ethanolproduktion
aus
Zuckerrüben
64
6.3
Methanproduktion aus biogenen Reststoffen und Exkrementen
65
6.4
Rapsöl- und RME-Produktion aus Raps
66
2
7 Vergleich
ausgewählter
biogener
Kraftstoffe
67
7.1
Übersicht
67
7.2
Vergleich nach Energieintensität (Verhältnis von Input und Output) 68
7.2.1
Anmerkungen zu den Untersuchungen
nach
Energieintensität
68
7.2.2
Übersicht
69
7.2.3
Methanol
aus
Waldrestholz 70
7.2.4
Rapsöl 72
7.2.5
RME
75
7.2.6
Ethanol
aus
Zuckerrüben
77
7.2.7
Biogas aus Exkrementen und weiteren
biologischen
Abfällen
79
7.2.8
Synthetischer
Diesel
aus
Waldrestholz
81
7.3
Vergleich nach Emissionsintensität
82
7.3.1
Anmerkungen zu den Untersuchungen
nach
Emissionsintensität
82
7.3.2
Übersicht
82
7.3.3
Methanol
aus
Waldrestholz 83
7.3.4
Rapsöl 84
7.3.5
RME
85
7.3.6
Ethanol
aus
Zuckerrüben
87
7.3.7
Biogas aus Exkrementen und weiteren
biologischen
Abfällen
89
7.3.8
Synthetischer
Diesel
aus
Waldrestholz
90
3
8
Vergleich der ausgewählten biogenen Kraftstoffe mit konventionellen
Kraftstoffen
91
8.1
Übersicht
91
8.2
Nach
Energieintensität
92
8.3
Nach
Emissionsintensität
93
8.4
Betrachtung
der
Ergebnisse
94
9 Zusammenfassung
und
Schlussfolgerung
95
10
Literaturangaben
96
4
Übersicht über Tabellen
Tabelle 1: Entwicklungsszenarium für alternative Kraftstoffe bis 2020
Tabelle 2: Übersicht über die Nutzungsmöglichkeit biogener Kraftstoffe
Tabelle 3: Übersicht über Brennstoffzellen-Arten
Tabelle 4: Biodieselkapazität in der BRD
Tabelle 5: Vergleich möglicher maximaler Anteile biogener Kraftstoffe in Deutsch-
land
Tabelle 6: Technische Brennstoffpotenziale in Deutschland in PJ / a
Tabelle 7: Technische Kraftstoffpotenziale in Deutschland in PJ / a
Tabelle 8: Additive technische Kraftstoffpotenziale von Biogas in Deutschland
Tabelle 9: Darstellung der Kraftstoffpotenziale in der EU
Tabelle 10: Auflistung der einzelnen addierbaren Kraftstoffpotenziale in der EU
Tabelle 11: Kompletter Energieaufwand der einzelnen biogenen Kraftstoffe ohne
Gutschriften
Tabelle 12: Kompletter Energieaufwand der einzelnen biogenen Kraftstoffe mit Gut-
schriften
Tabelle 13: Externer Energieaufwand der einzelnen biogenen Kraftstoffe ohne Gut-
schriften
Tabelle 14: Externer Energieaufwand der einzelnen biogenen Kraftstoffe mit Gut-
schriften
Tabelle 15: Berechnung der Input / Output Relation von Methanol aus Waldrest-
holz nach T. Dreier
Tabelle 16: Berechnung der Input / Output Relation von Rapsöl aus Raps nach T.
Dreier
Tabelle 17: Berechnung der Input / Output Relation von RME aus Raps nach T.
Dreier
Tabelle 18: Berechnung der Input / Output Relation von Methan aus biogenen
Reststoffen nach T. Dreier
Tabelle 19: CO
2
äquivalente Emissionen in kg / GJ
Kraftstoff
bei biogenen Kraftstoffen
ohne Gutschrift
5
Tabelle 20: CO
2
äquivalente Emissionen in kg / GJ
Kraftstoff
bei biogenen Kraftstoffen
mit Gutschrift
Tabelle 21: Kompletter Energieaufwand bei biogenen Kraftstoffen ohne Gutschriften
Tabelle 22: Kompletter Energieaufwand bei biogenen Kraftstoffen mit Gutschriften
Tabelle 23: Kompletter Energieaufwand bei konventionellen Kraftstoffen
Tabelle 24: CO
2
äquivalente Emissionen in kg / GJ
Kraftstoff
bei biogenen Kraftstoffen
ohne Gutschrift
Tabelle 25: CO
2
äquivalente Emissionen in kg / GJ
Kraftstoff
bei biogenen Kraftstoffen
mit Gutschrift
Tabelle 26: CO
2
äquivalente Emissionen in kg / GJ
Kraftstoff
bei konventionellen Kraft-
stoffen bis zur Bereitstellung
Tabelle 27: CO
2
äquivalente Emissionen in kg / GJ
Kraftstoff
bei konventionellen Kraft-
stoffen im kompletten Lebenszyklus
6
Übersicht über Grafiken
Grafik 1:
Übersicht über die biogenen Kraftstoffe und ihre Gewinnung
Grafik 2:
Übersicht über die alternativen Nutzungsmöglichkeiten von biogenen
Roh- und Reststoffen
Grafik 3:
Prozess zur Erstellung von Pflanzenöl und PME
Grafik 4:
Chemische Reaktionsgleichung für PME
Grafik 5:
Prozessabläufe bei der Gewinnung von Ethanol
Grafik 6:
Schematischer Ablauf der Methanolgewinnung
Grafik 7:
Produktion von Ethanol in Europa
Grafik 8:
Produktion von RME in Europa
Grafik 9:
Darstellung der maximalen Potenziale in Deutschland
Grafik 10: Darstellung der maximalen Potenziale in der EU15
Grafik 11: Darstellung der maximalen Potenziale in der EU30
Grafik 12: Flächenproduktivität von Zuckerrüben für die Ethanolproduktion
Grafik 13: Mengenproduktivität von biogenen Reststoffen und Exkrementen für die
Methanproduktion
Grafik 14: Flächenproduktivität von Raps für die Rapsöl- und RME-Produktion
7
1
Motivation und Zielsetzung der Arbeit
Im Mai 2002 haben die EU und ihre 15 Mitgliedstaaten am Sitz der Vereinten Natio-
nen in New York ihre Urkunden zur Ratifikation des Kyoto-Protokolls zur Reduktion
der Treibhausgasemissionen hinterlegt.
Das Kyoto-Protokoll verlangt von der EU, ihren Treibhausgasausstoß zwischen 2008
und 2010 gegenüber dem Stand des Referenzjahres 1990 um 8 Prozent zu reduzie-
ren. Es wurde 1998 für die einzelnen Staaten innerhalb der EU ein Verteilschlüssel
abgesprochen. Nach diesem müssen die einzelnen Staaten nicht alle die gleiche
Menge reduzieren. Luxemburg beispielsweise muss seinen Ausstoß um 28 Prozent
senken, während Portugal noch über ein «Emissions-Guthaben» von 27 Prozent ver-
fügt. Zuwächse bezogen auf den CO
2
-Ausstoß werden auch noch Spanien, Griechen-
land, Schweden und Irland zugestanden. Neben dem Großherzogtum müssen Dä-
nemark, Deutschland und Großbritannien mit Reduktionsquoten zwischen 12 und 21
Prozent am meisten abbauen. Finnland und Frankreich hingegen haben ihr Soll be-
reits erfüllt.
Bei der Betrachtung des Verkehrsektors zeigt sich jedoch, dass dieser nahezu zu
100% vom Erdöl abhängt, der gerade unter dem Aspekt der CO
2
-Reduktion sehr kri-
tisch zu betrachten ist. Dazu kommt die prinzipielle Endlichkeit von Rohöl als Primär-
energieträger für die meisten Kraftstoffe, sowie die geographische Konzentration der
Vorkommen. Besonders brisant dabei ist die Möglichkeit der Ressourcen bedingten
Konflikte, da 73% der bekannten, wirtschaftlich ausbeutbaren Ölreserven auf die
Staaten der OPEC entfallen und 61% auf den politisch und wirtschaftlich instabilen
Nahen Osten.
Wegen dieser genannten Gründe wird den biogenen Kraftstoffen immer mehr Auf-
merksamkeit geschenkt. Sie sind mehr oder weniger CO
2
neutral, regenerativ und sie
können in der EU angebaut sowie hergestellt werden.
In dem Grünbuch der Kommission der Europäischen Gemeinschaften ,,Hin zu einer
europäischen Strategie für Energieversorgungssicherheit"
1
hob diese die kritische
Rolle des Verkehrssektors im Hinblick auf die Versorgungssicherheit und den Klima-
wandel hervor.
Deswegen wurde in diesem vorgeschlagen, dass bis zum Jahr 2020 20% des gesam-
ten Kraftstoffverbrauchs auf Biokraftstoffe und andere Ersatzkraftstoffe, d.h. Erdgas
und Wasserstoff, entfallen sollen.
Ein darauf aufbauender Richtlinienentwurf soll die Förderung von Biokraftstoffen im
Verkehrswesen der EU verankern, um zu gewährleisten, dass ab 2005 ein Mindest-
anteil der in ihrem Hoheitsgebiet verkauften Kraftstoffe auf Biokraftstoffe entfällt. Da-
nach soll 2005 eine 2%ige Kraftstoffsubstitution angestrebt werden und darauf auf-
bauend eine Erhöhung der Substitutionsrate von 0,75% pro Jahr auf 5,75% im Jahr
2010 erreicht werden.
Ein optimistisches Entwicklungsszenarium für alternative Kraftstoffe könnte nach dem
Grünbuch wie folgt aussehen:
Jahr
Biokraftstoffe in % Erdgas in %
Wasserstoff in % Gesamt in %
2005 2
-
-
2
2010 6
2
-
8
2015 7
5
2
14
2020 8
10
5
23
Tabelle 1: Entwicklungsszenarium für alternative Kraftstoffe bis 2020
1
KOM (2000) 769 endgültig vom 29. November 2000
8
Dass diesem Vorschlag der Kommission auch in der Bundesrepublik Deutschland
Bedeutung beigemessen wird, ist sichtbar in dem Entschluss der Bundesregierung
vom 24.04.2002. Dort hat diese entschieden, dass die bisherige Steuerfreiheit von
Pflanzenölen (z.B. Biodiesel) auf alle biologischen Kraftstoffe auszudehnen ist.
Verankert wurde dies in dem ,,Zweiten Gesetz zur Änderung des Mineralölsteuerge-
setzes". Dort werden nach § 2a (Steuerbegünstigung für Biokraftstoffe) ,,die Steuer-
sätze bis zum 31. Dezember 2008 ermäßigt" und zwar für ,,Energieerzeugnisse aus-
schließlich aus Biomasse im Sinne der Biomasseverordnung
2
". Davon ausgeschlos-
sen ist allerdings Altholz und aus Altholz erzeugtes Gas.
Es werden also
·
Pflanzen und Pflanzenbestandteile
·
aus Pflanzen und Pflanzenbestandteilen hergestellte Energieträger
3
·
Abfälle und Nebenprodukte pflanzlicher und tierischer Herkunft aus Land-,
Forst- und Fischwirtschaft
·
Bioabfälle
4
·
aus
Biomasse
5
durch Vergasung oder Pyrolyse erzeugtes Gas und daraus
resultierende Folge- und Nebenprodukte
·
aus
Biomasse
6
erzeugte Alkohole, deren Bestandteile, Zwischen-, Folge-
und Nebenprodukte aus Biomasse gewonnen wurden
von der Steuer befreit. Dazu zählen weiterhin Pflanzenölmethylester und durch anae-
robe Vergärung erzeugtes Biogas. ,,Energieerzeugnisse, die anteilig aus Biomasse
hergestellt wurden, gelten in Höhe dieses Anteils als Biokraftstoffe".
7
Weitere Fördermaßnahmen finden durch Modellprojekte statt. In dem nachfolgenden
Beispiel wird gezeigt, wie sich beispielsweise das Land NRW um eine Förderung von
biogenen Kraftstoffen bemüht.
Beispiel für ein Modellprojekt im Bereich biogener Kraftstoffe
Regioöl
Die Regionalstellen Düren und Mönchengladbach im Bistum Aachen haben An-
fang 2000 den Projektträger P.R.O.e.V. gegründet.
Mit finanzieller Unterstützung des Landes NRW wird derzeit im Großraum Aa-
chen REGIOÖL realisiert.
Das bedeutet:
·
die Schaffung einer neuen dezentralen und regional begrenzten Struktur
(Erzeuger, Betreiber, Verteiler und Abnehmer) unter Beachtung regional
begrenzter, struktureller und ökologischer Gesichtspunkte.
·
die Errichtung einer Ölsaatenpresse mit einer Jahresproduktion von ca. 1
Mio. Liter Pflanzenöl.
·
die Erprobung und Weiterentwicklung integraler landwirtschaftlicher Kon-
zepte in Zusammenarbeit mit wissenschaftlichen Institutionen wie z.B. der
FH Aachen und TH München, sowie der Landwirtschaftskammer NRW.
2
Biomasseverordnung vom 21.06.2001
3
Im Sinne des §2, Abs.1 der Biomasseverordnung
4
Im Sinne des §2, Nr.1 der Bioabfallverordnung
5
Im Sinne des §2, Abs.1 der Biomasseverordnung
6
Im Sinne des §2, Abs.1 der Biomasseverordnung
7
Zweites Gesetz zur Änderung des Mineralölsteuergesetzes, §2a, Abs. 1 & 2
9
Ziel dieser Arbeit ist es nun, einen genauen Blick auf diese biogenen Kraftstoffe zu
werfen, sowie ihre Eigenschaften und ihre Potenziale (in Deutschland, der EU15 und
der EU30) detailliert zu betrachten und zu analysieren. Weiterhin werden sie mit kon-
ventionellen Kraftstoffen auf der Basis der Energie- und Emissionsintensität vergli-
chen.
Begonnen wird mit der Darstellung und Erläuterung der einzelnen biogenen Kraftstof-
fe. Dazu werden die einzelnen Roh- und Reststoffe aufgelistet, die in Europa für die
Produktion von biogenen Kraftstoffen von Bedeutung sind oder in der Zukunft an Be-
deutung gewinnen könnten. Sie werden erläutert und mit ihren Eigenschaften darge-
stellt.
Im nächsten Teil werden die möglichen Alternativnutzungen für die beschriebenen
Roh- und Reststoffe dargestellt, welche eine Konkurrenz zu den biogenen Kraftstof-
fen darstellen.
Danach wird die Herstellung der Treibstoffe aus den einzelnen Roh- und Reststoffen
beschrieben und ihre Einsatzmöglichkeiten dargestellt. Dies wird durch die Erläute-
rung der einzelnen Ablaufschritte und schematische Darstellungen gewährleistet. Um
die Realitätsnähe darzulegen, werden Beispiele von Unternehmen und Anwendungen
gegeben, die sich mit diesen Kraftstoffen beschäftigen.
Im darauf folgenden Punkt werden die bisherigen Produktionsstrukturen in der Euro-
päischen Union betrachtet. Das bisher vorliegende Datenmaterial liefert leider nur die
Produktion bis einschließlich zum Jahr 2000. Bereits daran und an dem Bau von An-
lagen für die Biodieselproduktion in Deutschland ist die immer größer werdende Be-
deutung der biogenen Treibstoffe sichtbar.
Darauf folgend wird auf die Potenziale in Deutschland, in der EU15 sowie der EU30
eingegangen. Die ausführlichsten und genausten Daten stammen hierbei vom Institut
für Energetik und Umwelt in Leipzig. Um sicher zu gehen, dass diese berechneten
Zahlen verlässlich sind, werden sie mit den Daten der L-B-Systemtechnik GmbH ab-
geglichen.
Um die Betrachtung der biogenen Kraftstoffe abzurunden, wird in den folgenden Ka-
piteln noch auf die Flächen- bzw. Mengenproduktivität, die Energieintensität sowie
die Emissionsintensität eingegangen. Dies sind die Eigenschaften, an denen die bio-
genen Kraftstoffe untereinander bzw. im Vergleich zu den konventionellen Kraftstof-
fen gemessen werden. Um dem Leser einen Vergleich zu den bisher vorherrschend
genutzten konventionellen Kraftstoffen zu ermöglichen, werden im vorletzten Kapitel
noch die Energie- und Emissionsintensitäten von Benzin, Diesel und Erdgas zusätz-
lich zu denen der bisher betrachteten biogenen Kraftstoffen aufgezeigt und eine Be-
trachtung dieser Ergebnisse durchgeführt.
Im letzten Kapitel wird ein Fazit aus der kompletten Arbeit gezogen.
10
2 Betrachtung biogener Kraftstoffe und deren Gewinnung
2.1 Übersicht
Die Analyse der biogenen Treibstoffe fängt mit der Betrachtung der Roh- und Rest-
stoffe der Kraftstoffgewinnung an. Gut sichtbar ist dies in der Grafik 1: ,,Übersicht über
die biogenen Kraftstoffe und ihre Gewinnung" auf der nächsten Seite.
Im Folgenden werden deshalb diejenigen Pflanzen und Reststoffe dargestellt, die ge-
genwärtig oder in naher Zukunft für die Gewinnung von biogenen Kraftstoffen in der
EU interessant sind.
Zuerst werden die pflanzlichen Rohstoffe betrachtet, welche in dieser Arbeit die
Pflanzen sind, die gezielt für Ihre Endnutzung angebaut werden. Dieses sind im Fol-
genden die ölhaltigen, zuckerhaltigen und stärkehaltige Pflanzen sowie die schnell
wachsenden Baumarten.
Danach werden die Reststoffe behandelt. Als Reststoffe werden in dieser Arbeit die-
jenigen Stoffe betrachtet, die als Abfall oder Überbleibsel bei anderen Produktionen
anfallen. Das sind im folgenden Stroh, Waldrestholz, Industrierestholz und Aus-
gangsstoffe für eine Biogaserzeugung.
11
12
Lignocellulosehaltig
e
Biomasse
·
Restholz
·
Stroh
·
Schwachholz
·
Pappeln & W
eiden
Herstellung von
Synthesegas
Synthetisierung
von Treibstoffen
Methanol
Synthese
Synthetische
K
raftstoffe
Methanol
Exkremen
te & org.
Abfälle
Hydrolyse
Versäuerung
Biogas
(Methan)
Bildung von Me-
than
Bildung von Es-
sigsäure
Z
u
ckerhaltige
Pflanz
en
·
Zuckerrüben
Stärkehaltige
Pflanz
en
·
Kart
offel
n
·
Getreide
·
Mais
Hydrolyse
Ethanol
Ferm
entatio
n
Destillation
Ölhaltige P
flanz
en
·
Raps
·
Sonnenblume
·
Hanf
Pressung und /
oder Extraktion
Veresterung
Pflanz
en-
methyle
ste
r
Grafik 1: Übers
icht über d
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n Kraftstoffe und i
hre Ge
w
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ng
Pflanz
enöl
2.2 Mögliche biogene Roh- und Reststoffe für die Kraftstoffge-
winnung
8
2.2.1 Ölhaltige Pflanzen
Ölhaltige Pflanzen zeichnen sich dadurch aus, dass sie Speicher und Reservestoffe
vornehmlich aus Öl in ihren Früchten und Samen einlagern. Diese Speicherorgane
stellen die Rohmaterialien für die Produktion pflanzlicher Öle dar. Da für die energeti-
sche Nutzung ein hoher Ölbetrag angestrebt wird, kommen vor allem Winterraps und
die Sonnenblume in Betracht.
Problematisch bei Sonnenblumen ist, dass sie sich wegen ihrer Empfindlichkeit auf
Witterungseinflüsse nur an wenigen Orten in Mitteleuropa anpflanzen lassen. Deswe-
gen eignet sich zur Ölproduktion in unseren Breiten am besten der Raps, der sich
außerdem sehr leicht maschinell ernten lässt.
Bei einer Doppelnutzung von Öl und Stroh könnte zukünftig auch der Hanf interes-
sant werden.
Raps
Öl speichernder Teil der Pflanze: Der Samen
Energierelevante Eigenschaften:
Der Ölgehalt der Samen von Winter bzw. Som-
merraps liegt durchschnittlich bei 39 bis 43%
bzw. 38 bis 40%.
Standortansprüche und Anbau:
Bevorzugt sind tiefgründige und milde Lehmbö-
den, geeignet sind auch noch schwere Böden
und humose Sandböden mit guter Nährstoffver-
sorgung. Die Bedingungen dafür sind ausrei-
chender Niederschlag sowie gleichmäßige Nie-
derschlagsverteilung.
Problematisch sind dagegen leichte oder
flachgründige Böden, da Raps eine gute Durch-
wurzelbarkeit verlangt.
Zum Keimen benötigt Raps mindestens 2 bis 3
Grad, Winterraps ist bis 15 °C winterfest. Kühle
Sommertemperaturen sind günstig für einen ho-
hen Ölgehalt der Samen.
Eine hohe Luftfeuchtigkeit (z.B. Küstenklima)
wirkt sich günstig auf das Wachstum aus.
Nutzung und Ertragspotenzial:
Die Erntezeit liegt in der zweiten Junihälfte.
Das Ertragspotential beträgt ungefähr 1100 bis
2000 kg Öl pro Hektar pro Jahr.
Kritische Faktoren:
Bodengüte und eine kühl-feuchte Sommerwitte-
rung in der Ausreifezeit.
8
Die Daten stammen aus den Schriften Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe, Schriftenreihe ,,Nachwachsende
Rohstoffe" Band 3 sowie Kaltschmitt, Hartmann: Energie aus Biomasse Grundlagen, Techniken und Verfahren
13
Ökologische Aspekte:
Raps hat einen vergleichsweise hohen Stick-
stoffbedarf, der als ökologisch kritisch zu bewer-
ten ist. Der Einsatz von Stickstoffdüngern kann
die Umwelt vielfältig beeinflussen.
Durch seine hohe Anfälligkeit für Krankheiten
und Schädlinge wird außerdem ein hoher Einsatz
an Pflanzenschutzmitteln benötigt.
Winterraps wirkt sich allerdings günstig auf die
Bodenfruchtbarkeit aus.
Sonnenblume
Öl speichernder Teil der Pflanze: Die Früchte (Achänen)
Energierelevante Eigenschaften: Der Ölgehalt der Sonnenblumensamen beträgt
bei der Einrechnung ihrer Samenschale 35 bis
52% und ohne Schale 55 bis 60%.
Standortansprüche und Anbau:
Besonders geeignet ist lehmiger Sand bis toniger
Lehm, wobei leichtere Böden bevorzugt werden.
Wichtig ist eine gute Durchwurzelbarkeit und
Tiefgründigkeit des Bodens.
Die Sonnenblume stellt hohe Temperaturansprü-
che: die Vegetationszeit sollte 150 frostfreie Tage
umfassen.
Bei der Saat sollten im Boden Mindesttemperatu-
ren von 7 bis 9 °C herrschen, wobei die jungen
Pflanzen Spätfröste bis -5 °C vertragen.
Nutzungs- und Ertragspotential:
Erntezeit ist zwischen Ende August und Mitte
September.
Hektarerträge liegen bei 2,4 bis 4,0 t / (ha*a)
Korn, d.h. 850 bis 2000 kg Öl.
Kritische Faktoren:
Ein guter Ölertrag wird nur bei ausreichend ho-
hen Temperaturen während der Vegetationsperi-
ode sowie guter Wasserversorgung während der
Blüte erreicht
Ökologische Aspekte:
Da spät ausgesät wird, kann es zu Erosion und
Nährstoffverlusten des Bodens kommen.
Hanf
Öl speichernder Teil der Pflanze:
Der Samen
Energierelevante Eigenschaften: Der Ölgehalt der Hanfsamen liegt bei 28 bis
35%.
Standortansprüche:
Bevorzugt werden tiefgründige, humose, kalk-
und stickstoffhaltige Böden mit guter Wasserver-
14
sorgung. Ungeeignet sind Sandböden sowie
feucht-kalte Standorte, da Hanf zur Keimung
Temperaturen von 4 bis 8 °C benötigt.
Die Aussaat sollte zwischen Mitte April und Ende
Mai stattfinden.
Nutzungs- und Ertragspotential:
Die Ernte findet ca. 100 bis 140 Tage nach der
Saat im September statt. Je Hektar ergeben sich
0,8 bis 2 t Samen (d.h. 250 bis 600 kg Öl) und 10
bis 15 t Stroh.
Kritische Faktoren:
Eine ausreichend hohe Bodengüte sowie gute
Temperaturen.
Unkraut, Krankheiten und Schädlinge spielen
bisher wegen der Wüchsigkeit und hohen Kon-
kurrenzkraft des Hanfs keine Rolle.
Ökologische Aspekte:
Aus ökologischer Sicht ist Hanf von allen ölhalti-
gen Pflanzen am günstigsten zu bewerten. Er hat
eine effiziente Wasser- und Nährstoffausnutzung
und kann aufgrund guter Konkurrenzkraft und
Gesundheit ohne Pestizide auskommen.
Leider weist er einen geringen Ölertrag auf und
wird erst bei einer Doppelnutzung (Öl & Stroh) in-
teressant.
2.2.2 Zuckerhaltige Pflanzen
Als Pflanzen mit einem technisch nutzbaren Zuckeranteil werden in Mitteleuropa im
wesentlichen Zuckerrüben großtechnisch angebaut.
Zuckerrübe
Energierelevante Eigenschaften: Der Trockensubstanzgehalt liegt im Mittel bei
rund 23%, wobei der Zucker etwa 70 bis 80%
dieser Trockensubstanz ausmacht. Daraus folgt,
dass der Zuckeranteil bei etwa 17 % der Frisch-
masse liegt.
Standortansprüche und Anbau:
Die Zuckerrübe bevorzugt ein relativ warmes
Klima. Für die Keimung werden Temperaturen
über 5 °C benötigt. Die jungen Rüben sind nur
bis zu -5 °C frostverträglich und reife Rüben er-
frieren bei -9 °C.
Zuckerrüben haben sehr hohe Ansprüche an den
Boden. Die besten Erträge werden auf tiefgrün-
digen Böden mit gleichmäßigen Strukturen er-
reicht (d.h. ohne Verdichtungen, Pflugsohlen,
Steine oder Staunässe und bei gleichmäßiger
Wasser und Nährstoffversorgung). Aufgrund der
15
Zunahme von Krankheiten bei häufigem Anbau
von Rüben darf ihr Anteil an der Fruchtfolge nur
25 bis 33 % betragen.
Nutzungs- und Ertragspotential:
Etwa 58 t pro Hektar und Jahr Zuckerrübe, d.h.
etwa 9 t Zucker pro ha und Jahr (ca. 5000 bis
5750 Liter Ethanol).
Außerdem fällt neben den Rüben etwa 40 t /
(ha*a) frisches Rübenblatt an. Dies kann entwe-
der als eiweißreiches Futter oder als organischer
Dünger genutzt werden.
Kritische Faktoren:
Eine gute Bewässerung ist bei der Keimung und
in dem zwei bis dreimonatigen Zeitraum, in dem
sich das Blatt voll entwickelt, wichtig.
Höchste Zuckergehalte werden bei Tagestempe-
raturen von 20 bis 23 °C erzielt. Warme Herbst-
tage mit kühlen Nächten fördern die Zuckereinla-
gerung.
Ökologische Aspekte:
Aufgrund des hohen Bestandsschlusses bringt
der Zuckerrübenanbau ein hohes Erosionsrisiko
mit sich, welches jedoch erheblich durch die
Mulchsaat vermindert werden kann.
Im Vergleich zu den meisten anderen Energie-
pflanzen ist der Aufwand der eingesetzten Pro-
duktionsmittel (d.h. Dünger und Pflanzenschutz-
mittel) bei der Zuckerrübe relativ hoch.
16
2.2.3 Stärkehaltige Pflanzen
Bei den Pflanzen, deren Stärkegehalt technisch nutzbar gemacht werden kann und
deren Anbau in Mitteleuropa großtechnisch möglich ist, handelt es sich im Wesentli-
chen um die Kartoffel, um Getreide und um Mais.
Kartoffel
Energierelevante Eigenschaften:
Der für die Ethanolproduktion relevante Inhalts-
stoff der Knollen ist die Stärke, deren Anteil zwi-
schen 15 bis 20 % bei einer Knolle liegt.
Standortansprüche und Anbau:
Besonders geeignet sind humose, lehmige San-
de. Die Kartoffel liebt leicht erwärmbare, lockere
und gut durchlüftete Böden mit guter Wasserver-
sorgung. Schwere Böden dagegen sind aufgrund
der schlechten Erntebarkeit und des starken
Erdanhangs an den zu erntenden Knollen nicht
geeignet. Außerdem sollte der Boden möglichst
steinfrei sein, um Beschädigungen der Knollen
bei der Ernte zu vermeiden.
Die Pflanzung kann bei Bodentemperaturen zwi-
schen 6 und 8 °C erfolgen.
Nutzungs- und Ertragspotenzial:
Stärkekartoffeln benötigen etwa 5 Monate von
der Pflanzung bis zur Abreife. Die Knollen sollten
bei Temperaturen von +10 °C geerntet werden,
da sie dann noch elastisch und widerstandsfähig
sind und so besser gegen mechanische Verlet-
zungen geschützt sind.
Der Knollenertrag (gesammelte Knollen) pro
Hektar und Jahr beträgt zwischen 33 bis 50 Ton-
nen. Bei einem Stärkegehalt von 17 bis 20 %
können 5,6 bis 9,6 t / (ha*a) Stärke (ca. 3500 bis
6000 l/ha Alkohol) gewonnen werden.
Kritische Faktoren:
Die Wasserversorgung sollte vor allem während
der ersten Phase der Knollenbildung gleichmäßig
sein.
Die Kartoffel ist stark durch Virusbefall gefährdet.
Ökologische Aspekte:
Im Vergleich zu anderen Pflanzen hat sie nur ei-
nen mittleren Nährstoffbedarf, dies gilt vor allem
für den Stickstoff.
Aufgrund des hohen Anbauanteils in den für Kar-
toffeln geeigneten Anbaugebieten ist sie oft ei-
nem hohen Krankheitsdruck ausgesetzt.
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Getreide
Produktionsziel beim Getreideanbau zur Ethanolgewinnung ist ein möglichst hoher
Stärkeertrag pro Hektar. Dieser kann durch einen hohen Kornertrag und / oder einen
hohen Stärkeertrag im Korn erreicht werden.
Aufgrund ihrer hohen Kornertragspotenziale eignen sich besonders Weizen, Gerste
und Roggen zur Ethanolproduktion.
Energierelevante Eigenschaften: Stärkeanteil der Getreidesorten in % der Tro-
ckenmasse:
·
Weizen:
67,5
·
Gerste:
66,1
·
Roggen:
64,6
Standortansprüche und Anbau:
Weizen
Weizen hat von den genannten Getreidesorten
den höchsten Anspruch hinsichtlich des Wärme-
und Wasserbedarfs.
Beim Boden werden nährstoffreiche, tiefgründige
Standorte bevorzugt.
Roggen
Roggen ist die am wenigsten anspruchsvolle Ge-
treideart. Der Anbau ist auch auf Standorten mit
einem schwachen Nährstoffangebot, geringem
Wasserhaltevermögen und ph-Werten bis 5 mög-
lich.
Winterfestigkeit kann bei Roggen bis hin zu -25
°C gehen.
Gerste
Gerste kann auf leichten bis schweren Böden
angebaut werden, ist aber gegen Verschlam-
mung empfindlich.
Nutzungs- und Ertragspotential:
Das Ertragspotenzial liegt bei Winterweizen zwi-
schen 4 und 9,5 t / (ha*a), beim Winterroggen
zwischen 3 bis 8,5 t und bei der Gerste bei 4,5
bis 7 t.
Die Ethanolgewinnung liegt zwischen 370 Liter
(Roggen) bis 400 Liter (Weizen) pro Tonne Ge-
treide.
Kritische Faktoren:
Weizen
Winterweizen kann zwar Temperaturen bis -20
°C überdauern, reagiert jedoch empfindlich auf
plötzliche Kälteeinbrüche.
18
Roggen
Roggen verträgt keine Staunässe.
Gerste
Gerste ist weniger winterfest als die anderen Ge-
treide, mit einer Frostresistenz von -15 °C.
Ökologische Aspekte:
Aufgrund des bereits existierenden hohen Ge-
treideanteils in der Ackerfläche in Mitteleuropa ist
der Krankheitsdruck für Getreide relativ groß.
Daher ist meist ein hoher Fungizideinsatz not-
wendig. Im Vergleich zu den anderen Ethanol-
pflanzen (Zuckerrübe und Mais) zeichnet sich die
Wintergetreideproduktion jedoch durch eine lan-
ge Bodendeckung auch während des Winters
und dem damit verbundenen geringerem Erosi-
onsrisiko bei guter Nährstoffausnutzung aus.
Mais
Energierelevante Eigenschaften: Für die Ethanolproduktion werden ein Wasser-
gehalt der Körner von maximal 15% (bezogen
auf die Frischmasse), ein Stärkegehalt von min-
destens 62 bis 65% und möglichst geringe Roh-
proteingehalte von 9 bis 10,5% gefordert (jeweils
bezogen auf Trockenmasse).
Standortansprüche und Anbau:
Zum Keimen werden Bodentemperaturen von 8
bis 10 °C benötigt. In der Jugendphase wird
Frost bis -4 °C vertragen, während die Pflanzen
später bereits bei -1 °C absterben.
Die Vegetationsdauer bis zur Ausreife beträgt
130 bis 180 Tage. Lange Sonnenscheindauer
wirkt dabei ertragsfördernd.
Mais hat relativ geringe Bodenansprüche. Auf
leichten Böden sollte jedoch die Wasserversor-
gung gesichert sein. Außerdem sind sehr schwe-
re, kalte oder dicht lagernde Böden ungeeignet.
Am besten gedeiht Mais auf mittleren bis schwe-
ren Böden, die sich im Frühjahr erwärmen und
nicht zur Verschlammung neigen.
Nutzungs- und Ertragspotential:
Die Körnermaisernte erfolgt im Oktober, wobei
der durchschnittliche Ertrag bei 7 t / (ha*a) Korn,
bzw. 4,4 t Stärke (ca. 2700 bis 3000 Liter Alko-
hol) liegt.
Kritische Faktoren:
Im Körnermaisanbau werden Durchschnittstem-
peraturen von mindestens 13,5 °C von Mai bis
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September und mindestens 900 h Sonnen-
scheindauer benötigt, da es sonst nicht zur Aus-
reife kommt (d.h. zu einer ausreichenden Stärke-
einlagerung in den Maiskörnern).
Junge Maispflanzen sind sehr empfindlich gegen
eine Konkurrenz durch Unkraut, außerdem ist ei-
ne ausreichende Düngung wichtig. Von diesen
Punkten abgesehen ist Mais eine gesunde Pflan-
ze.
Ökologische Aspekte:
Aufgrund später Aussaat besteht ein hohes Ero-
sionsrisiko.
2.2.4 Schnell wachsende Baumarten
Typische Vertreter der anbaubaren, schnell wachsenden Baumarten in Mitteleuropa
sind die Pappel und die Weide. An den im ersten Jahr eintriebigen Stämmen bilden
sich ab dem zweiten Jahr Verzweigungen.
Energierelevante Eigenschaften: Die Biomasse schell wachsender Baumarten
enthält, unabhängig vom Erntezeitpunkt, ca. 50%
Wasser in der Rohsubstanz.
Standortansprüche und Anbau:
Sandige, leichte Böden sind eher ungeeignet, da
eine ausreichende Wasserversorgung wichtig ist.
Sie vertragen kühlere Witterung und sind somit
besonders gut geeignet für kühl-feuchte Regio-
nen.
Obwohl die vorhandenen Weidensorten durch-
schnittlich ein leicht höheres Ertragspotenzial
aufweisen als die verfügbaren Pappelsorten, sind
die letzteren unter schwierigen Bedingungen
günstiger. Bei zu geringer Wasserversorgung
oder zu flachem Boden bieten die Pappeln bei-
spielsweise einen vergleichsweise höheren Er-
trag.
Nutzungs- und Ertragspotential:
Im ersten Jahr wird der Bestand ca. 1,5 Meter
hoch und erreicht im vierten Jahr ungefähr 7 Me-
ter.
Der Schnitt und somit die Ernte der aufgewach-
senen Biomasse kann alle drei bis vier Jahre
wieder geerntet werden.
Das Ertragspotenzial hängt sehr stark vom
Standort und dort vor allem von der Wasserver-
sorgung ab. Somit schwankt der Trockenmasse-
zuwachs bei den betrachteten Baumarten erheb-
lich.
Bei dem Anbau von Weiden liegt der jährliche
Trockenmassezuwachs pro Hektar zwischen 4
und 18 Tonnen. Im Durchschnitt liegt der Zu-
wachs zwischen 6 und 9 Tonnen.
Bei dem Anbau von Pappeln fängt der jährliche
Trockenmassezuwachs bereits bei 6 Tonnen pro
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Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Originalausgabe
- Jahr
- 2003
- ISBN (eBook)
- 9783832477080
- ISBN (Paperback)
- 9783838677088
- DOI
- 10.3239/9783832477080
- Dateigröße
- 813 KB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- Brandenburgische Technische Universität Cottbus – Maschinenbau, Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen
- Erscheinungsdatum
- 2004 (Februar)
- Note
- 1,0
- Schlagworte
- produktionsstruktur potenzial energieintensität emission biomasse
