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Regenerative Kraftstoffe Experimentalvortrag von Jan Grosse Austing SS07.

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Präsentation zum Thema: "Regenerative Kraftstoffe Experimentalvortrag von Jan Grosse Austing SS07."—  Präsentation transkript:

1 Regenerative Kraftstoffe Experimentalvortrag von Jan Grosse Austing SS07

2 Gliederung 1. Einleitung 2. Biodiesel 3. Bioethanol 4. BtL-Kraftstoffe (Fischer-Tropsch) 5. kurzes Fazit 6. Schulrelevanz

3 Regenerative Energien zurzeit kontrovers diskutiert 1) Erdölverknappung 2) Klimawandel 1. Einleitung

4 Anteil Verkehr an Emissionen von Treibhausgasen Kraftwerke (43 %) Haushalte (15 %) Verkehr (20 %) Industriefeuerungen (15%) Gewerbe, Handel, Dienstleistungen (7 %)

5 Interesse an Regenerativen Kraftstoffen („Biosprit“) groß dazu zählen: Biodiesel, Bioethanol, BtL-Kraftstoffe, Biowasserstoff, Biomethanol, Biogas u.a. 1. Einleitung

6 2. Biodiesel

7 Biodiesel ist ein Gemisch von Fettsäuremethylestern (bei Herstellung aus Raps: Rapsölmethylester (RME)) Rapsöl: besteht aus Triglyceriden, Gewinnung aus Rapssamen 2. Biodiesel

8 im Rapsöl veresterte Fettsäuren hauptsächlich: Ölsäure (C 18:1 ; %) Linolsäure (C 18:2 ; %) Linolensäure(C 18:3 ; 5-13 %)

9 Versuch 1 Herstellung von Biodiesel

10 2. Biodiesel Reaktionsgleichung:

11 2. Biodiesel Mechanismus:

12 2. Biodiesel

13 Umesterung ist eine Gleichgewichtsreaktion (ca. 25 % nicht-umgesetztes Rapsöl in Versuch 1) industriell: CD-Verfahren (continuously deglycerolizing)

14 2. Biodiesel Warum Umesterung? -Absenkung der Cetanzahl (Maß für die Zündwilligkeit) -RME hat geringere Viskosität als Rapsöl

15 Demo 1 Vergleich der Viskositäten

16 2. Biodiesel Literaturwerte: KraftstoffDieselBiodieselRapsöl kinematische Viskosität [ in mm 2 /s, bei 40 °C] 2,0-4,53,5-5,038

17 Demo 2 Verbrennung von Diesel bzw. Biodiesel

18 2. Biodiesel Zwischenbilanz Vorteile Biodiesel gegenüber Diesel 1.regenerativ (je nach Quelle % CO 2 - Verringerung) 2.Verringerung Ruß-Emissionen (bis zu 50 %) 3.Biodiesel ist schwefelarm 4.Biodiesel besser umweltverträglich

19 2. Biodiesel Nachteile Biodiesel gegenüber Diesel 1.geringerer Heizwert als Diesel 2.in Biodiesel kann sich Wasser lösen → Korrosionsprobleme 3.teure Herstellung

20 3. Bioethanol

21 Verwendung von Bioethanol als Treibstoff - rein - in Gemischen mit Benzin, z.B. a) bis 5 Vol.-% schon heute in Deutschland im Otto- Kraftstoff möglich b) E85 (85 Vol-% EtOH, 15 Vol-% Benzin)

22 3. Bioethanol Ethanol-Produktion 1. Vergärung von zucker- bzw. stärkehaltigen Pflanzen - evtl. Spaltung der Stärke - Vergärung

23 3. Bioethanol 2. Destillation → hochprozentiges Ethanol (bis max. 97 Vol - % EtOH, azeotropes Gemisch mit Wasser)

24 3. Bioethanol 3. Absolutierung als Treibstoff wird 99,5-99,8 %iger Alkohol benötigt, letzter Wasserentzug durch a) Schleppmittelverfahren b) Membranverfahren c) Molekularsiebverfahren

25 Versuch 2 Wasserentzug durch Molekularsieb 3. Bioethanol

26 Bestimmung des Ethanolanteils mithilfe einer Dichtetabelle Dichte (20 °C) [g/mL]Vol-% Ethanol 0, ,2 0, , ,7 0, ,4 0, ,1 0, ,7 0,802897,4 0, ,1 0, ,7 0, ,3 0,

27 3. Bioethanol „Molekularsieb“ ist ein Zeolith ( = Alumosilikat mit großer innerer Oberfläche und „Käfigen“) → Adsorption von Wasser Molekularsieb 3A ist ein Zeolith A mit Kalium als Gegenion

28 3. Bioethanol Erträge von Ethanol [L/ha]

29 2.-größter Bioethanol-Produzent: Brasilien - 34 % der Weltproduktion (2006) - 40 % des Kraftstoffbedarfs durch Ethanol gedeckt - 50 % aller PKW fahren mit E85 3. Bioethanol

30 Versuch 3 Explosion eines E85- Luftgemisches

31 3. Bioethanol analoge Explosion findet im Otto-Motor statt: Benzin (Hautbestandteil Alkane, n ≈ 5-11): Ethanol:

32 4. BtL-Kraftstoffe

33 BtL (Biomass to Liquid) -Kraftstoffe: - synthetische Kraftstoffe - ausgehend von Synthesegas (Gemisch von CO/H 2, aus Kohle oder Holz, neuerdings auch Biomasse aller Art) Synthese von Kohlenwasserstoffen nach der Fischer- Tropsch-Synthese (1925)

34 4. BtL-Kraftstoffe bereits im 2. Weltkrieg zur Treibstoffversorgung angewendet, Synthesegas aus Kohle heutige Bestrebungen: Synthesegas aus nachwachsenden Rohstoffen (Holz, andere Biomasse)

35 Versuch 4 Holzvergasung

36 4. BtL-Kraftstoffe wichtigste Holzbestandteile 1.Cellulose (35 %) 2.Hemicellulose (20 %) 3.Lignin (20 %) (unregelmäßiges Phenol-Polymer) 4.Wasser (25 %) Polysaccharide

37

38 4. BtL-Kraftstoffe unter Luftausschluss wird Holz zu a) Holzgas (gasförmig) b) Holzgeist (flüssig) c) Holzkohle/Holzteer (fest) pyrolysiert die Holzvergasung kann wie folgt beschrieben werden:

39 Holzgas- Zusammensetzung CO34 % H2H2 2 % C2H4C2H4 CH 4 13 % N2N2 - CO 2 49 % Gas-Zusammensetzung nach zusätzlicher unterstöchiometrischer Oxidation von Holkohle/-teer 20 % - 2 % 45 % 13 %

40 Versuch 5 Fischer-Tropsch-Synthese

41 4. BtL-Kraftstoffe H2H2 CH 4 „Einspritz“- Peak

42 4. BtL-Kraftstoffe Reaktionsgleichung hier : 4 mol Gas2 mol Gas (bzw. ≈ 1 mol Gas, wenn H 2 O (l) )

43 4. BtL-Kraftstoffe allgemeine Reaktionsgleichung der Fischer-Tropsch- Synthese (Hauptprodukt: n-Alkane): hier eigentlich nur Vorgänger-Reaktion der FTS, da kein Kettenwachstum

44 4. BtL-Kraftstoffe (möglicher) Mechanismus der Reaktion:

45 4. BtL-Kraftstoffe typische Zusammensetzung eines Fischer-Tropsch- Synthese-Produktgemisches C 10 - C 21 (≈ 60 %)

46 4. BtL-Kraftstoffe Franz Fischer in seinem Labor (1918)

47 5. Kurzes Fazit fossile Kraftstoffe werden mittel- bis längerfristig knapper Biokraftstoffe besserer CO 2 -Gesamthaushalt als fossile Kraftstoffe, gewisse Emissionen vorteilhafter als bei fossilen Kraftstoffe aber kein „geschlossener“ CO 2 -Kreislauf

48 5. Kurzes Fazit

49 Herstellungskosten der Kraftstoffe [in €/L Kraftstoffäquivalent] *Nettopreis bei 61 Dollar je Barrel Rohöl (Brent)

50 5. Kurzes Fazit Biotreibstoffe oft mit Nahrungsmittelproduktion eng verkettet (z.B. Anstieg des Weltmarktpreises von Mais um 80 % in 2006 → Massendemonstrationen in Mexiko wegen Preisanstieg für Zutat Maismehl für Volksspeise Tortilla)

51 5. Kurzes Fazit teilweise ökologische Aspekte sehr fragwürdig (z.B. Abholzung des Regenwaldes zum Anbau von Ölpalmen für Palmöl-Produktion in Indonesien)

52 6. Schulrelevanz allgemein Regenerative Energien sehr aktuell praxisnahes Thema Behandlung von Ökobilanzen ermöglicht Hinterfragen von Umweltschutz-Konzepten schöne fächerübergreifende Zusammenhänge zwischen Geschichte, Politik, Chemie (Fischer-Tropsch)

53 6. Schulrelevanz Hessischer Lehrplan G8 9G.3: - Erdöl etc. 10G:- Alkanole - fakultativ: Alkohole als Treibstoffzusatz

54 6. Schulrelevanz 11G.1: - Mechanismus der Esterbildung- und -verseifung, mehrwertige Alkohole (Glycerin) 11G.2: - Fette 12G.2:- Wahlthema Angewandte Chemie (u.a. „Vom Raps zum Biodiesel“)

55 „Drink the best and drive the rest!“ Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

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57 Gärung

58 Säurekatalysierte Spaltung von Stärke

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61 Struktur von Cellulose

62 Struktur von Lignin

63 Struktur von Hemicellulose

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