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Facharbeit: Bioethanol als Treibstoff

Alles zu Alkohole

Kaiser-Karls-Gymnasium Aachen


Schuljahr 2004/2005
Facharbeit aus dem Differenzierungskurs Biologie/Chemie
Bioethanol als Treibstoff
Verfasserin: Maike Mehlkopf
Differenzierungskurs: Biologie/Chemie
Kursleiter: Herr Knechten
Ausgeben am 11.02.2005
Abgabetermin: XX.04.2005

Eidesstattliche Erklärung
Ich versichere, dass ich die vorliegende Facharbeit selbstständig verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel verwendet habe.
____________________ __________________________________
Datum Unterschrift
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung 4
2. Bioethanol allgemein 4
2.1. Was ist Bioethanol? 4
2.2. Entstehung von Bioethanol 4
2.2.1. Welche Pflanzen erzielen den höchsten Ethanolertrag? 4
2.2.2. Gewinnung von Ethanol 4
2.3. Steckbrief des Bioethanols 5
3. Verwendung des Bioethanols als Treibstoff 5
3.1. Allgemeines 5
3.2.Ist Bioalkohol als Treibstoff rentabel? 5
3.3. Was halte ich von der Verwendung des Bioethanols als Treibstoff? 6
3.4. Bioethanol – In anderen Ländern schon eine Alternative zu konventionellen Treibstoffen 7
3.4.1. Brasilien 7
3.4.2. USA 7
3.4.3. Frankreich 7
3.4.4. China 7
3.4.5. Kanada 7
3.5. Politische Rahmenbedingungen 7
3.5.1. EU Richtlinien 7
3.5.2. Deutsche Richtlinien 8
3.6. Steckbrief Ethanol-Kraftstoff 8
4. Vergleich von Biodiesel und Bioethanol 9
5. Zusammenfassung 9
6. Literaturverzeichnis 10

1. Einleitung
Zu Beginn dieser Arbeit gebe ich einen kurzen Überblick über allgemeine Aspekte des Bioethanols. Es folgen die Entstehung von Bioethanol und ein kurzer Steckbrief.
Als nächstes habe ich mich der Verwendung des Bioethanols als Treibstoff gewidmet, dieser Abschnitt beginnt ebenfalls mit einem kurzen Überblick über allgemeine Aspekt. Gefolgt von einer Pro und Kontra Argumentation zur Frage „Ist Bioalkohol als Treibstoff rentabel?“, in der auch verschiedene Ausgangsstoffe zur Ethanolherstellung unter Berücksichtigung des Kostenfaktors erläutert werden. Nach meiner eigenen Meinung zu diesem Thema folgen noch einige Beispiele aus anderen Ländern, politische Rahmenbedingungen sowohl der EU als auch Deutschlands und ein Steckbrief des Ethanol-Kraftstoffs.
Nach diesem sehr ausführlichen und informativen Einblick in die Verwendung des Bioethanols als Treibstoff, folgt ein Vergleich von Biodiesel und Bioalkohol.
Zum Schluss sind noch einmal alle wichtigen Fakten kurz zusammengefasst.
2. Bioethanol allgemein

2.1. Was ist Bioethanol?
Bioethanol (oder umgangssprachlich Bioalkohol) ist die Bezeichnung für Alkohol, also Ethanol aus biologischer Herkunft, dass heißt aus alkoholischer Gärung.
2.2. Entstehung von Bioethanol
Generell eignen sich alle Pflanzen mit hohem Zucker- oder Stärkegehalt zur Alkoholgewinnung. Aus landwirtschaftlicher Sicht stehen in unseren Breiten für die Erzeugung von Ethanol neben den Getreidearten einschließlich Mais und Zuckerhirse vornehmlich die zucker- und stärkehaltigen Knollen- und Wurzelfrüchte zur Verfügung.
2.2.1. Welche Pflanzen erzielen den höchsten Ethanolertrag?
Studien haben ergeben, dass man mit Zuckerrüben den weitaus besten Ethanolertrag erzielt.
Seit zehn Jahren werden allerdings besonders leistungsfähige Arten der aus Afrika stammenden Zuckerhirse gezüchtet, die nun zum Anbau in Deutschland zur Verfügung stehen.
Eine weitere Pflanze mit sehr hohem Zuckergehalt, die allerdings auch nur in tropischen Regionen der Erde anbaubar ist, ist das Zuckerrohr. Es wird in südamerikanischen Ländern bereits zur Ethanolgewinnung herangezogen.

2.2.2. Gewinnung von Ethanol
Zucker oder Stärke werden aus den Pflanzen herausgelöst, diese Lösung mit Wasser und Hefe gemischt und vergoren. Bei der Vergärung entsteht neben Alkohol auch Kohlenstoffdioxid, dieser Vorgang läuft entsprechend der Formel C6H12O6 ( 2C2H5OH + 2CO2 ab. Nach dem Gärungsvorgang werden die Feststoffe herausgefiltert, sodass ein Wasser-Ethanolgemisch entsteht. Hochprozentiges brennbares Ethanol wird nach mehrmaliger Destillation gewonnen.
2.3. Steckbrief des Bioethanols
Chemische Formel C2H5OH
Schmelzpunkt -114,4 °C
Siedepunkt 78,3 °C
Flammpunkt 13 °C
Zündtemperatur 425 °C
Dichte 0,789g/cm³
Explosionsgrenze 3,4-15 Vol%
maximale Arbeitsplatzkonzentration [MAK] 1000ppm = 1900mg/m³
Strukturformel
Eigenschaften farblos, würzig riechend,
brennend schmeckend
Gefahrenbezeichnung leicht entzündlich
Mischbarkeit in jedem Verhältnis mit
Wasser
3. Verwendung des Bioethanols als Treibstoff

3.1. Allgemeines
Bioethanol als Treibstoff aus nachwachsenden Rohstoffen gewinnt immer mehr an Bedeutung. Vor allem für die südlichen ärmeren Länder mit guten Wachstumsbedingungen für die kohlenhydratreichen Pflanzen ist dies ein Alternative zum Import von Erdöl und Erdgas.
Während Pflanzenöl und Biodiesel für Dieselmotoren geeignet sind, kann Bioethanol Ottokraftstoffe, also Benzin und Superkraftstoffe, ersetzen. In Deutschland wird Bioethanol mit der Inbetriebnahme der ersten großen Ethanolfabrik (in Zeitz) zur Zeit in den Kraftstoffmarkt eingeführt. Gesetzlich zulässig ist eine 5-prozentige Beimischung zu Ottokraftstoffen durch die Mineralölhersteller. In speziell dafür angepassten Verbrennungsmotoren kann jedoch auch reines Bioethanol verwendet werden.
3.2.Ist Bioalkohol als Treibstoff rentabel?
Ein großer Nachteile bei der Verwendung von Bioalkohol ist, dass die Energiebilanz (Input-Output) oft negativ ist. D.h. mehr Energie für den Erzeugungsprozess benötigt wird, als durch das Produkt gewonnen werden kann. Zusätzlich verbrauchen das Anbauen, Düngen und Ernten, sowie die Destillationsanlage Energie.
Biomasse kann nur begrenzt in Ethanol umgewandelt werden, da die Bakterien bei einer Ethanolkonzentration von 10-15% absterben. „Dies ist gleichbedeutend mit einem geringeren Wirkungsgrad bei der Herstellung des Treibstoffes bezogen auf den Energiegehalt der eingesetzten Biomasse“ (vgl. http://www.energieinfo.de /eglossar/node17.html).
Ein weiterer Nachteil der Verwendung von Bioethanol als Treibstoff ist, dass ein sehr großflächiger Anbau notwendig ist, um den Bedarf an Treibstoffen für den Verkehr in Deutschland alleine mit Bioalkohol zu decken. „Man müsste also 70% der Fläche Deutschlands alleine zur Gewinnung der Kraftstoffe für den Verkehrssektor ‚verbrauchen’.“ (vgl. http://www.energieinfo.de/eglossar/node17.html). Wenn man dies einmal ausrechnet, kommt man zu dem Ergebnis, dass die gesamte landwirtschaftliche Fläche und die Hälfte der Waldfläche Deutschlands für die Nahrungsproduktion genutzt werden müsste, für Weideland und Erholungsgebiete bliebe kaum noch Platz.
Außerdem würde dieser großflächige Anbau von Energiepflanzen zu einem verstärkten Schädlingsbefall und zur Auslaugung des Bodens führen.
Zur Zeit untersuchen Forscher den Einsatz von Gras als Rohstoffe für die Ethanolerzeugung, da bisher Lebensmittel hierfür verwendet werden.
Treibstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen, also auch Bioalkohol, haben dieselbe Qualität wie Treibstoffe aus fossilen Rohstoffen.
Die Verwendung von Bioethanol würde zusätzlich die Abgaswerte senken und den Ausstoß des Treibhausgases CO2 (Kohlenstoffdioxid) senken, da nachwachsende Rohstoffe bei Verbrennung oder Verrottung nur so viel CO2 abgeben, wie sie während ihres Wachstums aufgenommen haben.
Der hohe Energieverbrauch und die negative Energiebilanz treiben die Preise für Bioalkohol als Treibstoff in die Höhe. Diese Kosten könnten allerdings durch verschiedene Faktoren wieder gesenkt werden. Zum Beispiele müssen für die alkoholische Gärung nicht nur für diesen Zweck angebaute Rohstoffe verwendet werden, auch die Nutzung von Abfällen der Landwirtschaft und das Entziehen von Kohlenhydraten aus Abwässern der Papier-, Stärke- und Zuckerindustrie sind möglich. Des Weiteren fallen jährlich im Herbst 25-30 Mrd. t Rübenbruchstücke an und es können Herbstlaub und zuckerhaltige Rübenerde die eigens für die alkoholische Gärung angebauten Rohstoffe ersetzen.
Durch die Nutzung dieser alternativen Rohstoffquellen würde der großflächige Anbau von Energiepflanzen entfallen. Dies wiederum führt zu sinkenden Treibstoffpreisen, einer geringeren Gefährdung der Umwelt durch den verstärkten Befall von Schädlingen und einer geringeren Auslaugung des Bodens.
In Deutschland fallen jährlich 25-30 Mrd. t Papier, Hausmüll, Holz, Stroh und Industrieabfälle an, die teilweise sehr kohlenhydrathaltig sind und aus denen 7-9 Mrd. Liter Bioalkohol gewonnen werden können.
Wirtschaftlich kann die Bioalkoholherstellung ebenfalls sehr interessant werden, vor allem von es um die dabei entstehende Schlempe geht. Als Schlempe bezeichnet man den alkoholfreien Rückstand, der bei alkoholischen Gärungsprozessen entsteht und sich wegen seines Gehalts an Eiweiß, Stickstoffverbindungen und Fetten u.a. sehr gut als Futtermittel für Masttiere und Milchkühe eignet.
Da sich die Treibstoffkosten für Bioalkohol durch sehr viele Faktoren dauerhaft senken lassen und da sie wie Biodiesel dauerhaft preiswerter sein werden als konventionelle Treibstoffe, denke ich, dass Bioalkohol eine rentable Alternative zu konventionellen Treibstoffen ist.
3.3. Was halte ich von der Verwendung des Bioethanols als Treibstoff?
Ich finde die Verwendung von Bioethanol als Treibstoff sehr sinnvoll, da dies zur Verringerung des Treibhauseffekts beiträgt. Meiner Meinung müssen wir alles tun, um den Treibhauseffekt zu verringern.
Außerdem stellt die Erzeugung von Bioalkohol eine Art Recycling dar, da für die Vergärung sogar Müll verwendet werden kann, von dem jährlich in Deutschland mehrere Milliarden Tonne anfallen. Ebenso kann auch der Abfall der Vergärung weiter genutzt werden, da er als wertvolles Futtermittel eingesetzt werden kann.
Ich halte es für sehr sinnvoll überall in Deutschland Ethanolfabriken einzurichten, die auch für die Verwertung von Haus- und Industrieabfällen ausgelegt sind.
3.4. Bioethanol – In anderen Ländern schon eine Alternative zu konventionellen Treibstoffen
Als Treibstoff wird Ethanol bisher in Brasilien, den USA, Frankreich, China und Kanada vertrieben. Der Marktanteil an Bio-Sprit (auch Gasohol genannt) beträgt in Brasilien schon 25%.

3.4.1. Brasilien
Traditionell ist Brasilien der weltgrößte Ethanolproduzent und -verbraucher. Der Marktanteil liegt bei circa 25 % Ethanol. Die aktuelle Jahresproduktion liegt bei zwölf bis 14 Millionen Kubikmeter pro Jahr. Derzeit wird in Brasilien auch in den Bau von Biodiesel-Veresterungsanlagen in großem Stil investiert.

3.4.2. USA
Die USA sind weltweit nach Brasilien der zweitgrößte Verbraucher von Ethanoltreibstoff und produzieren derzeit jährlich mehr als zehn Millionen Kubikmeter Ethanol pro Jahr, vorwiegend aus Mais. 2002 waren 60 Ethanolfabriken in Betrieb und weitere 100 in Planung. Präsident Bush hat Ende November 2004 ein neues Programm zur Förderung von Biodiesel unterzeichnet, mit dem dieser Markt in den USA vorangebracht werden soll.

3.4.3. Frankreich
Frankreich setzt schon seit vielen Jahren auf Ethanol und verarbeitet dabei einen Teil der Zuckerrüben zu diesem Kraftstoff.

3.4.4. China
China hat im vergangenen Jahr in Jilin die weltgrößte Ethanolfabrik mit 380.000 Kubikmeter Jahresproduktion in Betrieb genommen und plant weitere vier baugleiche Anlagen. Dort gibt es regionale Beimischungszwänge von zehn Prozent Ethanol.

3.4.5. Kanada
Die kanadische Regierung hat im Dezember 2004 die weltweit erste Fahrzeugflotte auf Basis von Ethanol aus Weizenstroh in Dienst gestellt. In einem ersten Schritt werden dort sechs Ethanolfabriken mit einer Jahreskapazität von 650.000 Kubikmeter errichtet und 100 Millionen Dollar Fördergelder bereitgestellt.
3.5. Politische Rahmenbedingungen

3.5.1. EU Richtlinien
„Die Europäische Union [hat] in ihrer Richtlinie 2003/30/EG den zukünftigen Anteil von Biokraftstoffen festgelegt. Bis zum Jahr 2005 soll in den Mitgliedsstaaten der EU der Anteil von Biokraftstoffen auf 2 Prozent sämtlicher Kraftstoffe ansteigen, bis 2010 auf 5,75 Prozent“ so die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) auf ihrer Homepage (http://www.fnr-server.de/cms35/Rahmenbedingungen.762.0.html). „Die Richtlinie 2003/96/EG [...] erlaubt es den EU-Mitgliedsstaaten, alle Biokraftstoffe von der Mineralölsteuer zu befreien. Diese Regelung gilt sowohl für Reinkraftstoffe als auch anteilig für die Zumischung biogener Komponenten zu fossilen Kraftstoffen“, so die Agentur weiter.

3.5.2. Deutsche Richtlinien
„Deutschland hat biogene Reinkraftstoffe bereits in den 1990er Jahren von der Mineralölsteuer befreit“, so die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (http://www.fnr-server.de/cms35/Rahmenbedingungen.762.0.html).
„Weg frei für Biodiesel und Bioalkohol in Kraftstoffbeimischungen – Bundesrat stimmt weitgehender Steuerbegünstigung zu“, schrieb Dr. Herman Hansen von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe am 1. Dezember 2003. Anlass war eine Änderung des Mineralölsteuergesetzes, der der Deutsche Bundesrat zugestimmt hatte. Diese „Änderung [...] sieht eine Verlängerung der Steuerbegünstigung für Biokraft- und Bioheizstoffe bis zum 31.12.2009 vor“ so der Verfasser weiter.
„Als Biokraft- und Bioheizstoffe werden Energieerzeugnisse definiert, die ausschließlich aus Biomasse im Sinne der Biomasseverordnung bestehen. [...] Bioethanol gilt nur dann als Biokraft- und Bioheizstoff, wenn es sich um unvergällten Ethylalkohol mit einem Alkoholanteil von mindestens 99 % handelt“.
Die Steuerbegünstigung gilt „sowohl für reine Kraftstoffe als auch für Kraftstoffmischungen [...] Mineralöle sind in dem Umfang steuerbefreit, in dem sie anteilig nachweislich Biokraft- und Bioheizstoffe enthalten“.
„Dies ist eine wichtige Voraussetzung für die von der Bundesregierung und der EU-Kommission (EU-Förderrichtlinie für Biokraftstoffe) angestrebte Steigerung des Marktanteils von Biokraftstoffen auf 5,75 % im Jahr 2010. So können künftig durch die Zumischung von Bioalkohol zu Benzin oder von Biodiesel zu Dieselkraftstoff weitergehende Absatzpotentiale für Biokraftstoffe erschlossen werden.“
3.6. Steckbrief Ethanol-Kraftstoff
Rohstoffe Getreide, Zucker, (Holz)
Jahresertrag je Hektar 2.500 l/ha (Getreide als Grundlage)
Kraftstoff-Äquivalent 1l Ethanol ersetzt ca. 0,66l Diesel
Marktpreis ca. 0,50  €/l
CO2-Minderung ca. 30% gegenüber Ottokraftstoff
Technische Hinweise kann Kraftstoff bis zu 5% beigemischt werden
4. Vergleich von Biodiesel und Bioethanol
Biodiesel Bioethanol Rohstoffe Rapsöl (und andere nichttrocknende Pflanzenöle) Getreide, Zucker, (Holz)
Jahresertrag in Hektar ca. 1.300 l/ha 2.500 l/ha Kraftstoff – Äquivalent 1l Biodiesel ersetzt ca. 0,91l Diesel 1l Ethanol ersetzt ca. 0,66l Diesel Marktpreis 0,75 – 0,85  €/l (Stand 11/2004) ca. 0,50  €/l CO2-Minderung ca. 70% gegenüber Diesel ca. 30% gegenüber Ottokraftstoff Technische Hinweise Biodiesel in Reinform: Freigabe des Herstellers erforderlich; in Mischungen bis 5% ohne Anpassung des Motors einsetzbar Kann Kraftstoff bis zu 5% beigemischt werden
Der Tabelle ist zu entnehmen, dass die Rohstoffe für Biodiesel und Bioethanol verschieden sind und dass der Jahresertrag von Bioethanol fast doppelt so hoch ist wie der von Biodiesel.
Der Kraftstoffverbrauch sinkt im Vergleich zu Diesel bei Bioethanol um ungefähr 40%, bei Biodiesel jedoch nur um ungefähr 10%. Das hat zur Folge, dass die Kraftstoffkosten bei Bioethanol mehr sinken als bei Biodiesel. Außerdem wirkt es sich positiv auf den Kostenfaktor aus, dass der Marktpreis von Bioethanol um rund 1/3 niedriger ist als bei Biodiesel.
Ein Nachteil im Vergleich zu Biodiesel ist, dass die CO2-Minderung bei Bioethanol nur 30%, bei Biodiesel jedoch 70% beträgt.
Beide Kraftstoffe können in Mischungen bis 5% ohne Anpassung des Motors eingesetzt werden.
Ich komme zu dem Schluss, dass Bioethanol auf Kosten und Jahresertrag bezogen eindeutig der bessere Kraftstoff ist. Geht es jedoch um die Senkung des CO2 Ausstoß, so ist Biodiesel besser und umweltfreundlicher.
Meiner Meinung nach unterstreicht dieser Absatz noch einmal, dass Bioethanol eine rentable Alternative zu konventionellen Kraftstoffen und Biodiesel ist.

5. Zusammenfassung
Bioethanol ist ein Produkt aus nachwachsenden Rohstoffen, das durch die Vergärung von Zucker- und Stärkehaltigen Pflanzen entsteht.
Zur Erzeugung von Bioethanol eignet sich am Besten das Zuckerrohr, da dieses einen sehr hohen Zuckergehalt hat.
Biodiesel ersetzt Dieselkraftstoffe, Bioethanol hingegen Ottokraftstoffe, also Benzin und Super.
Die Kosten für Bioethanol liegen deutlich unter denen von konventionellen Kraftstoffen und Biodiesel.
In anderen Ländern wie den USA, Brasilien, Frankreich, Kanada und China ist Bioethanol bereits eine etablierte Größe am Treibstoffmarkt.
Am 1. Dezember 2003 beschloss der Deutsche Bundesrat eine Änderung des Mineralölsteuergesetzes, die eine Steuerbefreiung von Biokraft- und Bioheizstoffe bis Dezember 2009 vorsieht.
Einen Nachteil hat die Verwendung von Bioethanol als Treibstoff jedoch, denn der CO2 Ausstoß wird nur um 30% gemindert, während die Verwendung von Biodiesel den Ausstoß um 70% verringert.
6. Literaturverzeichnis
Digitale Medien
Internetseiten
http://www.umweltlexikon-online.de/fp/archiv/RUBwerkstoffmaterialsubstanz/Bioalkohol.php
http://www.umweltlexikon-online.de/fp/archiv/RUBwerkstoffmaterialsubstanz/ Ethanol.php
www.bnbt.de/~tr1138/facharbeit/facharbeit.pdf
http://www.energieinfo.de/eglossar/node17.html
http://www.iwr.de/bio/bio/ausgang.html#getreide
www.studref.de/zips/doc/gaerung.doc
www.cellulose-papier.chemie.tu-darmstadt.de/.../ Grundlagen/Folien/20PPKohlenwasserstoffderivate.pdf
www.efg-nw.de/chemie/referate/ Referat_Biogas%20und%20Biotreibstoffe.pdf
http://www.diepresse.com/Artikel.aspx?channel=e&ressort=eo&id=459613
http://www.diepresse.com/Artikel.aspx?channel=c&ressort=w&id=462425
http://www.wissen.de/xt/default.do?SEARCHTYPE=topic&MENUNAME=Suche&query=Biotreibstoff
http://www.wissen.de/xt/default.do?MENUNAME=Suche&SEARCHTYPE=topic&query=Ethanol
http://www.bio-kraftstoffe.info/
www.cdu-schaumburg.de/presse/ltpresse/energie3.htm
www.f05.fh-koeln.de/imperia/md/ content/broschueren/fertig_itt_broschure_.pdf
www.schuelerlexikon.de
www.fnr.de
www.bio-kraftstoffe.info
Lernpakete, Tandem Verlag
Lernpaket Chemie, Lernpaket Biologie, Lernpaket Physik
Lexika
Der neue Herder in 3 Bänden
Knaus Lexikon
Brockhaus Computerlexikon
Fachbücher
Chemie heute, S1 Gesamtband, Schroedel Verlag
dtv-Atlas zur Chemie, Tafeln und Texte, Organische Stoffe und Kunststoffe, Band 2
Henniger – Franck, Chemie 1, Kurzausgabe
Umwelt und Chemie von A-Z, Herder Verlag
Schülerin: Maike Mehlkopf
Thema: Bioethanol als Treibstoff
Inhalt
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Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung

2. Bioethanol allgemein
2.1. Was ist Bioethanol?
2.2. Entstehung von Bioethanol
2.2.1. Welche Pflanzen erzielen den höchsten Ethanolertrag?
2.2.2. Gewinnung von Ethanol
2.3. Steckbrief des Bioethanols

3. Verwendung des Bioethanols als Treibstoff
3.1. Allgemeines
3.2.Ist Bioalkohol als Treibstoff rentabel?
3.3. Was halte ich von der Verwendung des Bioethanols als Treibstoff?
3.4. Bioethanol – In anderen Ländern schon eine Alternative zu konventionellen Treibstoffen
3.4.1. Brasilien
3.4.2. USA
3.4.3. Frankreich
3.4.4. China
3.4.5. Kanada
3.5. Politische Rahmenbedingungen
3.5.1. EU Richtlinien
3.5.2. Deutsche Richtlinien
3.6. Steckbrief Ethanol-Kraftstoff
4. Vergleich von Biodiesel und Bioethanol
5. Zusammenfassung
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