Regenerative Kraftstoffe

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

Regenerative Energien zurzeit kontrovers diskutiert 1) Erdölverknappung

2) Klimawandel

1. Einleitung

1. Einleitung

Anteil Verkehr an Emissionen von Treibhausgasen

Kraftwerke (43 %)

Haushalte (15 %) Verkehr

(20 %)

Industriefeuerungen (15%)

Gewerbe, Handel,

Dienstleistungen (7 %)

• Interesse an Regenerativen Kraftstoffen („Biosprit“) groß

• dazu zählen: Biodiesel, Bioethanol, BtL-Kraftstoffe, Biowasserstoff, Biomethanol, Biogas u.a.

1. Einleitung

2. Biodiesel

• Biodiesel ist ein Gemisch von Fettsäuremethylestern (bei Herstellung aus Raps: Rapsölmethylester (RME))

• Rapsöl: besteht aus Triglyceriden, Gewinnung aus Rapssamen

Ölsäuretriglycerid

CH ₃ O

CH ₃ O

CH ₃ O

O

O O

2. Biodiesel

2. Biodiesel

im Rapsöl veresterte Fettsäuren hauptsächlich:

• Ölsäure (C _18:1 ; 50-65 %)

• Linolsäure (C _18:2 ; 15-30 %)

• Linolensäure (C _18:3 ; 5-13 %)

O O

H CH ₃

Linolsäure

O O H

CH ₃

Linolensäure

Versuch 1

Herstellung von Biodiesel

2. Biodiesel

Reaktionsgleichung:

+ ^{3 H 3 C OH}

CH ₃

Kat.: O

O R ² O

C H ₃ OH

OH

OH

O R ¹ O

C H ₃

+ + +

Triglycerid Methanol Glycerin Rapsölmethylester (RME)

R ³ O R ²

O R ¹ O O

O O

O R ³ O

C H ₃

NaOH + ^{H 3 C OH Na} + ^{H 3 C O} + ^{H 2 O}

2. Biodiesel

Mechanismus:

O

O O

R ¹ R ³

R ² O

O

O

+

CH ₃ O

R ³

O

O O

R ¹ O

R ² O

O

O CH ₃

R ³

O O

CH ₃

+

O

O O

R ¹

R ²

O O

2. Biodiesel

O

O O

R ¹

R ²

O O

+ ^{O CH 3}

H H O

O O

R ¹

R ²

O O +

O H

O O

R ¹

R ²

O O

+ ^{2 H 3 C OH ; Kat: O CH 3}

R ² O

O CH ₃ OH

OH OH

R ¹ O O CH ₃

+ +

CH ₃

O

2. Biodiesel

• Umesterung ist eine Gleichgewichtsreaktion

(ca. 25 % nicht-umgesetztes Rapsöl in Versuch 1)

• industriell: CD-Verfahren (continuously deglycerolizing)

2. Biodiesel

Warum Umesterung?

- Absenkung der Cetanzahl (Maß für die Zündwilligkeit)

- RME hat geringere Viskosität als Rapsöl

C H ₃

CH ₃

Cetan (C ₁₆ H ₃₄ )

Demo 1

Vergleich der Viskositäten

2. Biodiesel

• Literaturwerte:

Kraftstoff Diesel Biodiesel Rapsöl kinematische

Viskosität [ in mm ² /s, bei 40 °C]

2,0-4,5 3,5-5,0 38

Demo 2

Verbrennung von Diesel

bzw. Biodiesel

2. Biodiesel

Zwischenbilanz Vorteile Biodiesel gegenüber Diesel

1. regenerativ (je nach Quelle 30-80 % CO ₂ - Verringerung)

2. Verringerung Ruß-Emissionen (bis zu 50 %) 3. Biodiesel ist schwefelarm

4. Biodiesel besser umweltverträglich

2. Biodiesel

Nachteile Biodiesel gegenüber Diesel 1. geringerer Heizwert als Diesel

2. in Biodiesel kann sich Wasser lösen

→ Korrosionsprobleme

3. teure Herstellung

3. Bioethanol

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)

3. Bioethanol

Ethanol-Produktion

1. Vergärung von zucker- bzw. stärkehaltigen Pflanzen - evtl. Spaltung der Stärke

- Vergärung

 

   

6 10 5 2 6 12 6

Enzym

n Glukose aq

Stärke s

C H O  n H O  n C H O

     

6 12 6 _aq ^Hefe 2 2 _g 2 2 5 _aq

Glukose Kohlendioxid Ethanol

C H O   CO  C H OH

3. Bioethanol

2. Destillation

→ hochprozentiges Ethanol (bis max. 97 Vol - % EtOH,

azeotropes Gemisch mit Wasser)

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

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

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

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

3. Bioethanol

Versuch 3

Explosion eines E85-

Luftgemisches

3. Bioethanol

analoge Explosion findet im Otto-Motor statt:

Benzin (Hautbestandteil Alkane, n ≈ 5-11):

Ethanol:

   

2 2 3 1 2 2 1 2

n n

C H _  n  O  ^~ n CO  n  H O

2 5 3 2 2 2 3 2

C H OH  O  ^~ CO  H O

4. BtL-Kraftstoffe

4. BtL-Kraftstoffe

• 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)

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

4. BtL-Kraftstoffe

wichtigste Holzbestandteile 1. Cellulose (35 %)

2. Hemicellulose (20 %)

3. Lignin (20 %) (unregelmäßiges Phenol-Polymer) 4. Wasser (25 %)

Polysaccharide

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:

  _{ }   _{     }

  _{         }

2

2 4

2

8 4 8

k m n s s g g

k m n s s g g g

C H O k n C n CO m H

m m m

C H O k n C n CO H CH





    

 

          

Holzgas-

Zusammensetzung

CO 34 %

H ₂ 2 %

C ₂ H ₄ 2 % CH ₄ 13 %

N ₂ -

CO ₂ 49 %

Gas-Zusammensetzung nach zusätzlicher

unterstöchiometrischer

Oxidation von Holkohle/-teer

20 % 20 % -

2 %

45 %

13 %

Versuch 5

Fischer-Tropsch-Synthese

4. BtL-Kraftstoffe

H ₂

CH ₄

„Einspritz“-

Peak

4. BtL-Kraftstoffe

• Reaktionsgleichung hier :

       

2 2 0 4 1 1 2

2 4 2 /

3 ^Co

g g g l g

C O ^{ }  H ^   C H ^{ }  H O ^{ }

4 mol Gas 2 mol Gas

(bzw. ≈ 1 mol Gas, wenn H ₂ O _(l) )

4. BtL-Kraftstoffe

• allgemeine Reaktionsgleichung der Fischer-Tropsch- Synthese (Hauptprodukt: n-Alkane):

• hier eigentlich nur Vorgänger-Reaktion der FTS, da kein Kettenwachstum

    _{   } ^{ }

2 2 0 2/ 3 1 1 2

. /

2 2 2 / / 2

2 1 ^{Co bzw Fe}

g g n n s l g l g

n C O ^{ }  n  H ^   ^{  } C H _  n H O ^{ }

4. BtL-Kraftstoffe

(möglicher) Mechanismus der Reaktion:

C O + ^{H 2}

C O

. .

Co-Oberfläche

H H . .

H .

H . C

. . . O

.

O H ₂

H ₂

CH ₃ .

CO CH ₂

. .

CH . . .

CH ₂ C

H ₃

.

H ₂ CO

CH ₂ . .

CH ₂ . . O

H ₂

. CH ₂ (CH ₂ ) _n

C H ₃

H ₂ CH ₃

(CH ₂ ) _n C

H ₃

4. BtL-Kraftstoffe

• typische Zusammensetzung eines Fischer-Tropsch- Synthese-Produktgemisches

C 10 - C 21 (≈ 60 %)

4. BtL-Kraftstoffe

Franz Fischer in seinem Labor (1918)

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

5. Kurzes Fazit

5. Kurzes Fazit

• Herstellungskosten der Kraftstoffe [in €/L Kraftstoffäquivalent]

*Nettopreis bei 61 Dollar je Barrel Rohöl (Brent)

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)

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)

6. Schulrelevanz

Hessischer Lehrplan G8

• 9G.3: - Erdöl etc.

• 10G: - Alkanole

- fakultativ: Alkohole als Treibstoffzusatz

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“)

„Drink the best

and drive the rest!“

Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

Gärung

Säurekatalysierte Spaltung von Stärke

O

O H H H

OH

H OH

H OH O

H H H

O OH

H OH

H OH

O ...

...

n

H / H

O O

OH H

H H

O H

OH

H OH

H OH

2n

O

O H H

H OH

H OH

H OH O

H H H

O OH

H OH

H OH

O ...

...

n

+ ^H

O

O H

H H

OH

H OH

H OH O

H H H

O OH

H OH

H OH

O ...

...

H

n

O H C H H

O H

OH

H OH

H OH

O

OH H

H H OH

H OH

H OH

OH

+

O H C H H

O H

OH

H OH

H OH

O H C H H

O H

OH

H OH

H

OH

O H ₂

O H H

H

O H

OH

H OH

H OH

O H H

- H O

OH H H

H

O H

OH

H OH

H OH O

H C H H

O H

OH

H OH

H OH

+

Struktur von Cellulose

Struktur von Lignin

Struktur von Hemicellulose