Regenerative Kraftstoffe Experimentalvortrag von Jan Grosse Austing SS07

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

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

Anteil Verkehr an Emissionen von Treibhausgasen 1. Einleitung Anteil Verkehr an Emissionen von Treibhausgasen Kraftwerke (43 %) Haushalte (15 %) Verkehr (20 %) Gewerbe, Handel, Dienstleistungen (7 %) Industriefeuerungen (15%)

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

2. Biodiesel

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

im Rapsöl veresterte Fettsäuren hauptsächlich: 2. Biodiesel im Rapsöl veresterte Fettsäuren hauptsächlich: Ölsäure (C18:1; 50-65 %) Linolsäure (C18:2; 15-30 %) Linolensäure (C18:3; 5-13 %)

Versuch 1 Herstellung von Biodiesel

2. Biodiesel Reaktionsgleichung:

2. Biodiesel Mechanismus:

2. Biodiesel

Umesterung ist eine Gleichgewichtsreaktion 2. Biodiesel Umesterung ist eine Gleichgewichtsreaktion (ca. 25 % nicht-umgesetztes Rapsöl in Versuch 1) industriell: CD-Verfahren (continuously deglycerolizing)

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

Demo 1 Vergleich der Viskositäten

Literaturwerte: Kraftstoff Diesel Biodiesel Rapsöl kinematische Viskosität [ in mm2/s, bei 40 °C] 2,0-4,5 3,5-5,0 38

Demo 2 Verbrennung von Diesel bzw. Biodiesel

Vorteile Biodiesel gegenüber Diesel Zwischenbilanz Vorteile Biodiesel gegenüber Diesel regenerativ (je nach Quelle 30-80 % CO2-Verringerung) Verringerung Ruß-Emissionen (bis zu 50 %) Biodiesel ist schwefelarm Biodiesel besser umweltverträglich

Nachteile Biodiesel gegenüber Diesel geringerer Heizwert als Diesel in Biodiesel kann sich Wasser lösen → Korrosionsprobleme teure Herstellung

3. Bioethanol

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)

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

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

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

Versuch 2 Wasserentzug durch Molekularsieb 3. Bioethanol Versuch 2 Wasserentzug durch Molekularsieb

Bestimmung des Ethanolanteils mithilfe einer Dichtetabelle 0,81942 3. Bioethanol Bestimmung des Ethanolanteils mithilfe einer Dichtetabelle Dichte (20 °C) [g/mL] Vol-% Ethanol 0,81942 93,2 0,81674 94 0,81401 94,7 0,81127 95,4 0,80848 96,1 0,80567 96,7 0,8028 97,4 0,79988 98,1 0,79688 98,7 0,79383 99,3 0,79074 100

→ Adsorption von Wasser 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

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

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

Versuch 3 Explosion eines E85-Luftgemisches

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

4. BtL-Kraftstoffe

BtL (Biomass to Liquid) -Kraftstoffe: - synthetische Kraftstoffe 4. BtL-Kraftstoffe BtL (Biomass to Liquid) -Kraftstoffe: - synthetische Kraftstoffe - ausgehend von Synthesegas (Gemisch von CO/H2, aus Kohle oder Holz, neuerdings auch Biomasse aller Art) Synthese von Kohlenwasserstoffen nach der Fischer-Tropsch-Synthese (1925)

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

Versuch 4 Holzvergasung

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

unter Luftausschluss wird Holz zu a) Holzgas (gasförmig) 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:

Holzgas-Zusammensetzung CO 34 % H2 2 % C2H4 CH4 13 % N2 - CO2 49 % Gas-Zusammensetzung nach zusätzlicher unterstöchiometrischer Oxidation von Holkohle/-teer 20 % - 2 % 45 % 13 %

Versuch 5 Fischer-Tropsch-Synthese

4. BtL-Kraftstoffe H2 CH4 „Einspritz“-Peak

Reaktionsgleichung hier : 4. BtL-Kraftstoffe Reaktionsgleichung hier : 4 mol Gas 2 mol Gas (bzw. ≈ 1 mol Gas, wenn H2O(l))

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

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

4. BtL-Kraftstoffe typische Zusammensetzung eines Fischer-Tropsch-Synthese-Produktgemisches C10 - C21 (≈ 60 %)

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

5. Kurzes Fazit fossile Kraftstoffe werden mittel- bis längerfristig knapper Biokraftstoffe besserer CO2-Gesamthaushalt als fossile Kraftstoffe, gewisse Emissionen vorteilhafter als bei fossilen Kraftstoffe aber kein „geschlossener“ CO2-Kreislauf

5. Kurzes Fazit

Herstellungskosten der Kraftstoffe [in €/L Kraftstoffäquivalent] 5. Kurzes Fazit Herstellungskosten der Kraftstoffe [in €/L Kraftstoffäquivalent] *Nettopreis bei 61 Dollar je Barrel Rohöl (Brent)

Biotreibstoffe oft mit Nahrungsmittelproduktion eng verkettet 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)

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

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)

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

12G.2: - Wahlthema Angewandte Chemie (u.a. „Vom Raps zum Biodiesel“) 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“)

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Gärung

Säurekatalysierte Spaltung von Stärke

Struktur von Cellulose

Struktur von Lignin

Struktur von Hemicellulose