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Biodiesel

1) Die Rapspflanze

Allgemein
(Kohlsaat, Brassica napus var. napus), 60-120 cm hoher Kreuzblütler mit gelben Blüten und blaugrünen Blättern; in Kultur einjährig als Sommerraps oder als Winterraps ausgesät; wichtige Ölpflanze. Die Samen enthalten etwa 40 % Öl (Rapsöl, Rüböl; Verwendung als Speiseöl sowie zu technischen Zwecken); der als Rückstand anfallende Rapskuchen ist ein eiweißreiches Futtermittel. Aus Rapssamen wird ein Biokraftstoff hergestellt.

Winterraps
Der Raps, der in Deutschland wächst wird als Winterraps bezeichnet, weil es im August ausgesät wird und erst im Mai und Juni blüht und somit reif für die Ernte ist. Da der Raps den gesamten Winter über wächst, wird er als Winterraps bezeichnet.

Historischer Überblick
In der Zeit des Deutschen Reiches war der Raps nicht so populär, da Rapsöl einen bitteren Geschmack hat (Arme-Leute-Öl) und nur eingeschränkt als Tierfutter eingesetzt werden konnte.
Die Hauptbedeutung war als Brennstoff für Öllampen. Nachdem die Bundesrepublik gegründet worden war, gelang es den Forschern das Rapsöl als Speiseöl und Tierfutter zu verbessern, wodurch die Popularität in den letzten Jahren immer mehr anstieg.
Durch die Landwirtschaftspolitik der EU stieg die Popularität nochmals an: Landwirte bekommen Stilllegungsprämien für so genannte konjunkturell stillgelegte Flächen; auf diesen Flächen ist der Anbau von Raps als nachwachsender Rohstoff aber möglich und Beihilfefähig.

Im 20. Jahrhundert wurden zwei neue Rapssorten gezüchtet:
Null-Raps (0-Raps: Enthält statt der ungesättigten Erucasäure Ölsäure)
Null-Null-Raps (00-Raps: Niedrigerer Gehalt von Glucosinolaten)
Heute wird Rapsöl als Nahrungsmittel, Tierfutter und Rohstoff für Biokraftstoffe verwendet.
2) Extraktion von Rapsöl aus Rapssamen
Schema
( ( (
Rapsöl dient vorwiegend der Herstellung von Biodiesel. In Ölmühlen werden die Rapssamen zunächst gemahlen und zerquetscht. Anschließend wird das ÖL durch Pressen und Extrahieren gewonnen.
Kaltpressen: Nachdem der Raps gewaschen und gemahlen ist, werden 50-60 Schichten Rapsbrei auf Fasermatten gestapelt und hydraulisch gepresst. Die wesentlichen Inhaltsstoff und die fettlöslichen Vitamine werden nicht verändert, sie behalten ihren gesundheitlichen Wert. Die Ausbeute ist relativ gering.
Warmpressen: Das Mahlgut wird erhitzt, damit das Öl dünnflüssiger wird und man es leichter vom Rückstand trennen kann. Der Rückstand erhält immer noch bis zu 10% (wertvolles) Öl.
Extrahieren: Durch Behandlung mit einem Lösungsmittel (n-Heptan) entzieht man dem Mahlgut das Öl.
Aufbereiten (Raffinieren): Die Öle sind meist dunkel und trübe. Sie haben einen Beigeschmack und werden durch Behandlung mit Säure, Wasserdampf oder Bleichungsmittel von freien Fettsäuren gereinigt.
3) Herstellung von Biodiesel aus Rapsöl

3.1. Allgemein
Die Verbrennung von Rapsöl, also einem Pflanzenfett, gelingt nur in einem speziellen Motor, dem Elsbett-Motor, der jedoch keine allgemeine Verbreitung gefunden hat. Man stellte aber fest, dass sich durch chemische Veränderung aus Rapsöl ein Treibstoff gewinnen läst, der dem Dieselkraftstoff ähnelt.

Reaktion
Um diesen Diesel ähnlichen Kraftstoff herzustellen wird Rapsöl mit Natriummethanolat versetzt, wodurch eine chemische Reaktion, die auch als Umesterung gezeichnet wird, erfolgt. Rapsöl reagiert daebi zum Rapsölfettsäure-Methylester (RME), dem Biodiesel.
Reaktionsgleichung
Rapsöl + Natriummethanolat ( Biodiesel + Glycerin
Strukturformeln
Glycerin
4) Viskosität von Rapsöl, Biodiesel und Diesel
4.1. Viskosität – Was ist das?
Zähigkeit, die Viskosität gibt an, wie zäh eine Flüssigkeit oder ein Gas ist.

Allgemein
Im Bereich der Treibstoffe spielt die Viskosität eine entscheidende Rolle. Eine Flüssigkeit, die zu viskos ist, kann als Treibstoff in modernen Verbrennungsmotoren nicht zum Einsatz kommen, da Sie in den Kraftstoffleitungen möglicherweise nicht hinreichend gut und schnell fließen kann. Die eigentliche Hürde stellt jedoch der Einspritzvorgang dar: Die Viskosität de Flüssigkeit muss klein genug sein, um eine gute Verteilung beim Einspritzen des Kraftstoffes in den Verbrennungsraum zu gewährleisten.

Vergleich
Rapsöl hat eine sehr hohe Viskosität, die Viskosität von Biodiesel und Diesel hingegen ist nahezu gleich.
Bei dem Einsatz von Rapsöl können wegen der hohen Viskosität Probleme auftreten.
Da Biodiesel und Diesel eine ähnlich hohe Viskosität haben, eignen sie sich gut als Kraftstoffe und können einander ersetzten.
5) Flammpunkt von Rapsöl, Biodiesel und Diesel

5.1. Flammpunkt – Allgemein
Ein Maß für die Entzündbarkeit einer Verbindung ist der Flammpunkt (FP). Er gibt die Temperatur an, bei der sich über einer brennbaren Flüssigkeit bei normalem Luftdruck durch Verdunstung so viele Dämpfe angesammelt haben, dass sich diese bei Annährung einer Flamme entzünden, was als leichte Verpuffung wahrnehmbar ist. Die Flüssigkeit selbst brennt jedoch zunächst nicht weiter. Steigert man aber die Temperatur bis die Flamme nach dem Zünden nicht mehr erlischt, so erreicht man den sog. Brennpunkt. Die Unterschiede zwischen beiden Punkten nehmen mit steigender molarer Masse zu. Allgemein gilt: Niedriger Siedepunkt bedeutet starke Verdunstung, tiefer Flamm- und Brennpunkt sowie hohe Feuergefährlichkeit. Für den Betrieb von Dieselmotoren sollte der Flammpunkt des Treibstoffes 80°C nicht unterschreiten, damit keine unkontrollierten Entzündungen beim Einspritzvorgang entstehen (hörbar als sog. Klopfen) und für eine ausreichende Zündwilligkeit im Winter 200°C nicht überschreiten.
Flammpunkte
Gemessen Literaturwert
Rapsöl 175°C 230°C
Biodiesel 185°C 175°C
Diesel 135°C 55-100°C
Verwendung in Dieselmotoren möglich?
Unseren Ergebnissen zu folge müssten alle 3 Stoffe im Dieselmotor eingesetzt werden können.
Da wir jedoch wissen, dass man mit einem normalen Dieselmotor weder Rapsöl noch Biodiesel tanken kann, schließen wir: Es muss andere Gründe haben, warum man einen Dieselmotor umrüsten muss, um z.B. Biodiesel zutanken und warum bei Einspritzung von Rapsöl der Motor nicht läuft. Dieselmotoren müssen bei Verwendung von Rapsöl und Biodiesel umgerüstet werden, da die Viskosität von normalem Diesel deutlich niedriger ist. Rapsöl kann in den Kraftstoffleitung nicht gut und schnell genug fließen und verteilt sich nicht optimal im Einspritzraum.
6) Dichte von Rapsöl, Biodiesel und Diesel
Dichte
Rapsöl 820kg/m³
Biodiesel 880kg/m³
Diesel 920kg/m³
7) Ist Biodiesel wirklich umweltfreundlich?
Pro Kontra Leichte biologische Abbaubarkeit Intensiver Rapsanbau nicht ohne Einsatz von Dünger Kreislauf von Kohlendioxid wird geschlossen Hoher Treibstoffverbrauch der Transportfahrzeuge Überschussflächen können neu genutzt werden Summe der Emissionen klimarelevanter Spurengasse ist bei Biodiesel wesentlich höher als bei Diesel (N2O-Lachgas) Anfallende Biomasse kann zur Wärmegewinnung verbrannt oder als Dünger genutzt werden Durch N2O Bodennahe Ozonbildung Keine Freisetzung von Schwefel Viele Flächen werden gebraucht Weniger Ruß Viel Biomasse Biodiesel preiswerter als Diesel
Zukunftsplanung: Rußpartikelfilter für alle Diesel- und Biodieselfahrzeuge
8) Funktionsweise des Otto- und Dieselmotors

Dieselmotor
4 Phasen: (1) Luft wird angesaugt, (2) Luft wird komprimiert (600°C), (3) Öleinspritzung und Zündung, (4) Ablasen
Ottomotor
4 Phasen: (1) Ansaugen eines Benzinluftgemisches, (2) Verdichten, (3) Zünden, (4) Ablassen

Steckbriefe
Dieselmotor Ottomotor Viertaktmotor Verbrennung eines Gas-Luft-Gemisches Kompressionswärme ( Zündung 4 Zylinder Spiralisch gebaute Ansaugkanäle Zylinder gibt Wärme an Umgebung ab Aufwendige Einspritzpumpe zerstäubt Öl Wasserkühlung Ventilator zusätzliche Kühlung
9) Gentechnisch Veränderter Raps
Pro Kontra Bei der normalen Fruchtfolge und den standardmäßig zur Verfügung stehenden Herbiziden können auch multi-herbizidtolerante Rapspflanzen gut bekämpft werden Raps besitzt eine hohe Auskreuzungsrate Kontrolle des gentechnisch veränderten Raps durch Isolationsabstände möglich Gentechnisch veränderter Raps kreuzt sich mit nicht gentechnisch veränderter Raps. Die Folge: kein Landwirt kann mehr gentechnikfreien Raps anbauen Der im gentechnisch veränderten Raps vorhandene Proteinase-Inhibitor (Verdauungshemmer) zur Abwehr von Schädlingen ist weder in den Pollen noch im Nektar nachweisbar gentechnisch veränderter Raps ist schwerer zu verkaufen Nektar von transgenem Raps bekommt den Bienen nicht gut Der Pollenflug und das Übertragen von Pollen durch Insekten sind nicht eingrenzbar. Die Folgen sind Verunreinigungen von nicht gentechnisch veränderten Nutzpflanzen und Veränderungen im Ökosystem Durchwuchs von gentechnisch verändertem Raps auf einen Zeitraum von bis zu 7 Jahren erstrecken und auch dann noch wirksam werden, wenn auf dem Acker kein gentechnisch veränderter Raps mehr angebaut wird Wird auf einem Feld einmal gentechnisch veränderter Raps angebaut, führt dies nach den Ergebnissen der Wissenschaftler noch während der nächsten 15 Jahre zu Grenzwertüberschreitungen Die Kosten für Mais- und Rapsanbau in der Biolandwirtschaft würden um bis zu 40 Prozent steigen Raps tritt immer wieder spontan außerhalb von Feldern auf. Daraus ergeben sich Risiken beim Anbau gentechnisch veränderter Raps-Sorten Gentechnisch veränderter Raps übersteht Unkrautbekämpfung
Rapssamen
Rapssamen
Extrahieren
Warmpressen
Kaltpressen

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