Über­sicht zu Bio­kraft­stof­fen der 2. Genera­tion

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Biokraftstoffe der 1. Generation haben keine Zukunft. Foto: Urbansky

Die EU drängt auf Been­di­gung der För­de­rung für Bio­kraft­stoffe der 1.Generation. Das sind Bio­die­sel, in Deutsch­land in aller Regel aus Raps her­ge­stellt, oder Bio­etha­nol, der aus Zucker­rü­ben oder Getreide gewon­nen wird.

Abge­löst werden sollen sie von Bio­kraft­stof­fen der 2. Genera­tion. Hier eine Über­sicht, die den Defi­ni­tio­nen folgt, die die Bun­des­re­gie­rung in einer aktu­el­len Unter­rich­tung des Bun­des­ta­ges zur Lage der Bio­kraft­stoffe ver­wen­det.

Hydrier­tes Pflan­zenöl

Unter hydrier­tem Pflan­zenöl (HVO) ver­steht man Pflan­zenöl, das in einer Hydrie­rungs­an­lage durch eine che­mi­sche Reak­tion mit Was­ser­stoff in Koh­len­was­ser­stoff­ket­ten umge­wan­delt wird. Eine Pro­duk­tion dieses Bio­kraft­stoffs findet in der Bun­des­re­pu­blik Deutsch­land nicht statt. Gleich­wohl wird im Ausland her­ge­stell­tes hydrier­tes Pflan­zenöl in zuneh­men­den Umfang als Bei­mi­schungs­kom­po­nen­ten auch in der Bun­des­re­pu­blik Deutsch­land in den Verkehr gebracht. Anders als bei Bio­die­sel kann die für Die­sel­kraft­stoff nach der 10. BImSchV vor­ge­schrie­bene Kraft­stoff­norm (DIN EN 590, Ausgabe April 2014) auch mit einem höheren Bei­mi­schungs­an­teil an hydrier­tem Pflan­zenöl (mehr als 7 Volu­men­pro­zent) erfüllt werden, sofern die Anfor­de­run­gen der Norm wei­ter­hin ein­ge­hal­ten werden. In Rein­kraft­stoff­form ist hydrier­tes Pflan­zenöl nach der Ver­ord­nung über die Beschaf­fen­heit und die Aus­zeich­nung der Qua­li­tä­ten von Kraft- und Brenn­stof­fen dagegen nicht ver­kehrs­fä­hig.

Biogas und Bio­me­than

Biogas ent­steht als methan­rei­ches Gas aus der Ver­gä­rung von Bio­masse. Es kann nach einer Auf­be­rei­tung zu Bio­me­than in Verkehr gebracht werden, sofern es den Anfor­de­run­gen der Kraft­stoff­norm DIN 51624, Ausgabe Februar 2008, ent­spricht, und in Fahr­zeu­gen mit erd­gas­taug­li­chen Motoren ein­ge­setzt werden. In der Bun­des­re­pu­blik Deutsch­land sind zum 1. Januar 2016 97.879 Erd­gas­fahr­zeuge ange­mel­det. An über 900 Tank­stel­len kann deutsch­land­weit Erdgas und somit auch Bio­me­than getankt werden. Es kann davon aus­ge­gan­gen werden, dass der Markt für Bio­me­than als Kraft­stoff weiter wachsen wird. Ins­be­son­dere flüs­si­ges Erdgas (LNG) soll im Bereich der Nutz­fahr­zeuge in Zukunft einen erheb­li­chen Beitrag zur Treib­haus­gas­min­de­rung leisten. Künftig könnten auch Power-to-Gas (PtG) Anlagen bei der Ver­sor­gung mit Erdgas eine Rolle spielen, in denen unter Ver­wen­dung von Über­schuss­strom aus erneu­er­ba­ren Ener­gie­quel­len Methan pro­du­ziert wird.

Pflan­zen­öl­kraft­stoff

Pflan­zen­öl­kraft­stoff kann aus Raps oder anderen Ölpflan­zen oder Ölsaa­ten gewon­nen werden, wobei keine che­mi­sche Umwand­lung wie beim Bio­die­sel erfolgt. Als Kraft­stoff kommt vor allem Rapsöl sowie andere Öle oder Fette in Frage, die den Anfor­de­run­gen der für Pflan­zen­öl­kraft­stoffe nach der 10. BImSchV vor­ge­schrie­be­nen Kraft­stoff­nor­men (DIN 51605, Ausgabe Sep­tem­ber 2010 – Rapsöl – oder der DIN SPEC 51623, Ausgabe Juni 2012 – alle Saaten –) ent­spre­chen. Nur diese Kraft­stoffe können steu­er­lich begüns­tigt und auf die Treib­haus­gas­quote ange­rech­net werden.

In der Bun­des­re­pu­blik Deutsch­land kann Pflan­zen­öl­kraft­stoff nur als Rein­kraft­stoff ein­ge­setzt werden. Bei­mi­schun­gen zu fos­si­lem Die­sel­kraft­stoff sind im Rahmen der für Die­sel­kraft­stoff nach der 10. BImSchV vor­ge­schrie­be­nen Kraft­stoff­norm (DIN EN 590, Ausgabe April 2014) nicht zuge­las­sen. Pflan­zen­öl­kraft­stoff ist auf dem Markt nur noch in sehr gerin­gen Mengen vor­han­den. Die Pro­duk­tion der in der Bun­des­re­pu­blik Deutsch­land ansäs­si­gen Pflan­zen­öl­müh­len ist mitt­ler­weile in erster Linie auf andere Berei­che als den Pflan­zen­öl­kraft­stoff­markt aus­ge­rich­tet, ins­be­son­dere den Speise- und Fut­ter­öl­be­reich. Darüber hinaus besteht die Mög­lich­keit, Pflan­zenöl für die Bio­die­sel­pro­duk­tion her­zu­stel­len. Nach Bran­chen­in­for­ma­tio­nen waren im Jahr 2015 weniger als 300 dezen­trale Ölmüh­len exis­tent, die derzeit in Betrieb (nur wenige mit dem Schwer­punkt Kraft­stoff­pro­duk­tion) sind.

Bio­me­tha­nol

Metha­nol kann wie BtL-Kraftstoff über Syn­the­se­gas aus einer breiten Bio­mas­se­pa­lette her­ge­stellt werden. Daneben kann Metha­nol auch durch Umwand­lung von Roh­gly­ze­rin her­ge­stellt werden. Die Nutzung von reinem Metha­nol bedarf aber ange­pass­ter Ver­bren­nungs­mo­to­ren. Dabei weist Metha­nol gegen­über Ethanol eine Reihe von Nach­tei­len auf, z. B. gerin­ger Brenn­wert sowie ein­ge­schränkte Material- und Schmier­stoff­ver­träg­lich­keit. Der Ersatz des fos­si­len Metha­nol­an­teils in Bio­die­sel durch Bio­me­tha­nol ist unter den der­zei­ti­gen Rah­men­be­din­gun­gen weder tech­nisch noch wirt­schaft­lich umsetz­bar. Möglich ist die Wei­ter­ver­ar­bei­tung von Bio­me­tha­nol zu Bio-MTBE, das dem Otto­kraft­stoff bei­gemischt werden kann.

Bio­bu­ta­nol

Der Einsatz von Butanol als Kraft­stoff oder in Kraft­stoff­mi­schun­gen wird schon seit gerau­mer Zeit dis­ku­tiert. Dabei gibt es prin­zi­pi­ell zwei Wege. Einer­seits die Ver­wen­dung in Form von Pflan­zen­öl­bu­tyl­es­ter und ande­rer­seits die Nutzung von Butanol in Kraft­stoff­mi­schun­gen. Aktuell in der Ent­wick­lung ist zudem die Her­stel­lung von flüs­si­gen Koh­len­was­ser­stof­fen aus Bio­bu­ta­nol. Der Ent­wick­lungs­stand neuer Bio­bu­ta­nol­pro­duk­ti­ons­ver­fah­ren ist mitt­ler­weile fort­ge­schrit­ten. Demonstrations-anlagen wurden im Ausland in Betrieb genom­men.
Die Energie- und Öko­bi­lan­zen sind auf­grund des ähn­li­chen Ver­fah­rens kaum von denen der Bio­etha­nol­her­stel­lung zu unter­schei­den. Butanol ist als Kraftstoff-Blendkomponente zudem besser geeig­net als Ethanol und kann in höherer Kon­zen­tra­tion bei­gemischt werden.

Zellulose-Ethanol

Die her­kömm­li­chen Ver­fah­ren der Bio­etha­n­ol­erzeu­gung ließen auf­grund der che­mi­schen Zusam­men­set­zung keine Ver­wer­tung von ligno­zel­lu­lo­se­hal­ti­ger Bio­masse zu. Die Haupt­be­stand­teile dieser Bio­masse sind Zel­lu­lose, Hemi­zel­lu­lose und Lignin. Hier sind in den letzten Jahren enorme Fort­schritte fest­zu­stel­len. Grund­sätz­lich steht die Tech­no­lo­gie für Zellulose-Ethanol bereit, es wurden bereits erste Anlagen in Betrieb genom­men. Gegen­über Bio­etha­nol aus Stärke weist Zellulose-Ethanol Vor­teile bei der Kohlendioxid-Bilanz auf. Darüber hinaus können Rest­stoffe genutzt werden, wodurch eine direkte sowie indi­rekte Kon­kur­renz bei Flächen für die Nahrungs- und Fut­ter­mit­tel­pro­duk­tion ver­mie­den wird.

Was­ser­stoff

Die Was­ser­stoff­nut­zung in Brenn­stoff­zel­len wird lang­fris­tig als viel ver­spre­chende Option ein­ge­schätzt. Der Weg dorthin ist aller­dings auf­wen­dig, da sowohl neue Antriebs­tech­no­lo­gien als auch hohe Inves­ti­tio­nen in Anlagen zur Was­ser­stoff­her­stel­lung und ein neues Ver­tei­lungs­sys­tem erfor­der­lich sind. Die Gewin­nung aus Bio­masse ist dabei eine Mög­lich­keit der Was­ser­stoff­her­stel­lung. Die Inte­gra­tion dieser Technik bleibt jedoch noch abzu­war­ten. Ähnlich wie Methan kann auch Was­ser­stoff in PtG-Anlagen gewon­nen werden.

Flüs­sige Koh­len­was­ser­stoffe

Mittel- und lang­ket­tige Koh­len­was­ser­stoffe aus Bio­masse sind aus­sichts­rei­che Optio­nen für die Sub­sti­tu­tion von fos­si­len Otto- und Die­sel­kraft­stof­fen. Da diese direkt in Motoren ein­ge­setzt werden können und kom­pa­ti­bel mit der bestehen­den Kraft­stoff­in­fra­struk­tur sind, ist deren Pro­duk­tion auf Basis nach­wach­sen­der Roh­stoffe ein attrak­ti­ves Ziel für die Mineralöl- und Auto­mo­bil­in­dus­trie.

BtL-Kraftstoff

Als Biomass-to-Liquid (BtL)-Kraftstoffe werden flüs­sige Koh­len­was­ser­stoffe für den Trans­port­be­reich bezeich­net, die über die ther­mo­che­mi­sche Ver­ga­sung von Bio­masse zu Syn­the­se­gas und anschlie­ßende Koh­len­was­ser­stoff­syn­these erzeugt werden. Dieser Her­stel­lungs­weg zeich­net sich durch hohe Fle­xi­bi­li­tät aus: Neben – eher kurz­ket­tige Koh­len­was­ser­stoffe ent­hal­ten­den – Otto­kraft­stoff­kom­po­nen­ten können bei ent­spre­chen­der
Ver­fah­rens­füh­rung auch Kerosin oder Mit­tel­de­stil­late wie Die­sel­kraft­stoff erzeugt werden. Der Einsatz von BtL-Kraftstoffen ist in heu­ti­gen Otto- oder Die­sel­mo­to­ren möglich, eine Ver­tei­lung über die vor­han­dene Ver­sor­gungs­in­fra­struk­tur kann ohne Pro­bleme erfol­gen. BtL-basierte Otto- oder Die­sel­kraft­stoffe zeich­nen sich durch ein güns­ti­ge­res Emis­si­ons­ver­hal­ten als fos­sil­ba­sierte Kraft­stoffe aus, da BtL-basierte Kraft­stoffe schwe­fel­frei sind und arm an aro­ma­ti­schen Ver­bin­dun­gen. Eine Anpas­sung der BtL-Erzeugungsverfahren an sich ändernde Kraft­stoff­stan­dards, die mög­li­cher­weise bei der Ein­füh­rung neuer Ver­bren­nungs­ver­fah­ren in zukünf­ti­gen Moto­ren­ge­nera­tio­nen not­wen­dig werden kann, ist tech­nisch machbar.

In Deutsch­land konnte bislang keine BtL-Produktion eta­bliert werden. Zwar wurde in Freiberg/Sachsen mit der Errich­tung einer Demons­tra­ti­ons­an­lage für eine Jah­res­pro­duk­tion von 15.000 t/a begon­nen; nach der Insol­venz des rea­li­sie­ren­den Unter­neh­mens Choren im Jahre 2011 und dessen zwi­schen­zeit­li­cher Zer­schla­gung ist mit einer Inbe­trieb­nahme in naher Zukunft jedoch nicht zu rechnen.

In Skan­di­na­vien ist die Ent­wick­lung weiter fort­ge­schrit­ten, dort wurden erste Anlagen auf Basis von Schwarz­lauge, einem Neben­pro­dukt der Zellstoff- und Papier­pro­duk­tion, in Betrieb genom­men, um ins­be­son­dere Kraft­stoff zum Antrieb von LKWs zu pro­du­zie­ren. BtL-Kraftstoffe könnten mittel- und lang­fris­tig eine große Markt­be­deu­tung erlan­gen. Das sich abzeich­nende Poten­zial von BtL-Kraftstoffen ist deut­lich höher als das von Bio­die­sel und Ethanol auf Basis von Getreide oder Zucker. Die BtL-Produktion kann auf Basis jeder festen Bio­masse erfol­gen, ein Umstand, der ins­be­son­dere der Nutzung von Rest- und Kop­pel­pro­duk­ten oder von Ener­gie­pflan­zen ent­ge­gen­kommt. Bei der Ganz­pflan­zen­nut­zung sind deut­lich höhere Erträge pro Hektar möglich als bei­spiels­weise bei der Rap­s­pro­duk­tion.

Bio­tech­no­lo­gisch erzeugte Koh­len­was­ser­stoffe

Zur Her­stel­lung von flüs­si­gen Koh­len­was­ser­stof­fen unter Einsatz von bio­tech­no­lo­gi­schen Ver­fah­ren werden in der For­schung und Ent­wick­lung derzeit zwei Lösungs­an­sätze ver­folgt. Bei der indi­rek­ten Erzeu­gung findet eine Kom­bi­na­tion von bio­tech­no­lo­gi­scher Her­stel­lung ein­fa­cher Ver­bin­dun­gen (z. B. von Alko­holen) als Inter­me­diate mit einer anschlie­ßen­den chemisch-katalytischen Kon­ver­sion zum End­pro­dukt statt. Vorteil hierbei sind die meist schon relativ hohen Aus­beu­ten und Pro­duk­ti­vi­tä­ten der Zwi­schen­pro­dukte sowie die bereits eta­blierte Fol­ge­che­mie.
Einen alter­na­ti­ven Lösungs­an­satz dazu stellt die direkte Her­stel­lung geeig­ne­ter Koh­len­was­ser­stoffe durch Mikro­or­ga­nis­men dar. Dieses Ver­fah­ren hat gegen­über der indi­rek­ten Pro­duk­tion den Vorteil, dass die Not­wen­dig­keit für die kosten- und ener­gie­in­ten­si­ven che­mi­schen Kon­ver­si­ons­ver­fah­ren ent­fal­len würde. Demons­tra­ti­ons­la­gen, in denen modi­fi­zierte Mikro­or­ga­nis­men Iso­bu­ten, einen Grund­stoff zur Her­stel­lung vieler Kraft­stoffe und anderer Indus­trie­pro­dukte, her­stel­len, wurden kürz­lich in Betrieb genom­men.

Am kom­men­den Montag gibt es eine Bewer­tung zur erwähn­ten Unter­rich­tung der Bun­des­re­gie­rung zur Lage der Bio­kraft­stoffe und ins­be­son­dere zu deren steu­er­li­chen Bewer­tung, die hier schon teils ange­deu­tet ist.


Über die aktu­el­len Mög­lich­kei­ten von Power to Gas schrei­ben die Energieblogger-Kollegen Max Fuhr­mann und Chris­tian Sper­ling von next­kraft­werke hier.

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