Bioethanol

Bei den Rohstoffen, die für eine Alkoholerzeugung genutzt werden können, kann zwischen zucker- (Zuckerrüben, Zuckerhirse, Zuckerrohr), stärke- (Mais, Getreide, Kartoffel, Maniok, Topinambur) und cellulosehaltigen (Holz, Stroh) Pflanzenkomponenten unterschieden werden.

Biochemische Grundlagen

Die Grundlage jeder Alkoholgewinnung aus Biomasse stellt die alkoholische Gärung dar. Dabei handelt es sich um eine biochemische Spaltung von Kohlenhydraten, die durch das Zusammenwirken von mikrobiellen Enzymen (Hefen, Bakterien) ausgelöst wird und unter Ausschluss von Sauerstoff (anaerob) abläuft. Die alkoholische Gärung verläuft gemäß folgender Reaktionsgleichung:

Stärkeabbau
Stärke kann von der Hefe nicht unmittelbar vergoren werden. Sie muss deshalb vor der Fermentation in besonderen Verfahrensschritten in vergärbare Zucker umgewandelt werden. Um im technischen Maßstab Stärke möglichst vollständig zu vergärbaren Zuckern abzubauen, sind zwei Gruppen von stärkeabbauenden (amylolytischen) Enzymen erforderlich. Die erste Gruppe umfasst die "verflüssigenden" a-Amylasen und die zweite Gruppe die "verzuckernden" Glucoamylasen und ß-Amylasen; d.h. beim Stärkeabbau wird zunächst die Stärke verflüssigt und anschließend verzuckert.

Celluloseabbau
Der biochemische Abbau der Cellulose erfolgt durch bakterielle Cellulasen. Insgesamt verläuft der enzymatische Hydrolyseprozess von Cellulose verglichen mit Stärke sehr langsam und immer unvollständig. Dies liegt in der Struktur der Cellulose begründet. Dagegen erfolgt die säurekatalysierte Hydrolose von Cellulose schneller, sie führt aber im Vergleich zur enzymatischen Hydrolyse unter technischen Bedingungen zu deutlich schlechteren Zucker- und Alkoholausbeuten verglichen mit dem Stärkeabbau. Zusammen mit den hohen Kosten für diese Konversionsprozesse hat dies bisher eine großtechnische Alkoholerzeugung aus cellulosehaltigen Materialien verhindert.

Energetische Nutzung

Alkohol ist ein Sammelbegriff für eine Reihe organischer Verbindungen, die durch eine OH-Gruppe gekennzeichnet sind.
Meistens ist Ethanol gemeint, wenn umgangssprachlich von Alkohol die Rede ist. Ethanol wird als absoluter Alkohol bezeichnet, wenn die Flüssigkeit mindestens 99,8 Vol.-% Alkohol enthält, also praktisch wasserfrei ist.
Ethanol enthält volumenbezogen etwa 65 % des Energiegehaltes verglichen mit konventionellem Ottokraftstoff (Benzin, Super, Super Plus). Da Ethanol einen niedrigeren Dampfdruck als Benzin und zudem eine höhere Verdampfungswärme aufweist, sind die Zündeigenschaften bei niedrigen Temperaturen schlechter als bei Benzin. Dadurch ist deutlich mehr Energie erforderlich, um Ethanol zu verdampfen; dies hat zur Folge, dass die vom Motor angesaugte Luft relativ warm sein muss, um genügend Verdampfungswärme bereitzustellen. Bei der Verwendung von Ethanol als Reinkraftstoff führen diese Stoffeigenschaften zu Kaltstartproblemen, insbesondere bei Winterbetrieb in kalten Klimazonen. Durch die Zumischung von Ethern oder Benzin kann diesem Problem auch begegnet werden; bei Ethanol-Benzin-Gemischen spielt dieser Umstand damit nur eine untergeordnete Rolle.

Einsatz als Reinkraftstoff

Ethanol kann als Reinkraftstoff nicht in herkömmlichen Motoren, sondern nur in speziell entwickelten Reinalkoholmotoren verwendet werden. In solchen Verbrennungskraftmaschinen ist ein Einsatz als Ethanol-Wasser-Gemisch mit 70 bis 100 Vol.-% Ethanol möglich.
Notwendige technische Veränderungen am Ottomotor – im Vergleich zum Benzinbetrieb – betreffen:

• die Veränderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses im Motor (z. B. Aufbohrung der Kraftstoffdüsen),
• die kraftstoffberührenden Teile, die Ethanol-beständig ausgeführt sein müssen,
• den Zündzeitpunkt und
• die Kaltstartfähigkeit (Bei ausreichend hohen Umgebungstemperaturen ist die Kaltstartfähigkeit gegeben, ansonsten muss ein separater Tank mit Starthilfsmittel – z. B. Propan, Benzin, Ether – für den Kaltstart eingebaut werden. Nach erfolgtem Motorstart muss die angesaugte Luft über einen Wärmeübertrager mit den heißen Abgasen auf rund 90 °C vorgewärmt werden.).

Die Vorteile des Ethanols (hohe Oktanzahl, hohe Klopffestigkeit) können in umgerüsteten Ottomotoren nicht voll genutzt werden. Ethanolfähige PKW’s, die bis zu einem beliebigen Anteil von bis zu 85 % Ethanol betrieben werden können, sind mit der sogenannten Flexible-Fuel-Technologie ausgestattet.

Einsatz als Mischkraftstoff

Die Beimengung von Ethanol zu Ottokraftstoff bis maximal 20 bis 25 Vol.-% Alkohol ist ein etabliertes Verfahren, ohne dass Änderungen am Motor erforderlich sind (gilt nicht beim Dieselmotor).
Aufgrund gesetzlicher Rahmenbedingungen (DIN EN 228) ist der Grad der Zumischung auf 3 % Methanol- und 5 % Ethanolzusatz begrenzt. Aufgrund zur Zeit noch auftretender Probleme hinsichtlich der Einhaltung des zulässigen Dampfdrucks wird dies nur bedingt umgesetzt.
Die Zugabe sauerstoffhaltiger Mischkomponenten zu herkömmlichen Ottokraftstoffen beeinflusst eine Reihe von Kraftstoffmerkmalen und den motorischen Betrieb:

• Phasentrennung des Kraftstoffgemisches bei niedrigen Temperaturen (< 10 °C) und Wassergehalten von 0,5 Vol.-% im Gemisch und mehr
• Alkohol-Mischkraftstoffe wirken korrosionsfördernd auf Metalle und haben Lösemitteleigenschaften für Elastomere
• Erhöhung der Oktanzahl (Klopffestigkeit) – Steigerung des Motor-Wirkungsgrades durch Ethanolbeimischung (Motor kann bei höherer Verdichtung gefahren werden)
• Betriebsverhalten - bei Kaltstart und heißgefahrenen Motoren kritisch durch erhöhte Verdunstung der flüchtigen Kohlenwasserstoffe
• höherer volumetrischer Kraftstoffverbrauch aufgrund geringerer Energiedichte von Ethanol

Einsatz nach chemischer Umwandlung

Aus Ethanol lässt sich auf chemischem Weg Ethyl-Tertiär-Butyl-Ether (ETBE) gewinnen. ETBE wird vornehmlich als Oktanzahlverbesserer den Ottokraftstoffen beigemischt.

Kuppelprodukt Schlempe

Je erzeugtem Liter Alkohol fallen – je nach Destillationsanlage – 10 bis 15 l Schlempe an. Dieses Kuppelprodukt kann als hochwertiges Futtermittel in flüssiger Form (Problem schneller Verderb, hohe Transportvolumina) oder in fester Form (Problem kostenintensive Trocknung) verwertet werden. Weitere Möglichkeiten bestehen in der Verwendung als Düngemittel oder zur Energiegewinnung in Biogasanlagen.

Quelle und weitere Informationen:

Kaltschmitt, M. und H. Hartmann (Hrsg.) (2001): Energie aus Biomasse -Grundlagen, Techniken und Verfahren. Heidelberg: Springer (770 Seiten)

Bio-Ethanol-Initiative Straubing

Wissenschaftszentrum Straubing

Technologie- und Förderzentrum, TFZ
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