Regenerative Kraftstoffe

Präsentation zum Thema: "Regenerative Kraftstoffe"—  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 1. Einleitung Regenerative Energien zurzeit kontrovers diskutiert
1) Erdölverknappung 2) Klimawandel

4 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%)

5 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.

6 2. Biodiesel

7 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

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

9 Versuch 1 Herstellung von Biodiesel

10 2. Biodiesel Reaktionsgleichung:

11 2. Biodiesel Mechanismus:

12 2. Biodiesel

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

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

15 Demo 1 Vergleich der Viskositäten

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

17 Demo 2 Verbrennung von Diesel bzw. Biodiesel

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

19 Nachteile Biodiesel gegenüber Diesel geringerer Heizwert als Diesel
in Biodiesel kann sich Wasser lösen → Korrosionsprobleme 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 1. Vergärung von zucker- bzw. stärkehaltigen Pflanzen
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 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

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

26 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

27 → 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

28 Erträge von Ethanol [L/ha]
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

30 Versuch 3 Explosion eines E85-Luftgemisches

31 analoge Explosion findet im Otto-Motor statt:
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
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)

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

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38 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:

39 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 %

40 Versuch 5 Fischer-Tropsch-Synthese

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

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

43 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

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

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

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

47 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

48 5. Kurzes Fazit

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

50 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)

51 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)

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

54 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“)

55 Danke für Ihre Aufmerksamkeit!
„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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