Benzin – Bioethanol

Benzin – Bioethanol
Ein Vergleich
Peter Korajman 2008/09
1
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Bundesrealgymnasium 8010 Graz, Petersgasse 110
Fachbereichsarbeit aus
Gegenstand
Chemie
Peter Korajman, 8.B
Benzin – Bioethanol
Ein Vergleich
Betreuer/in: Mag. rer. nat. Elisabeth Klemm
„Ich erkläre hiermit eidesstattlich, dass ich die Arbeit selbstständig und ausschließlich
unter Verwendung der angeführten Hilfsmittel verfasst habe.“
Abgegeben am: 27. Februar 2009
Unterschrift: ___________________________
2
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Vorwort
Nachdem ich den Entschluss gefasst habe, eine Fachbereichsarbeit in Chemie zu
schreiben, suchte ich ein Thema, dass sich mit meiner Liebe zu Motoren und mit meinem
Interesse für die Umweltthematik vereinen ließ. Da ich schon vor Arbeitsbeginn ein wenig
über Ethanol Bescheid wusste, beschloss ich schließlich einen Vergleich von Benzin und
Ethanol aufzustellen. Dieses Thema bot auch genügend Freiraum für Experimente, wobei
mir das themenbezogene Kurssystem meiner Schule das Arbeiten wesentlich erleichterte.
Im Kurs konnte ich nämlich alle relevanten Versuche durchführen.
Mein Ziel war es, Themen wie die Herstellungsverfahren, die physikalischen
Eigenschaften, sowie die Motoren und Umweltbelastung zu vergleichen. Dabei hielt ich
mich im Allgemeinen an die in der Disposition aufgelistete Grobgliederung.
Im Zuge der Recherche wurde mir klar, wie wenig Literatur es zu Ethanol als Kraftstoff
gibt. So konnten mir auch die von Frau Mag. Elisabeth Klemm kontaktieren Personen auf
Grund dieses Mangels an Quellen meist nicht weiterhelfen.
In diesem Rahmen möchte ich bei folgenden Personen für ihre Hilfe und ihren Einsatz
bedanken:
Frau Mag. Elisabeth Klemm, welche mir unterstützend bei auftretenden Problemen und
bei der Suche nach Personen und Quellen zur Seite gestanden ist.
Frau DI Silke Ortner, die mir Unterrichtsmaterial der Technischen Universität
bereitstellte.
Frau Katharina Kühtreiber, Assistenz der Geschäftsführung von AGRANA Bioethanol
GmbH, Werk Pischelsdorf für die Bereitstellung von Informationsmaterial.
Frau Dr. Renate Uitz von Shell Global Solutions (Germany) GmbH, PAE-Labor für die
Bereitstellung von Informationsmaterial.
Frau
Sabrina
Kohlhofer
vom
Institut
für
Verbrennungskraftmaschinen
und
Thermodynamik der TU Graz für die Durchforstung der Literaturdatenbank. Die Suche
blieb jedoch leider ohne Erfolg.
3
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Inhaltsverzeichnis
1
Einleitung zu den Motorenkraftstoffen ...................................................................... 4
1.1
Definition ................................................................................................................... 4
1.2
Kraftstoffarten ............................................................................................................ 5
2
Benzin......................................................................................................................... 5
2.1
Benzinherstellung....................................................................................................... 6
2.1.1
Erdöl als Rohstoffquelle..................................................................................... 6
2.1.2
Die Herstellungsverfahren.................................................................................. 7
2.2
Brennstoffzusammensetzung ..................................................................................... 9
2.2.1
Kohlenwasserstoffe ............................................................................................ 9
2.2.2
Sauerstoffderivate der Kohlenwasserstoffe...................................................... 10
2.2.3
Kraftstoffzusätze .............................................................................................. 11
2.3
Der Benzinmotor ...................................................................................................... 12
2.3.1
Aufbau und Funktion ....................................................................................... 12
2.3.2
Zündverhalten im Motor .................................................................................. 14
3
Ethanol ..................................................................................................................... 16
3.1
Allgemeines über Ethanol ........................................................................................ 16
3.1.1
Herstellung ....................................................................................................... 16
3.1.2
Verwendung ..................................................................................................... 17
3.2
Physikalische Eigenschaften im Vergleich .............................................................. 17
3.2.1
Physikalische Eigenschaften von Ethanol........................................................ 17
3.2.2
Physikalische Eigenschaften von Benzin ......................................................... 17
3.3
Entwicklung als Motorenkraftstoff .......................................................................... 18
3.3.1
Historisches ...................................................................................................... 18
3.3.2
Das Proalcool-Programm ................................................................................. 18
3.4
Bioethanolherstellung............................................................................................... 20
3.4.1
Kohlenhydrate als Rohstoffquelle für Ethanol................................................. 20
3.4.2
Herstellungsverfahren ...................................................................................... 21
3.5
Anpassung des Motors ............................................................................................. 22
3.6
Abgase im Vergleich ................................................................................................ 24
3.7
Bioethanolherstellung in Österreich......................................................................... 26
3.7.1
Das Werk Agrana in Niederösterreich ............................................................. 26
3.7.2
Tankstellen in Österreich ................................................................................. 27
3.8
Experimentelles zur Ethanolherstellung................................................................... 28
3.8.1
Die saure Hydrolyse der Stärke und Zellulose................................................. 28
3.8.2
Die alkoholische Gärung.................................................................................. 29
3.8.3
Die Destillation des Alkohols .......................................................................... 30
3.8.4
Der Alkoholnachweis ....................................................................................... 31
4 Zusammenfassung/Ausblick ........................................................................................... 32
Anhang
4
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1 Einleitung zu den Motorenkraftstoffen
1.1 Definition
Ein Kraftstoff (auch Treibstoff) ist ein Brennstoff, dessen chemische Energie durch
Verbrennung in Verbrennungskraftmaschinen (Verbrennungsmotor, Gasturbine, …) und
Raketentriebwerken in Antriebskraft umgewandelt wird. [1]
Motorenkraftstoffe werden meist zum Antrieb von Fortbewegungsmitteln (Kraftfahrzeug,
Schiff, Flugzeug, Rakete) verwendet. Es werden überwiegend Stoffe mit einer hohen
Energiedichte eingesetzt, da sie mittransportiert werden müssen. Natürlich können auch
stationäre Verbrennungsmotoren mit Kraftstoffen betrieben werden.
Als Oxidator wird bei der Verbrennung meist der Luft-Sauerstoff verwendet. Jedoch
kommt vor allem bei Raketen ein eigener Oxidator wie verflüssigter Sauerstoff, Lachgas
oder Salpetersäure zum Einsatz.
[vgl. 1,2]
Biokraftstoff:
„Biokraftstoffe“ flüssige oder gasförmige Verkehrskraftstoffe, die aus Biomasse
hergestellt werden. [2]
Bioethanol:
„Bioethanol“: Ethanol, das aus Biomasse und/oder dem biologisch abbaubaren Teil von
Abfällen hergestellt wird und für die Verwendung als Biokraftstoff bestimmt ist.[2]
5
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1.2 Kraftstoffarten
- Benzin (Ottokraftstoff)
- Leichtbenzin
- Synthetisches Benzin (Ottokraftstoff)
- Zweitaktgemisch (Ottokraftstoff mit Ölzusatz)
- Dieselkraftstoff
- Biodiesel
- Ethanol-Kraftstoff, darunter Bioethanol und Cellulose-Ethanol
- Flüssiggas (Propan/Butan-Gemisch, auch: Autogas oder LPG bzw. Liquified Petroleum Gas)
- Methanol
- Pflanzenöl
- Emulsionskraftstoff (meist Wasser in Diesel, zur Schadstoffminderung durch - Temperaturabsenkung)
- Erdgas (Methan) CNG (Compressed Natural Gas) oder LNG (Liquid Natural Gas)
[vgl. 1]
2 Benzin
Entwicklung:
Ursprünglich stammt der Name Benzin vom arabischen Wort Benzoeharz, luban dschawi
– „Weihrauch aus Java“. Durch arabische Handelsbeziehungen mit Katalonien, gelangte
dieser Begriff schließlich nach Europa. Die erste Silbe fiel weg und aus dem ersten a
wurde ein e. Somit entstand das italienische Wort benjui, im Mittellateinischen benzoe.
Daraus entwickelte sich das deutsche Wort Benzol.
Faraday entdeckte 1825 die später Benzol genannte Verbindung in geleerten Gasflaschen,
welche er damals bicarbure d’hydrogène nannte. Eilhard Mitscherlich gab diesem Stoff
später den Namen Benzin. Allerdings bezeichnete er damit unser heutiges Benzol.
Mitscherlich benannte die Verbindung nach dem von ihm benutzten Ausgangsstoff, dem
Benzoeharz. Justus von Liebig gab schließlich dem heutigen Benzin seinen Namen.
[vgl.3]
6
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2.1 Benzinherstellung
2.1.1 Erdöl als Rohstoffquelle
Benzin wird aus Erdöl gewonnen, welches organischen Ursprungs ist. Die
Ausgangsprodukte sind meist marine Kleinlebewesen, aber auch pflanzliche Teile, die
nach dem Absterben auf den Meeresgrund abgesunken sind. Die organischen Reste im
Sediment bildeten den Faulschlamm. Dieser wurde von weiteren Sedimenten eingebettet
und aus dem Urstoff bildeten sich unter Luftabschluss, Druck und hoher Temperatur (bis
200°C),
Kohlenwasserstoffe,
Thiolen
und
Thioethern.
Komplizierte
organische
Verbindungen wie Blatt- oder Blutfarbstoff weisen aber auf den biologischen Ursprung
des Erdöls hin.
Das Erdöl befindet ich heute nicht mehr am Ort seiner Entstehung Erdölmuttergestein),
sondern im Erdölspeichergestein. Das sind poröse Gesteinsschichten. Nur unter
bestimmten
geologischen
Formationen
bilden
sich
Erdöllagerstätten. Poröse, ölführende Gesteinsschichten,
werden
von
dichten,
ölundurchlässigen
Gesteinen
abgeschlossen. So wird eine Weiterwanderung des Öls
unmöglich.
Typische Ölfallen sind die Antiklinalen (Sattel) und die
Verwerfung.
In der Lagerstätte befinden sich über der Ölschicht meist
Gas (Gaskappe), unter der Ölschicht Salzwasser.
Seismisch wird nun der Verlauf der Gesteinschichten
bestimmt und anschließend muss eine Aufschlussbohrung
klären, ob in einer potenziellen Ölfalle wirklich Öl
vorhanden ist.
[vgl. 4,5]
Abb. 1: Ölfallen
7
________________________________________________________________________
2.1.2 Die Herstellungsverfahren
Beim Destillieren wird das Rohöl in folgende Fraktionen aufgetrennt:
< 100 °C
Gas, Topbenzin, Straight-Run-Benzin
100 – 150 °C
Schwerbenzin
150 – 250 °C
Petroleum, Kerosin
250 – 400 °C
Dieselkraftstoff
400 – 550 °C
Heizöl
>500 °C
Bitumen
Durch nachgeschaltete Prozesse werden diese Fraktionen den jeweiligen Erfordernissen
angepasst.
Cracken: Beim Cracken werden große Moleküle in kleinere Moleküle aufgespaltet,
wodurch flüchtigere und klopffestere Komponenten entstehen. Man unterscheidet
thermisches und katalytisches Cracken.
Reformieren: Es ist eine katalytische Behandlung unter erhöhtem Druck und erhöhter
Temperatur, wodurch Paraffine und Naphthene in klopffeste Aromaten umgewandelt
werden.
Hydrieren:
Anlagerung
von
H2
an
ungesättigten
Kohlenwasserstoffen
und
Entschwefelung.
Hydrofining: Entschwefelung mittels H2.
Alkylieren: Beim Alkylieren werden gasförmige Olefine und n-Paraffine in größere,
flüssige und weniger zündwillige Isoparaffine umgewandelt.
8
________________________________________________________________________
Abb. 2: Bsp. eines Raffinerie - Fließbildes
[vgl. 4,5]
9
________________________________________________________________________
2.2 Brennstoffzusammensetzung
Kraftstoffe sind in der Regel Gemische aus vielen chemischen Verbindungen.
Nach ihren chemischen Strukturen, welche auch die Eigenschaften der Kraftstoffe
bestimmen, teilt man die Verbindungen folgendermaßen ein:
[vgl. 4,5]
2.2.1 Kohlenwasserstoffe
Kettenförmige organische Verbindungen:
Paraffine (Alkane): HC-Verbindungen ohne Doppelbindung, CnH2n+2. Sie werden weiters
in „Normal Paraffine“ (ohne Verzweigung) und „Iso-Paraffine“ (mit Verzweigung)
unterteilt.
Abb. 3: Darstellung von Normal- und Iso-Paraffinen
Olefine (Alkene): HC-Verbindungen mit Doppelbindung. Sie werden weiters in MonoOlefine
(eine
Doppelbindung,
Bruttoformel
Doppelbindungen, Bruttoformel CnH2n-n) eingeteilt.
Abb. 4: Darstellung von Mono- und Di-Olefinen
CnH2n)
und
Di-Olefine
(zwei
10
________________________________________________________________________
Ringförmige organische Verbindungen:
Naphthene (Zykloalkane): ringförmige HC-Verbindungen ohne Doppelbindung (CnH2n)
Aromaten: HC-Verbindungen, welche auf einem Benzolring (C6H6) mit sechs C-Atomen
mit sechs delokalisierten Elektronen aufbauen. Aromaten (besonders Benzol), sind
krebserregend. Der Benzolgehalt im Kraftstoff ist daher begrenzt.
Abb. 5: Beispiele für ringförmige organische Verbindungen
[vgl. 4,5]
2.2.2 Sauerstoffderivate der Kohlenwasserstoffe
Das sind Kohlenwasserstoffe mit angelagerten Sauerstoffatomen. Der Sauerstoff
vermindert den Heizwert des Brennstoffs. Dieser Umstand wird durch den geringen
Luftbedarf ausgeglichen, sodass ungefähr der Gemischheizwert von Benzin erreicht wird.
Sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe sind: Alkohole, Phenole, Aldehyde, Ketone und
Ether.
Zum Kraftstoff beigemischt werden nur Alkohole und Ether.
Nachteil: Nehmen leicht Wasser auf, was zu Mischungsproblemen und Korrosion im
Motor führen kann. (Siehe Anpassung des Motors)
Vorteil: Erhöhen die Klopffestigkeit des Kraftstoffes.
Ether: organische Verbindungen mit einer Sauerstoffbrücke zwischen zwei Alkyl- oder
Aryl-Resten als funktioneller Gruppe.
11
________________________________________________________________________
Alkohole: beinhalten eine an ein Kohlenstoffatom angelagerte OH-Gruppe als
funktionelle Gruppe.
Abb. 6: Beispiele für Alkohole
[vgl. 4,5]
2.2.3 Kraftstoffzusätze
Kraftstoffzusätze sollen vorhandene Eigenschaften des Kraftstoffs verbessern und auch
zusätzliche Eigenschaften verleihen. Die zugesetzten Mengen liegen unter 1%.
Zusätze beim Benzin:
Klopfbremsen (Antiklopfmittel)
Rückstandsumwandler
Antioxidantien (Oxidationsinhibitoren)
Metalldeaktivatoren
Korrosionsinhibitoren
Vereisungshemmstoffe (Deicer)
Vergaserreinigungs- und Reinhaltesubstanzen (Detergent/Dispersant-Additive)
[vgl. 4,5]
12
________________________________________________________________________
2.3 Der Benzinmotor
2.3.1 Aufbau und Funktion
Ottomotoren sind in der Regel gemischansaugend. Nach der Art der äußeren
Gemischbildung unterscheidet man:
- Vergaser-Ottomotor
- Einspritz-Ottomotor
- Gas-Ottomotor
Vergaser-Ottomotor:
Abb. 7: Vergaser-Ottomotor
13
________________________________________________________________________
Einspritz-Ottomotor:
Abb. 8: Einspritz-Ottomotor
Gas-Ottomotor:
Abb. 9: Gas-Ottomotor
14
________________________________________________________________________
Viertaktverfahren:
Ein Arbeitsspiel umfasst zwei Umdrehungen der Kurbelwelle, entsprechend vier Hüben
des Kolbens.
Arbeitsprozess eines Viertaktmotors:
Abb. 10: Arbeitsprozess eines Viertaktmotors
[vgl. 4,5,6]
2.3.2 Zündverhalten im Motor
Zündgrenzen:
Kraftstoffdampf-Luft-Mischungen können nur innerhalb bestimmter Mischverhältnisse
durch eine Zündquelle (z.B. Zündfunken) entzündet werden. Man unterscheidet eine
untere Zündgrenze (gekennzeichnet durch das Luftverhältnis λu) und eine obere
Zündgrenze λ o. Die Zündgrenzen sind speziell für den Ottomotor von Bedeutung.
15
________________________________________________________________________
Zündwilligkeit:
In Ottomotoren erfolgt eine Fremdzündung, die dann immer möglich ist, wenn die
Gemischzusammensetzung
innerhalb
der
Zündgrenzen
liegt.
Eine
besondere
Zündwilligkeit ist zur Entzündung nicht erforderlich. Diese ist sogar nachteilig, weil eine
Selbstzündung, welche zum Klopfen führt, vermieden werden muss. Man charakterisiert
die Klopffestigkeit eines Kraftstoffes durch die Oktanzahl (OZ). Die hängt außer von der
Zündwilligkeit noch von anderen Kriterien ab. Sie gibt die Volumenprozente Oktan in
einem Gemisch aus Iso-Oktan (C8H18 zündunwillig - klopffest) und n-Heptan (C7H16
zündwillig - klopffreudig) mit denselben Klopfeigenschaften an.
Die Research-Oktanzahl (ROZ) soll das Kraftstoffverhalten bei Beschleunigung des
Motors aus niedrigen Drehzahlen charakterisieren, die Motorenoktanzahl (MOZ) das
Verhalten bei höheren Drehzahlen und Volllast.
Die Klopffestigkeit kann durch Zusätze erhöht werden. Die früher üblichen Bleizusätze
(Bleitetraäthyl1) werden aus Umweltgründen und wegen der durch sie verursachten
Katalysatorvergiftung immer weniger angewendet und sind seit 1993 in Österreich
überhaupt verboten.
In Österreich gelten folgende Normen:
ROZ
MOZ
Normalbenzin
91
82,5
Eurosuper
95
85
Super
98
87
[vgl. 4,5,6]
____________________
1
Bleitetraäthyl: Ist eine giftige Organometallverbindung mit der Summenformel C8H20Pb.
16
________________________________________________________________________
3 Ethanol
3.1 Allgemeines über Ethanol
Ethanol ist eine organische Verbindung aus zwei Kohlenstoffatomen, Wasserstoff und
einer Hydroxylgruppe (Summenformel C2H5OH). Ethanol ist der bekannteste Vertreter
der Stoffgruppe der Alkohole. Der auch zum Genuss geeignete Trinkalkohol wird
umgangssprachlich häufig nur als Alkohol bezeichnet. Andere Namen sind Äthanol,
Äthylalkohol, Spiritus oder Weingeist. Als Agrar- oder Bioethanol bezeichnet man das
durch Gärung aus Agrarprodukten gewonnene Ethanol.
Abb. 11: Ethanol
[vgl. 7,8]
3.1.1 Herstellung
Hydratisierung des Ethylens zu Ethanol:
Dieser Vorgang ist großtechnisch auch durch überschüssigen Wasserdampf bei 300°C
unter Druck in Gegenwart von Phosphorsäure auf Kieselgel durchführbar.
H2C = CH2 + H2O
H PO
3 4
H3C – CH2 – OH
Hydrierung von Acetaldehyd:
Ethanol entsteht ebenfalls durch Hydrierung von Acetaldehyd bei 100 – 130°C am NickelKontakt.
Alkoholische Gärung:
(Siehe Herstellungsverfahren)
[vgl. 9]
17
________________________________________________________________________
3.1.2 Verwendung
Ethanol wird als Lösungsmittel sowie in kohlenhydrat- und holzreichen Ländern als
wichtiges Ausgangsmaterial verwendet, z.B. zur Oxidation über Acetaldehyd zu
Essigsäure und Essigsäureanhydrid, zur Herstellung von Farben, Riechstoffen und
pharmazeutischen Präparaten sowie als Treibstoffzusatz. In der Medizin benutzt man
Ethanol zur Konservierung anatomischer Präparate.
[vgl. 9]
3.2 Physikalische Eigenschaften im Vergleich
3.2.1 Physikalische Eigenschaften von Ethanol
Dichte
ca. 0,79 g·cm−3
Schmelzpunkt
-114,5°C
Siedepunkt
78,32°C
Flammpunkt
12°C
Zündtemperatur
425°C
Explosionsgrenzen
3,4–15 Vol.-%
kritische Temperatur
243,1°C
kritischer Druck
63,8 bar
Heizwert
29,68 MJ/kg
[vgl. 9,10]
3.2.2 Physikalische Eigenschaften von Benzin
Aufgrund der wechselnden Zusammensetzung kann man beim Benzin keine genauen
Angaben über Dichte, Siedepunkt usw. geben. Das „gewöhnliche“ Benzin ist eine
wasserhelle, leicht verdunstende, sehr feuergefährliche, brennbare Flüssigkeit [FP unter
21°C, Gefahrenklasse G3], die eigenartig riecht und die etwa zwischen 40–200°C
(gewöhnlich zwischen 80–130°C) siedet und eine Dichte von 0,72–0,76 kg/L aufweist.
FAM-Normalbenzin:
Dichtebereich
0,69–0,705 kg/L
Siedebereich
65–95°C
[vgl. 9]
18
________________________________________________________________________
3.3 Entwicklung als Motorenkraftstoff
3.3.1 Historisches
1860 verwendete Nikolaus August Otto erstmals Ethanol als Kraftstoff in den Prototypen
seines Verbrennungsmotors. Das Ford T-Modell von Henry Ford wurde eigentlich auf der
Grundlage von Ethanol konzipiert, der Kraftstoff des Volkes. Ethanol als Kraftstoff sollte
der Landwirtschaft neue Wachstumsimpulse geben. Die 1925 gegründete Reichskraftsprit
(RKS) stellte aufgrund der Versorgungslage bei Benzin in Deutschland Ethanol aus
Kartoffelschnaps her und mischte es dem Benzin bei. Die RKS vertrieb ihr BenzinGemisch mit einem ca. 25% Anteil Ethanol unter dem Markennamen Monopolin. 1930
mussten
jeweils
2,5
Gewichtsprozente
der
produzierten
oder
eingeführten
Treibstoffmenge von der Reichsmonopolverwaltung bezogen und dem Benzin
beigemischt werden. Bis 1932 wurde diese Quote auf 10% erhöht. Bis 1970 war Erdöl die
vorrangige Energiequelle. Aufgrund der Ölkrise 1970 fand Ethanol als Kraftstoff vor
allem in Brasilien und den USA neues Interesse.
Eine globale Aufwertung dieses Kraftstoffs entstand infolge des Kyoto-Protokolls.
[vgl. 11]
3.3.2 Das Proalcool-Programm
Bereits im Jahr 1931 wurde in Brasilien eine 5%ige Ethanolbeimischung zum Kraftstoff
verbindlich festgelegt. Bis zur Ölkrise 1970 war die Höhe der Beimischung abhängig von
der Entwicklung der Zucker-, Ethanol-, und Energiepreise. 1975 wurde das eigentliche
Ethanolprogramm, genannt Proalcool, verabschiedet. Das Hauptziel des Proalcool war die
Substitution von Erdöl. Brasilien musste zu dieser Zeit nämlich rund 80% seines Rohöls
importieren. Es wurde festgelegt, dass max. 22% wasserfreies Ethanol zugemischt werden
müssen. Nach dem zweiten Ölschock 1979 wurde das Proalcool-Programm weiter
ausgebaut. Die Markteinführung von Ethanolfahrzeugen sowie die Entwicklung neuer
Motoren wurden gefördert. Es wurden günstige Kredite an Landwirtschaft und Industrie
vergeben um Ethanol billiger als Benzin zu machen.
In der zweiten Hälfte der 80er Jahre waren über 80% der PKW-Neuzulassungen mit
ethanolfähigen Motoren ausgestattet. Bis zum Jahr 1990 stieg die Zahl auf über vier
Millionen.
19
________________________________________________________________________
Mit dem Fall des Rohölpreises in den 90er Jahren um nahezu 40% und der Ausbeutung
von Ölquellen im Offshore-Bereich, entwickelte sich Brasilien selbst zu einem
bedeutenden Ölproduzenten. Darüber hinaus stieg der Zuckerpreis auf Grund der
gesteigerten Nachfrage im ehemaligen Ostblock, sodass der Zuckerexport für viele
Produzenten die ökonomischere Alternative darstellte. Die brasilianische Regierung war
zeitweise sogar gezwungen Ethanol zu importieren. 1997 erreichte das Proalcool seinen
absoluten Tiefpunkt. Es konnten nur mehr 1000 Ethanolfahrzeuge verkauft werden. Es
wurden aber noch immer 15-20% Ethanol dem Normalbenzin beigemischt.
Die Zahl der Neuzulassungen für Ethanolfahrzeuge hat mittlerweile wieder die 50000
Marke erreicht. Jedoch dürfte die Zukunft den Flexible-Fuel-Vehicles (FFVs) gehören.
VW und General Motors prophezeien, dass bald sämtliche Kleinfahrzeuge in Brasilien
auch als FFVs am Markt erscheinen werden. Der rasante Anstieg der Rohölpreise und der
Beginn des internationalen Handels mit Emissionszertifikaten steigert die Nachfrage nach
Ethanol ebenfalls enorm. Leider spielen ökologische oder soziale Überlegungen bei der
Konzeption des Proalcool-Programms kaum eine Rolle. Die staatlichen Interventionen
unterstützen
in
erster
Linie
die
Besitzer
der
Zuckerrohrplantagen
und
die
Weiterverarbeitungsbetriebe. Weiters kommen die Kosten dieses Programms nur
denjenigen zugute, die sich ein privates Auto leisten können.
Der oft übermäßige Einsatz von Düngemittel und Pestiziden sowie das Abbrennen der
Felder vor der Ernte, stellen ein gravierendes Umweltproblem dar. In den Anfangszeiten
des Programms wurden sogar die enormen Mengen an Abwässern nicht selten ungeklärt
in die Flüsse geleitet. Durch die Beimischung von Ethanol zum Normalbenzin, konnte in
Brasilien schon früh auf den Zusatz von Blei verzichtet werden. (Siehe Zündverhalten)
[vgl. 7]
20
________________________________________________________________________
3.4 Bioethanolherstellung
3.4.1 Kohlenhydrate als Rohstoffquelle für Ethanol
In Europa wird Bioethanol aus nachwachsenden pflanzlichen Rohstoffen hergestellt, die
Stärke oder Zucker enthalten. Im Gegensatz zu tropischen Ländern, wo Bioethanol fast
ausschließlich aus Zuckerrohr gewonnen wird, verwendet man in Europa Pflanzen wie
Weizen, Roggen, Mais sowie Zuckerrüben.
Abb. 12: Ethanolertrag
Abb. 13: Herstellungsprozess von Ethanol
[vgl. 7,8]
21
________________________________________________________________________
3.4.2 Herstellungsverfahren
Hydrolyse:
Im Gegensatz zu zuckerhaltigen Rohstoffen muss bei stärkehaltigen Pflanzen das
Polysaccharid Stärke in Zucker umgewandelt werden.
Anfangs werden die Stärkekörner durch einen Kochprozess gesprengt. Anschließend wird
unter Zugabe von Enzymen wie α-Amylase und Glucoamylase die Verzuckerung
eingeleitet.
Glycolyse:
Im Fermenter wird das Monosaccharid unter Hefeeinsatz vergoren.
Die Glycolyse ist der Abbau von Zucker. Das Glucosemolekül, ein C6-Molekül, wird
dabei in zwei Moleküle Brenztraubensäure mit drei C-Atomen, gespalten. Dabei entsteht
ATP. Das Endprodukt der Glycolyse, die Brenztraubensäure (Pyruvat), nimmt dabei
formal die vier in der Glycolyse entstandenen Wasserstoffatome auf und wird dabei als
Oxidationsmittel selbst zu Ethanol reduziert.
Aus dem entstandenen Gemenge wird das Ethanol schließlich abdestilliert.
Glucose (C6H12O6)
Glycolyse
Brenztraubensäure (2 C3H4O3)
4H
Ethanol
(2 C2H6O) + Kohlenstoffdioxid (CO2)
Destillation:
Ethanol geht beim Destillieren nie wasserfrei, sondern als konstant siedendes azetropes
Gemisch von 95,6% Ethanol und 4,4% Wasser bei 78,2°C über. Durch das Destillieren
über gebrannten Kalk lässt sich das Wasser entfernen. Um „absoluten“ d.h. wasserfreien
Alkohol technisch herzustellen, setzt man vorher Benzol zu. Bei 64,9°C geht zunächst ein
ternäres Gemisch (Benzol-Alkohol-Wasser) über, welches das gesamte Wasser enthält,
danach folgt bei 68,2°C ein binäres Gemisch (Benzol-Alkohol) und letztendlich bleibt
wasserfreier Alkohol zurück, der bei 78,4°C siedet (Young-Verfahren). Statt Benzol kann
man auch Trichlorethylen verwenden (Drawinol-Verfahren). Wenn man geringe
Feuchtigkeitsmengen (bis 1%) aus dem Ethanol entfernen will, wendet man das
Magnesiumverfahren an.
[vgl. 7,9,12]
22
________________________________________________________________________
3.5 Anpassung des Motors
Grundsätzlich kann jeder Ottomotor mit Ethanol betrieben werden. Man muss lediglich
die Kraftstoffmenge auf den geringen Heizwert von Ethylalkohol anpassen. Es sollten
ebenfalls
kraftstoffführende
Teile,
wie
z.B.
Gummischläuche,
überprüft
und
gegebenenfalls erneuert werden. Nach der Umrüstung ist mit einem Mehrverbrauch von
20% bis 25% zu rechnen. Um die Einspritzmenge auf den jeweiligen Kraftstoff
anzupassen, greifen Ethanol-Zusatzsteuergeräte für MPI-Einspritzsysteme in die
Motorleistung ein. Zusatzsteuergeräte müssen aus diesem Grund auf elektromagnetische
Verträglichkeit (EMV) geprüft werden. Da der Eingriff in die Motorsteuerung das
Abgasverhalten verändert, muss geprüft werden, ob die jeweilige Abgasnorm des
Fahrzeugs nach der Umrüstung erfüllt wird. Eine positive Abgasmessung und eine
ordnungsgemäße Montage, sind die Voraussetzungen für eine Eintragung gemäß §21 /
19.2 StVZO. Da Ethanol ein sehr schlechtes Kaltstartverhalten hat, muss das
Kraftstoff/Luft-Gemisch unter 20°C Motortemperatur zusätzlich angefettet werden. Dafür
sollte
das
Zusatzsteuergerät
mit
einer
entsprechenden
Software
und
einem
Temperatursensor ausgestattet sein.
Eine automatische Regelung zwischen den verschiedenen Kraftstoffen ist nur dann
möglich, wenn man einen speziellen Ethanolsensor einbaut.
Die Umrüstung kostet inkl. Montage ca. 790,-EURO.
Abb. 14: Auf Ethanolbetrieb umgerüsteter
Abb. 15: Software für den
Motor
umgerüsteten Motor
Um dem Kaltstartproblem vorzubeugen, ist bei Temperaturen unter 0°C eine
Motorvorwärmung zu empfehlen. Kühlwasser oder Öl werden (bei luftgekühlten
Motoren) hier mit einem fahrzeugspezifischen Einbauelement vorgewärmt. Der Start wird
somit leichter. Ebenfalls wird der Motorverschleiß reduziert, Treibstoff gespart und die
Umwelt entlastet.
[vgl. 13]
23
________________________________________________________________________
Abb. 16: Materialverträglichkeit mit E85/Benzin
[vgl. 14]
24
________________________________________________________________________
3.6 Abgase im Vergleich
Die Nutzung von Bioethanol wird oft als CO2-neutral dargestellt. Die allgemeine Meinung
ist, dass bei der Verbrennung von Bioethanol nur soviel CO2 freigesetzt wird, wie zuvor
durch die Pflanze gebunden wurde. Jedoch muss man auch die Herstellung betrachten.
Denn die Nutzung von Bioethanol kann nur dann CO2-neutral sein, wenn auch die
vorgelagerten Prozesse wie z.B. die Düngemittelproduktion, oder der Maschineneinsatz,
CO2-neutral ablaufen. Denn nicht nur bei der Verbrennung, sondern auch bei der
Erzeugung, dem Transport und bei der Lagerung werden Treibhausgase frei.
Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) und Lachgas (N2O) zählen zu den wesentlichsten
Treibhausgasen.
Abb. 14: CO2-Kreislauf
25
________________________________________________________________________
Bei der heutigen Technologie, werden von einem mit Bioethanol betriebenen PKW
Treibhaus-Emissionen von ca. 183g – 297g CO2-Äq/PKW-km in Abhängigkeit vom
eingesetzten Rohstoff verursacht. Es wird bis 2020 jedoch erwartet, dass diese Emissionen
auf etwa 42g – 108g CO2-Äq/PKW-km sinken werden. Verursacht werden diese
Treibhaus-Emissionen hauptsächlich von N2O Emissionen aus der Stickstoffdüngung, der
Schlempe (ein Nebenprodukt der Bioethanolherstellung) und von der Wahl des
Energieträgers für die aufgewendete Prozesswärme. In einer Studie wurde angenommen,
dass die Prozesswärme zur Futtermittelherstellung aus der angefallenen Schlempe aus
Heizöl gewonnen wird. Verwendet man zur Prozesswärmegewinnung jedoch erneuerbare
Energien, reduzieren sich die ermittelten Treibhausgas-Emissionen um ungefähr 100g
CO2-Äq/PKW-km.
Abb. 15: Treibhausgas-Emissionen bei Nutzung von Bioethanol und Benzin in einem PKW mit
Verbrennungsmotor
[vgl. 7,15]
26
________________________________________________________________________
3.7 Bioethanolherstellung in Österreich
Auf Grund der steigenden Ölpreise und der Beimengung von Bioethanol zum Fahrbenzin
wird ein weiterer Anstieg der Nachfrage nach Biokraftstoffen erwartet. Bis 2015 wird in
der EU ein Marktpotenzial von über 12 Mio m³ vorausgesagt. In Österreich ist daher
ebenfalls ein Anstieg zu erwarten.
Abb. 16 Bedarf für Bioethanol im Kraftstoffsektor der EU-25
[vgl. 7]
3.7.1 Das Werk Agrana in Niederösterreich
Das Bioethanolwerk der Firma Agrana in Pischelsdorf (Niederösterreich), ist seit Juni
2008 in Betrieb und deckt auf der Basis von Weizen, Mais und Zuckerrüben (2008) den
Österreichischen Markt für Bioethanol ab. Es ist ein Produktionsvolumen von bis zu
240.000 m³ Bioethanol pro Jahr geplant. Es soll Österreich unabhängiger von
Schwankungen am Ölmarkt machen.
Immerhin liegen Österreichs Biokraftstoff-Richtlinen über den EU-Vorgaben (2,5 % bis
2005 | 4,3 % bis 2007 | 5,75 % bis 2008). Es wurde sogar eine Substitutionspflicht
eingeführt, da es Änderungen der Kraftstoffverordnung und des Mineralölsteuergesetzes
gab.
[vgl. 18]
27
________________________________________________________________________
3.7.2 Tankstellen in Österreich
In Österreich kann Superethanol derzeit an folgenden 6 Tankstellen getankt werden:
WIEN 14
1140 Wien, Guldengasse 14
WIEN 11
1110 Wien, Alberner Hafenzufahrtstrasse 17
AVANTI
GENOL
GRAZ
8010 Graz, Fischer Gasse 12
AVANTI
MITTERNDORF1
3452 Mitterndorf, Gewerbestraße 4
AVANTI
NEULENGBACH
3040 Neulengbach, Umseerstrasse37
LINZ
4020 Linz, Unionstrasse 71a
Es wird aber am Ausbau des Tankstellennetzes gearbeitet.
[vgl. 19]
GENOL
AVANTI
28
________________________________________________________________________
3.8 Experimentelles zur Ethanolherstellung
3.8.1 Die saure Hydrolyse der Stärke und Zellulose
Die saure Hydrolyse der Stärke:
Chemikalien: Stärkelösung (1,5%), verd. Salzsäure, Iodkaliumiodidlösung, verd.
Natronlauge, Glucosetestpapier.
In einem Erlenmeyerkolben erhitzt man 20 ml Stärkelösung, die man mit 2 ml verdünnter
Salzsäure versetzt hat, bis zum Kochen. Von diesem Zeitpunkt an entnimmt man in gleich
bleibenden Abständen von einigen Minuten Proben von je 1ml und gibt sie jeweils in ein
Rgl. Man füllt mit kaltem Wasser bis zu einem Drittel auf und fügt einige Tropfen
Iodkaliumiodidlösung hinzu. (Die Zahl der Tropfen wird bei der ersten Probe bestimmt,
sie muss eindeutig blau gefärbt sein. Diese Tropfenanzahl wird dann beibehalten.) Die
Versuchsreihe wird abgebrochen, wenn eine Gelbfärbung vorliegt. Wenn man die Rgl. der
zeitlichen Reihenfolge nach in ein Rgl-Gestell stellt, dann ändert sich die Farbe der
Lösung von Blau über Blauviolett und Rotbraun nach Gelb. Nach der Neutralisation der
gelben Lösung zeigt der GOD-Test Glucose an.[16]
Erklärung: Die Stärke wird durch Säurehydrolyse über kleinere Bruchstücke (=Dextrine,
Rotbraunfärbung
mit
Iodlösung)
allmählich
zu
Glucose
abgebaut.
(Siehe
Herstellungsverfahren)
Die saure Hydrolyse der Zellulose:
Chemikalien:
Watte,
konz.
Schwefelsäure,
Natronlauge,
Fehling
I
und
II,
Glucosetestpapier, Universalindikatorpapier.
In einer Reibschale wird Watte mit etwas konzentrierter Schwefelsäure versetzt und mit
dem Pistill so lange verrieben, bis eine breiige Flüssigkeit entstanden ist. Mit Wasser ist
dann vorsichtig zu verdünnen. In einem Becherglas wird anschließend etwa 5 Minuten
lang erhitzt (Ergänzung des verdampften Wassers nicht vergessen!). Nach der
Neutralisation mit Natronlauge gegen Indikatorpapier wird mit Fehling bzw. mit
Glucosetespapier geprüft. In beiden Fällen positive Reaktion! [16]
Erklärung: Da Watte aus reiner Cellulose besteht, werden durch die Hydrolyse die
fadenförmigen Cellulosemoleküle zu Glucose abgebaut. (Siehe Herstellungsverfahren)
29
________________________________________________________________________
Abb. 20: Glucose aus Zellulose
3.8.2 Die alkoholische Gärung
In die jeweils entstandenen Produkte der sauren Hydrolyse gibt man einige ml
aufgeschlemmte Hefe.
Abb. 21: Ethanolherstellung aus
Abb. 22: Ethanolherstellung aus
Stärkehydrolysat
Zellulosehydrolysat
30
________________________________________________________________________
3.8.3 Die Destillation des Alkohols
Das Gärungsprodukt wird destilliert.
Abb. 17: Aufbau der Destillation
Anmerkung: Die Temperatur blieb im Bereich zwischen 80°C und 85°C längere Zeit
konstant. Hier destillierte auch der Hauptteil des Gemenges ab und nicht direkt am
Siedepunkt von Ethanol.
31
________________________________________________________________________
3.8.4 Der Alkoholnachweis
Chemikalien: Cerammoniumnitrat, Alkohol
1 ml Ethanol wird mit 5 ml destilliertem Wasser versetzt. In ein zweites Glas gibt man
6 ml Wasser. Dann gibt man jeweils 5 ml des Reagenzes Cerammoniumnitrat (eine
Spatelspitze in 10 ml Wasser gelöst) zu und vermischt gut. Die Farbe wird sofort beurteilt,
da sie mit der Zeit verblasst.
Ergebnisse:
Bei Ethanol färbt sich die Lösung tiefrot. Die Wasserprobe ist orange gefärbt.
[vgl. 17]
Abb. 18: Alkoholnachweis
Die Abb. 24 zeigt, dass in den Gärungsprodukten die Ethanolkonzentration für einen
positiven Nachweis zu gering ist (rechts im Bild orange Färbung).
In den Destillaten (links im Bild rote Färbung) ist ein positiver Nachweis erfolgt.
32
________________________________________________________________________
4 Zusammenfassung/Ausblick
Da der Rohölmarkt starken Preisschwankungen ausgesetzt ist, erfreuen sich alternative
Kraftstoffe immer größerer Beliebtheit. Es wird prognostiziert, dass die Energie- und
Erdölpreise weltweit steigen werden.
Auch die Autoindustrie spricht sich mittlerweile für eine verstärkte Verwendung von
Biokraftstoffen aus. So hat sich Daimler Chrysler z.B. verpflichtet, Fahrzeuge zu
konstruieren, die mit einem Anteil von 10% Biokraftstoffen betrieben werden können.
Autohersteller allgemein erhoffen sich Gutschriften bei den CO2-Emissionswerten ihrer
Fahrzeuge, wenn sie verstärkt Biokraftstoffe verwenden. Somit dürfte dies zu einer
erheblich größeren Nachfrage nach Bioethanol führen.
2003 hat das Europäische Parlament eine Richtlinie verabschiedet, wonach bis zum Jahr
2005 biogene Kraftstoffe einen Anteil von mindestens 2 % des gesamten
Kraftstoffverbrauchs erreichen sollen. 2010 soll dieser Wert auf 5,75% angehoben
werden. Dieses Vorhaben soll die Umwelt schonen, aber auch gleichzeitig die
Abhängigkeit von Erdöl senken.
Österreichs Ziele liegen sogar über den EU-Vorgaben (2,5 % bis 2005 | 4,3 % bis 2007 |
5,75 % bis 2008). Es wurde sogar eine Substitutionspflicht eingeführt, da es Änderungen
der Kraftstoffverordnung und des Mineralölsteuergesetzes gab. Die Bioethanolanlage
Agrana in Niederösterreich sollte den österreichischen Markt für E5 decken. Produziert
wird Ethanol in Österreich auf der Basis von Weizen, Mais und Zuckerrüben.
Problematisch ist die Situation in der EU-25. In den verschiedenen Ländern werden
unterschiedliche Systeme zur Förderung von Biokraftstoffen angewendet. Diese
unterstützen in erster Linie heimische Produzenten. Ausländische Mitbewerber haben
dagegen
meist
keine
Biokraftstoffmarktes
Chance.
nicht
Dies
förderlich.
ist
Hier
für
die
weitere
Entwicklung
des
sollte die EU-Kommission gleiche
Bedingungen für einen funktionierenden Wettbewerbsmarkt schaffen.
33
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Literaturverzeichnis
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ww.saubereautos.at/news/superethanol/bioethanolwerk_geht_in_betrieb/&usg=
__1mGSeIE60zZJUjzruRmlLMWrrcI=&h=201&w=300&sz=15&hl=de&start
=14&um=1&tbnid=FYfdGsRvvzOywM:&tbnh=78&tbnw=116&prev=/images
%3Fq%3DAgrana%2Bwerk%2BPischelsdorf%26um%3D1%26hl%3Dde%26s
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Kastenhuber, Martin; Bioethanol – Kraftstoff der Zukunft? Hamburg; 2007
[18]
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[19]
Agrana_Lehrpfad_Bioethanol_2007.pdf
[20]
selbst fotografiert
[21]
selbst fotografiert
[22]
selbst fotografiert
[23]
selbst fotografiert
[24]
selbst fotografiert
35
________________________________________________________________________
Anhang
Arbeitsprotokoll
Sommerferien
2008
Entschluss eine Fachbereichsarbeit in Chemie zu schreiben und
Themensuche
September 2008
Einlesen in das Thema und Titelwahl; Suche nach Literatur und
Kontaktpersonen mit Hilfe von Mag. Elisabeth Klemm
Oktober 2008
Erstellen und einreichen der Disposition
SeptemberFebruar (08/09)
Verfassen des Theorieteils und erste Versuche zum Thema
Ethanol im Rahmen des Chemie-Kurses
November 2008
Intensive Literatursuche für den theoretischen Teil
Dezember 2008
Beschaffung von Literatur, unter anderem das Skriptum der TU
Graz
Mitte Dezember
2008
Besprechung mit Frau Prof. Klemm über die weitere
Vorgehensweise (Ziele, Probleme, Aufbau etc)
Weihnachtsferien
2008/09
Anfang Jänner
2009
Fortschreitendes Arbeiten
Mitte Jänner
2009
Verstärkter E-Mail-Verkehr von Mag. Elisabeth Klemm mit
verschiedenen Kontaktpersonen (siehe Vorwort) – zum Teil kein
Ergebnis
Februar 2009
Einarbeitung der neuen Erkenntnisse in die Arbeit
16. Februar
Besprechung mit Frau Prof. Klemm; Korrekturen
25. Februar
Letzte Besprechung; Letzte Änderungen und Korrekturen;
Layouterstellung
27. Februar
Abgabe
Regelmäßige Besprechungen im Chemie-Kurs, Abgabe der
bisherigen Arbeit
Disposition
Benzin und Bioethanol im Vergleich
Peter Korajman
BRG Graz, Petersgasse
Chemie
Klemm Elisabeth Mag.
Angestrebte Ziele der Arbeit und persönlicher Bezug zum Thema
Ziel der Arbeit ist es, Benzin und dessen Alternativkraftstoff Ethanol genauer unter die Lupe
zu nehmen. Dabei sollen Vor- und Nachteile, Umweltbedenken etc. erläutert werden. Der
Grund für die Themenwahl ist persönliches Interesse.
Inhaltliche Grobgliederung
Theoretischer Teil:
Allgemeines und Historisches
Vergleich beider Kraftstoffe:
Gewinnung
Zusammensetzung
Motor
Verbrennungsenergie
Abgasausstoß
Katalysator
relevante physikalische Eigenschaften
Praktischer Teil:
Gewinnung des Ethanols aus verschiedenen Ausgangsmaterialien (Weizen, Mais,
Zuckerrüben)
Eigenschaftsüberprüfungen bei Benzin und Ethanol
Voraussichtliche Schwerpunkte der Arbeit
Vergleich der Motoren und der Umweltbelastung
Voraussichtlich verwendete Methoden und zur Verfügung stehende Unterlagen und
Hilfsmittel
Experimente
Mündliche Quellen:
Dr. Renate Uitz, Fuels Scientist, Shell Global Solutions GmbH, PAE-Labor, Hamburg
Ing. Gerhard Sailer, KFZ-Technik WIFI Steiermark
Fachliteratur, Internetquellen, Skripten:
W. Beyer: Organische Chemie
M. Kastengruber: Bioethanol – Kraftstoff der Zukunft?
Schulungsunterlagen der OMV, Wien
Unterlagen der TU Graz
http://www.shell.com/home/content/aboutshell/our_business/oil_products/fuels/biofuels/biofuels.html