ALTERNATIVE KRAFTSTOFFE

Abbildung oben Mitte:
Das Foto zeigt, welche Kraftstoffe an den meisten Tankstellen erhältlich sind: Super, Super Plus, Super E10, Diesel. Einige Tankstellen bieten zusätzlich Bio-Diesel oder Autogas an. Bedingt durch die Abnahme der verfügbaren Erdöl-Ressourcen wurden um die Jahrtausendwende verschiedene alternative Kraftstoffe entwickelt. Besonders bei den Bio-Kraftstoffen (Biodiesel, Ethanol) zeigte sich, dass diese nicht im ausreichenden Maße und nachhaltig produziert werden können, um den weltweiten Bedarf zu decken

Die Bestände an fossilen Energieträgern sind begrenzt und der Ausstoß von Kohlenstoffdioxid muss weltweit gesenkt werden. Die Kapazitäten und die Leistungsfähigkeit von elektrischen Energiespeichern (Lithium-Ionen-Akku) konnte in den letzten Jahren so weit entwickelt werden, dass inzwischen Elektrofahrzeuge mit Reichweiten über 500 km auf dem Markt erhältlich sind. Einige Länder (Norwegen, Österreich, Niederlande) überlegen sogar, in Zukunft nur noch Fahrzeuge mit Elektroantrieb neu zuzulassen. Voraussetzung ist, dass die benötigte elektrische Energie nachhaltig gewonnen wird (erneuerbare Energien, z. B. Wasserkraft, Windkraft).

Es ist davon auszugehen, dass der Elektroantrieb den Verbrennungsmotor in naher Zukunft ablösen wird. Die Entwicklung und Verwendung von „alternativen“ Kraftstoffen scheint daher nur eine Übergangslösung zu sein, denn unter Nachhaltigkeitsbetrachtungen erweisen sie sich oft nicht als Alternative.

Die abgebildeten Strukturformeln stellen konventionelle und alternative Kraftstoffe dar, die von den Schülerinnen und Schülern als Übung zugeordnet bzw. erkannt werden sollen:

Formeln links von oben nach unten:
1 + 2: Name und Formelbeispiel für Biodiesel (Octadecansäuremethylester)
3 Name Ethanol
4 Strukturformel von Methylnaphthalin = Cetanzahl 0 = Referenzverbindung für die Cetanzahl
5 Strukturformel von Heptan, Bestandteil von Benzin
6 Name Iso-Oktan = Oktanzahl 100 = Referenzverbindung für die Oktanzahl (auch Octan und Octanzahl)

Formeln rechts von oben nach unten:
1 Name Hexadecan = Cetan = Cetanzahl 100 = Referenzverbindung für die Cetanzahl
2 Summenformel von Cetan
3 Summenformel Ethanol
4 Iso-Oktan = Oktanzahl 100 = Referenzverbindung für Oktanzahl
5 Name Cetan
6 Name Methan
7 Strukturformel von Methan
8 Strukturformel Ethanol
9 Name Methylnaphthalin (ohne Strukturformel)

Biodiesel, Kraftstoff aus flüssiger Biomasse
Hierzulande wird Biodiesel an verschiedenen Tankstellen angeboten und ist daher am bekanntesten. Er wird bei uns fast ausschließlich aus Rapsöl gewonnen, obwohl auch Altspeiseöl und Tierfette infrage kommen. Die im Frühjahr strahlend gelb blühenden Rapsfelder kennt inzwischen jeder.

Abbildungen unten links:
Rapssamen haben einen Ölgehalt von etwa 40 %. Aus ihnen wird das Öl in der Ölmühle (s. Foto unten links) kalt gepresst oder extrahiert (siehe Kopiervorlage 19, Versuche 1a + 1b). Wegen seiner hohen Viskosität kann Rapsöl nur in umgerüsteten Dieseltriebwerken verwendet werden, z. B. in landwirtschaftlichen Fahrzeugen. Diese erreichen aber weder die Abgasnorm Euro-4 noch Euro-5. Damit es auch in Dieselfahrzeugen im Straßenverkehr genutzt werden kann, lässt man das Rapsöl mit Methanol zu Fettsäuremethylester (Rapsölmethylester RME) reagieren (Umesterung). Hier bietet sich wieder die Thematisierung des Zusammenhangs zwischen Molekülgröße, zwischenmolekularer Anziehungskraft und Viskosität an.

Umesterung von Pflanzenöl mit Methanol

Das für die Umesterung verwendete Methanol wird aus Methan gewonnen, welches wiederum aus Erdgas stammt, also nicht aus erneuerbaren Energiequellen. Eine Umesterung mit Biomethanol oder -ethanol ist aber ebenso denkbar. Dann wäre ein reiner Bio-Kraftstoff zu erzielen. Nicht in allen Dieselmotoren darf Biodiesel in höheren Konzentrationen verbrannt werden, da Gummi- und Kunststoffteile des Motors bei nicht angepassten Fabrikaten angegriffen werden können. Hier ist im Zweifelsfall eine Händleranfrage nötig. Außerdem verträgt sich Biodiesel nicht mit dem Additiv, das einige Hersteller zum Freibrennen des Partikelfilters verwenden. Kritisch zu sehen ist, dass der CO₂-Ausstoß von Biodiesel zwar ca. 65 % unter dem von konventionellem Diesel-Kraftstoff liegt, jedoch beim Rapsanbau andere Treibhausgase entstehen. Der Ausstoß von Formaldehyd und von Ozon erzeugenden Kohlenwasserstoffen steigt sogar an. Inzwischen ist die Verwendung von Ackerflächen für die Produktion von Kraftstoffen in die Kritik geraten, weil sie in Konkurrenz zum Nahrungsmittelanbau tritt und die Preise für Grundnahrungsmittel weltweit steigen. Dieses Thema lässt sich anhand der Folie auch sehr gut fächerübergreifend in Politik, Sozial- und Wirtschaftskunde oder Erdkunde aufgreifen.

Bioethanol
Auch Bioethanol (siehe Kopiervorlage 20, Versuch 2a + 2b) ist als Kraftstoffalternative ein Begriff. Bioethanol entsteht durch Gärung aus zucker- und stärkehaltigen Pflanzen, z. B.

Stärke wird vor der Gärung enzymatisch in Zucker umgewandelt. Diesen Umwandlungsprozess kann übrigens jeder schmecken, da unser Speichel ein solches Enzym (Ptyalin) enthält. Wenn wir uns also die Zeit nehmen, ein Stück trockenes Brötchen fünf Minuten lang zu kauen, ohne es herunterzuschlucken, dann merken wir, wie sich der Stärkegeschmack in Süße umwandelt. Die Vergärung des Zuckers entspricht genau dem Vorgang, mit dem auch alle Gärungsgetränke (z. B. Wein, Bier) hergestellt werden. Es lohnt sich an dieser Stelle mit den Schülerinnen und Schülern über die Bedeutung der heute so beliebten Vorsilbe „Bio“ zu sprechen. Zwar wird Alkohol auch synthetisch auf Erdölbasis aus Wasser und Ethen mit Schwefelsäure als Katalysator hergestellt, aber das klassische (biologische) Gärungsverfahren überwiegt deutlich.

C₆H₁₂O₆ → 2 C₂H₅OH + 2 CO₂

Die Gärung dauert 72–90 Stunden, dabei wird ein Alkoholgehalt von 12 – 18 Vol.% erreicht. Durch anschließende Destillation und Rektifikation in der Kolonne erzielt man eine Konzentrierung auf maximal 96 Vol.% Alkohol. (Alkohol und Wasser bilden ein azeotropisches Gemisch, das sich durch Destillation nicht vollständig trennen lässt; um 100%igen Alkohol zu gewinnen, verwendet man Trocknungsmittel wie wasserfreies Kupfersulfat oder gebrannten Kalk (CaO). Dies ist aber für den Alkohol als Kraftstoff nicht erforderlich.)
Bioethanol ist als Kraftstoff in Brasilien und Schweden sehr verbreitet. Der CO₂-Ausstoß entspricht genau der durch die Pflanzen eingebundenen Menge. Allerdings wird bei der Herstellung Energie benötigt, deren CO₂-Bilanz in die Berechnung einbezogen werden muss und die stark von dem Energieträger abhängt, der hierzu eingesetzt wird. Zuckerrohr hat eine besonders günstige Bilanz, weil die ganze Pflanze verwendet werden kann.
Motoren müssen an Ethanol als Treibstoff angepasst werden, bzw. FlexiFuel-Vehicle sein, wie sie einige Firmen anbieten (z. B. Ford, Saab, Volvo).
In Deutschland werden dem Benzin zurzeit 5 % (Super) bis 10 % (Super E10) Bioethanol beigemengt. Aus Bioethanol wird jedoch Bio-Ethyl-Tertiär-Butylether (ETBE) hergestellt, der dem Benzin bis zu 15 Vol.% ohne weiteres zugemischt werden kann und dessen Klopffestigkeit erhöht. In Deutschland beträgt der gesetzlich vorgeschriebene Anteil von Bio-Kraftstoffen 6,25 % (Bio-Kraftstoffquote). Die Verwendungsmöglichkeiten von Methyl-Tertiär-Butylether (MTBE) werden zurzeit kritisch untersucht, da Verunreinigungen im Trinkwasser auftraten. In einigen Ländern ist die Verwendung von MTBE daher verboten. In Deutschland wird ausschließlich ETBE verwendet.
ETBE entsteht aus der Reaktion von 60 % Ethanol mit 40 % 2-Methyl-Propen:

BtL (Biomass-to-Liquid)

Kraftstoffe aus fester Biomasse
BtL-Kraftstoffe werden auch „Designer-Kraftstoffe“ genannt, weil man ihre Zusammensetzung durch die Synthesebedingungen fast beliebig variieren kann. Deshalb kann man Otto-Kraftstoff (SunFuel, SynFuel) ebenso wie Diesel-Kraftstoff (SunDiesel) durch BtL ersetzen.Ausgangsstoffe für BtL-Kraftstoffe sind reichlich vorhanden:

Verfahren:

In die Produktion dieser Bio-Kraftstoffe werden große Hoffnungen gesetzt. Sie sind heute bei uns allerdings noch nicht verfügbar. BtL-Kraftstoffe haben eine hohe Reinheit und sie verursachen weniger Emissionen als die Erdölfraktionen. Betrachtet man darüber hinaus den Ertrag pro Hektar Anbaufläche, wird dieser Bio-Kraftstoff, bei Ausbau und Optimierung der Produktionsanlagen, sicher Zukunft haben, zumal seine Ausgangsstoffe nicht in Nahrungsmittelkonkurrenz stehen.

Biomethan/Biogas

Abbildung links Mitte: Biomethan entsteht durch anaeroben Abbau von organischen Stoffen durch Mikroorganismen:

Als Rückstand entsteht ein Gemisch aus Wasser, nicht abgebauten organischen Stoffen (meist cellulosereiche oder holzige Stoffe) sowie anorganischen Stoffen wie Sand und Mineralien.

Biogas enthält je nach Ausgangsmaterial:

Methangas ist schon als fossiler Kraftstoff bekannt und als solcher an etlichen Tankstellen für entsprechend umgerüstete, bzw. ausgestattete Fahrzeuge erhältlich. Man braucht einen Tankdruck von 200 bar, d. h. man benötigt schwere Druckgasbehälter, die im Fahrzeug untergebracht werden müssen und ein erhebliches Eigengewicht beisteuern. Andererseits wird Erdgas bis 2018 steuerlich gefördert und führt oft auch zu niedrigeren Versicherungsprämien.

Außerdem hat es deutlich bessere Abgaswerte:

Um Biomethan als Kraftstoff zu nutzen, muss es gereinigt werden, außerdem muss eine gleichbleibende Zusammensetzung gewährleistet sein. (Heute wird Biomethan noch überwiegend in Gasmotoren für Generatoren zur Stromerzeugung genutzt. Trennt man das CO₂ ab, kann es wie Erdgas ins Netz eingespeist werden.) Die bisher dargestellten alternativen Kraftstoffe werden aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt. Man sollte deshalb eine Vorstellung davon entwickeln, was das für unsere Landwirtschaft und die Verfügbarkeit der Kraftstoffe bedeutet.

LPG Liquefied Petroleum Gas, Autogas, Flüssiggas
Wer gelegentlich in die Niederlande fährt, kennt eventuell auch die Tankstellen mit dem LPG Zeichen. Auch in etlichen anderen europäischen Nachbarstaaten ist Autogas als Kraftstoff für Ottomotoren etabliert. In Deutschland steigt die Zahl der Nutzer, besonders aufgrund der steuerlichen Förderung. Hierzulande muss LPG nach DIN EN 589 mindestens 95 % Propan und Propen enthalten (dabei muss Propan überwiegen), der Rest ist Butan und Buten. Autogas wird bei der Erdölförderung, in den Raffinerien und auch als Begleitgas bei der Erdgasförderung gewonnen, sozusagen als „Abfallprodukt“. Es ist in gasförmigem Zustand etwas schwerer als Luft und wird bei einem Druck von acht bar flüssig, wobei es sein Volumen auf 1/260 verringert. Das heißt, dass 1.000 Liter gasförmiges Gas nur knapp vier Litern flüssigem Gas entsprechen. Für die Verflüssigung wird wesentlich weniger Druck benötigt, als bei Methan oder gar Wasserstoff. Dies können Schülerinnen und Schüler am Beispiel des Butans sehr leicht verstehen. Die billigen Kunststofffeuerzeuge halten dem Druck des verflüssigten Butans bereits stand. Propan hat einen niedrigeren Siedepunkt als Butan, muss also unter höherem Druck als Butan verflüssigt werden, dieser liegt aber noch sehr weit unter dem Druck, der für Methan benötigt wird. Die Abgaswerte von LPG sind bezogen auf den CO₂– und Stickoxidausstoß deutlich günstiger als die von Benzin, außerdem entstehen weniger unverbrannte Kohlenwasserstoffe. Solange Erdöl zur Kraftstoffproduktion genutzt wird, ist Autogas eine sinnvolle und umweltschonende Ergänzung des Angebotes.

Abbildung rechts Mitte:
Die Abbildung „Bio-Kraftstoffe im Vergleich“ lässt sich gut durch die Angaben der Tabelle „Effizienz der Bio-Kraftstoffe“ ergänzen. Die Zahlen differieren allerdings etwas, weil ein unterschiedlicher Verbrauch auf 100 km zugrunde gelegt wurde (auf der Folie: Ottomotor 7,4 l/100 km und Diesel 6,1 l/100 km). Die Abbildung auf der Folie berücksichtigt außerdem die zusätzliche Nutzung des Biomethans, das jeweils aus den Resten der Produktion gewonnen werden kann.

Hier wird der jährliche Literertrag von einem Hektar Anbaufläche der alternativen Kraftstoffe dargestellt. Die Leistung im Motor wird mit dem Kraftstoff verglichen, der ersetzt wird = Effizienz oder Kraftstoffäquivalent. Daraus errechnet sich die Reichweite in Kilometern. Ein Hektar (10.000 m²) ist kaum mehr als ein Fußballfeld. Betrachtet man den Biodiesel in dem Effizienzdiagramm, so entspricht der Ertrag dieser Fläche der jährlichen Fahrleistung vieler Bundesbürger. Bei einer Fahrzeugdichte von mehr als 40 Millionen Fahrzeugen in der Bundesrepublik brauchte man allerdings eine Fläche von 40 Millionen Hektar! Die Fachagentur für nachwachsende Rohstoffe (FNR) prognostiziert für 2020 eine Gesamtanbaufläche für Energiepflanzen von 3,5 Millionen Hektar. Diese Fläche würde dann, sofern man sie ausschließlich für die Gewinnung von Kraftstoffen für straßentaugliche Fahrzeuge verwendet, etwa ein Viertel des Bedarfs decken. So sieht man in der Abbildung rechts unten auch, dass für das Jahr 2020 ein Anteil an Bio-Kraftstoffen von einem Viertel des Gesamtverbrauchs angenommen wird. Dies kann tatsächlich nicht über die Anbaufläche, sondern nur über eine drastische Einsparung von Kraftstoff erreicht werden. Dafür sind technische Verbesserungen nötig, aber auch entscheidend die Verantwortung der Autofahrer, die durch spritsparendes Fahrverhalten den Kraftstoffverbrauch ihres Autos deutlich senken können.

BRENNSTOFFZELLE IM AUTO

Autos, die keine fossilen Brennstoffe benötigen, sondern Wasserstoff tanken und anstelle von einem Verbrennungsmotor mit einer Brennstoffzelle und einem Elektromotor fahren, sind die Vision für das neue Jahrtausend. Als Prototyp gibt es sie inzwischen schon von den meisten Autofirmen. Aus ihrem Auspuff kommen keine Schadstoffe mehr, sondern lediglich heißer Wasserdampf. Doch wie funktionieren sie?

Das Prinzip der Brennstoffzelle:

Eine Brennstoffzelle für das Auto ist kaum größer als eine Autobatterie. In ihr reagieren Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser; dabei wird elektrische Energie und Wärme freigesetzt. Üblich im Automobilbau sind Brennstoffzellen, die wie ein Sandwich aufgebaut sind: Eine solche Membrane Electrode Assembly (MEA) = Membran-Elektroden-Einheit, ist etwa 2 mm dick.
Zwei gasdurchlässige Elektroden sind durch eine Polymerelektrolytmembran (PEM) von etwa 0,1 mm Durchmesser voneinander getrennt, die eine Vermischung der Gase verhindert und protonendurchlässig ist. An die Anodenseite wird Wasserstoffgas zugeführt, an der Kathodenseite Sauerstoff, bzw. Luft, als Elektrolyt dient Wasser. Fein verteiltes Platin in den Elektroden dient jeweils als Katalysator für die Reaktionen.
An der Anode werden Wasserstoffmoleküle mithilfe des Katalysators zuerst in Atome gespalten und diese anschließend jeweils in ein Proton und ein Elektron zerlegt. Nur die Protonen wandern durch die Membran zur Kathodenseite, sodass an der Anode ein Elektronenüberschuss, also ein Überschuss an negativer Ladung entsteht, während sich die Kathode durch die Protonen positiv auflädt. Zwischen Anode und Kathode entsteht so eine elektrische Spannung und wenn man die beiden Elektroden nun außerhalb der Zelle leitend miteinander verbindet, fließt ein Strom. An der Kathode werden die Sauerstoffmoleküle katalytisch in Atome gespalten, die jeweils zwei Elektronen aufnehmen und mit den Wasserstoffprotonen zu Wasser reagieren, das als Wasserdampf entweicht. Außer der gewonnenen elektrischen Energie entsteht also auch noch Wärme.

In dem kleinen Trickfilm wird dieser kontinuierliche Vorgang anschaulich in einzelne Schritte zerlegt:

Brennstoffzelle

Schritt 1: Anode: H₂ → 2 H (am Katalysator),
2H → 2 H⁺ + 2 e^–
Schritt 2: Die Protonen (H⁺) wandern durch die Elektrolytmembran
Schritt 3: Die Elektronen (e^–) wandern über den äußeren Draht zur Kathode
Schritt 4: Im Draht fließt Strom => die Lampe leuchtet
Schritt 5: Kathode: O₂ → 2 O (am Katalysator),
2 O + 4 e^– → 2 O_2-
Schritt 6: O^2- + 2 H⁺ → H₂O
Schritt 7: H₂O steigt als Wasserdampf auf

Über 60 % der im Wasserstoff steckenden Energie werden in der Brennstoffzelle in Strom umgewandelt. Die theoretische Spannung für eine solche Wasserstoff-Sauerstoffzelle beträgt 1,23 Volt, praktisch erzielt man etwa 1 Volt pro Zelle. Man fasst daher einige Hundert solcher Zellen zu Stapeln (stacks) zusammen, die dann eine Ausgangsspannung von mehreren 100 Volt liefern. Die elektrische Energie treibt den Elektromotor an und versorgt weitere Systeme, wie Kompressor und Kühlwasserpumpe. Die derzeit eingesetzten Brennstoffzellen sind in der Regel Niedertemperatur-Brennstoffzellen (NT-BZ). Das VW-Versuchsmodell des Jahres 2008 soll beispielsweise mit Brennstoffzellen-Stacks von 100 kW Leistung und mit einem 700 bar Wasserstofftank ausgestattet sein. Außerdem soll eine Rückgewinnung der Bremsenergie technisch realisiert werden.

Nachteile der Niedrigtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle [NT-PEM-BZ]:

Bei diesem Brennstoffzellen-Typ ist keine Gasbefeuchtung nötig (Platz -und Kostenersparnis), aber es entsteht wie bei der NT-PEM-BZ an der Kathode Produktwasser. Dieses kann die Elektroden dauerhaft schädigen. Dieses Problem wurde inzwischen durch einen neuen Elektrodentyp gelöst.

Vorteile der Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle [HT-PEM-BZ]:

Voraussetzung für einen BZ-Antrieb ist jedoch immer eine Wasserstoffgewinnung, die allen Ansprüchen der heutigen umweltschonenden Energieerzeugung genügt. Ideal wäre Erzeugung von Wasserstoff durch Solarenergie, sobald diese eine ausreichend positive Energiebilanz aufweisen kann. Eine solche Anlage lässt sich in der Schule sehr schön an den diversen im Handel erhältlichen Brennstoffzellen-Modellautos darstellen [s. Abbildung]. Die links sichtbare Solarzelle erzeugt die Energie zur Spaltung des Wassers im Tank auf der rechten Seite. Die Gase Wasserstoff und Sauerstoff werden in den beiden Gastanks im Wasser gesammelt, wobei der Wasserstofftank natürlich doppelt so groß ist wie der Sauerstofftank. (Da die Beleuchtung der Solarzelle mit Sonnenlicht sich im Unterricht meist als zu langsam erweist, hilft das im Umlenkspiegel reflektierte Licht des Tageslichtprojektors oder eine ähnlich starke Lichtquelle, das Prinzip im überschaubareren Zeitrahmen zu demonstrieren.) Sind die Gastanks gefüllt, werden die Gase in die Brennstoffzelle geleitet, der Motor wird angetrieben. Die Gastanks leeren sich unter Rückbildung von Wasser.

Die Elektrolyse des Wassers entspricht den Vorgängen im Hoffmannschen Wasserzersetzungsapparat.

Hoffmannscher Wasserzersetzungsapparat:

Kathodenreaktion:
4 H₃O⁺ + 4e^– → 2H₂ + 4 H₂O

Anodenreaktion:
6 H₂O → 4 H₃O⁺ + O₂ + 4 e^–

Gesamtreaktion:
2 H₂O → 2 H₂ + O₂

Die aktuelle Diskussion um den Verbrauch und die Endlichkeit fossiler Energieträger, den Klimawandel und den Umweltschutz fokussiert sich sehr stark auf den Anteil, den die steigende Zahl von Kraftfahrzeugen an diesen Problemen hat.
In der Europäischen Gemeinschaft fallen 30 % des Energieverbrauchs auf den Verkehrssektor, mit steigender Tendenz. Die Erzeugung und Verwendung von Biokraftstoffen könnte zu einer Verringerung der Abhängigkeit von Energieeinfuhren und der Treibhausgasemission beitragen.
[nach: Biokraftstoff Richtlinien des Europäischen Parlaments vom 8. Mai 2003]

Biokraftstoffe, die direkt aus nachwachsender Biomasse gewonnen werden, sind im letzten Jahr jedoch stark in die Kritik geraten. Weltweit gehen große Anbauflächen für die Nahrungsmittelproduktion verloren, wenn stattdessen Pflanzen für die Produktion von Kraftstoffen angebaut werden.

Zu diesen Biokraftstoffen aus nachwachsender Biomasse gehören:

Umso mehr setzt man heute Hoffnungen in Verfahren, mit denen sonst kaum noch verwertbare Biomasse zu Biomass-to-Liquid-(BtL)-Kraftstoffen verarbeitet wird. Die Palette der Ausgangsstoffe ist vielseitig und steht nicht in Konkurrenz zu anderen Verwendungsmöglichkeiten.

Produktion von Biomass-to-Liquid-(BtL)-Kraftstoffen

Das Verfahren lässt sich in zwei Verfahrensabschnitte unterteilen:

Diese Anlage vereint beide Verfahrensabschnitte: