Ethanol-Kraftstoff

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Ethanol kann als Treibstoff für Ottomotoren, Brennstoffzellen und Turbinen eingesetzt werden, die Kraftfahrzeuge oder Flugzeuge antreiben. Dabei wird reines Ethanol (sog. E100) und Mischungen aus Ethanol mit Benzin oder anderen Alkoholen (z. B. Methanol) verwendet.

Ethanol wird dabei in unterschiedlichen Anteilen mit Benzin gemischt, um sowohl den Benzinbedarf als auch die Umweltbelastung zu reduzieren. Das Benzin-Alkohol-Gemisch wird in den USA als Gasohol und in Brasilien als Gasolina Tipo C bezeichnet. In den USA sind die Mischungen E10 und E85, die jeweils 10 % bzw. 85 % Ethanol enthalten, verbreitet. In Brasilien haben die meisten Mischungen einen Ethanolanteil zwischen 21 % und 23 %.

Ethanol wird zunehmend auch als Oxidationszusatz für Standardbenzin als Ersatz für Methyl-tert-butylether verwendet, welches für Verunreinigung von Grundwasser und Böden verantwortlich ist.

Als Bioethanol bezeichnet man Ethanol, das ausschließlich aus regenerativer Biomasse hergestellt wurde. Chemisch gesehen gibt es keinen Unterschied zwischen Bioethanol und anders hergestelltem Ethanol. Die in der als Rohstoff dienenden Biomasse enthaltene Stärke wird enzymatisch in Glukose aufgespalten und dieser anschließend mit Hefepilzen zu Ethanol vergoren. Verfahren zur Gewinnung von Ethanol aus Zellulose sind in Entwicklung. Bioethanol wird im Moment noch nicht wie das fossile Mineralöl besteuert.

Im Zusammenhang mit dem Kyoto-Protokoll wird heute häufig über die Herstellung und den Einsatz von Biokraftstoffen debattiert. Aus Biomasse gewonnenes Ethanol ist ein nachwachsender Energieträger, der gegenüber fossilen Energieträgern CO₂-neutral ist und langfristig wirtschaftliche Vorteile bieten könnte. Trotz einer positiven Energiebilanz wird diskutiert, wie umweltfreundlich die Herstellung von Ethanol angesichts des enormen Bedarfs an Anbauflächen tatsächlich ist.

Mit dieser Kombinationsmaßnahme bezweckt die Bundesregierung die immer höher werdenden Steuerausfälle zu beenden (d.h. weg von der Subvention zu kommen), aber die gerade neu investierte, meist mittelständische Biokraftstoffwirtschaft durch die Sicherung eines Absatzmarktes dennoch nicht zu gefährden.

Inhaltsverzeichnis 1 Einsatz 1.1 Mischungen von Ethanol-Kraftstoff 1.2 Modifikation der Verbrennungsmotoren 1.3 Additiv ETBE 1.4 Brennstoffzellen 2 Herstellung 3 Ethanol-Produktion und -Verwendung in einigen Ländern 3.1 Brasilien 3.2 Kolumbien 3.3 USA 3.4 Europa 4 Auswirkungen auf die Umwelt 4.1 Energiebilanz 4.2 Luftverschmutzung 4.3 Auswirkungen auf die Landwirtschaft 4.3.1 Landwirtschaft und Ökonomie 5 Wirtschaftliche Aspekte 5.1 Potential 6 Ausblick 6.1 Geschichte 7 Siehe auch 8 Weblinks 9 Quellen

[Bearbeiten] Einsatz

Ethanol-Kraftstoff wird als Energieträger in Verbrennungsmotoren und Brennstoffzellen verwendet. Insbesondere Einsatz als Benzin-Ersatz bzw. Zusatz in Kraftfahrzeugen und neuerdings auch Flugzeugmotoren hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen.

[Bearbeiten] Mischungen von Ethanol-Kraftstoff

Gängige Mischungen werden mit E2, E5, E10, E15, E25, E50, E85 und E100 bezeichnet. Die dem E angefügte Zahl gibt an, wie viel Volumenprozent Ethanol dem Benzin beigemischt wurden. E85 besteht zu 85 % aus wasserfreiem Bioethanol und zu 15 % aus herkömmlichem Benzin. Bedingt durch die höhere Klopffestigkeit kann die Motorleistung mit E85 gegenüber herkömmlichen Benzin um 5 % gesteigert werden – bei höher verdichtenden Motoren wie dem Saab 9-5 FFV sogar bis 20 %. Im Sommer 2002 erließ das Bundesministerium der Finanzen ein Gesetz zu Steuerbefreiung u. a. von Ethanol als Biokraftstoff zur Beimischung zu fossilen Kraftstoffen (Anlehnung an EG Verordnung 92/81/EWG Art.8.No.4.).

Die Euronorm EN DIN 228 lässt es zu, dem herkömmlichen Benzin bis zu 5 % Ethanol beizumischen (E5). Dies wird auch heute schon praktiziert, allerdings liegt der Ethanolanteil in Deutschland erst bei etwa 2 %. Normale Benzinmotoren können ohne Modifikation mit E10 (10% Ethanol) betrieben werden. In einigen EU-Ländern (z. B. Polen, Tschechien, Deutschland) wird eine Zwangsbeimischung von Bioethanol geprüft. In den USA wird bereits größtenteils E10 eingesetzt. Durch geringe Umbaukosten (ca. 30 €) kann auch E25 getankt werden. Brasilien mischt bereits 25 % Ethanol ins Normalbenzin, welches dort auch Pflicht ist und von den gewöhnlichen Autos vertragen wird. Die Hälfte aller dortigen PKW fahren bereits mit E85, 2 % sogar mit E100. Motoren, die mit reinem Alkohol betrieben werden können, werden in Brasilien in der Automobilindustrie seit 1979 für den Straßenverkehr und seit 2005 für Kleinflugzeuge verkauft. Japan will bald bis zu 10 % beimischen und verhandelt derzeit mit Brasilien über Alkohollieferungen.

In Bad Homburg eröffnete am 2. Dezember 2005 die erste öffentliche Bioethanol-Tankstelle für E85 Deutschlands. Der Preis pro Liter beträgt 92 Cent und ist somit durch den 30%igen Mehrverbrauch für den Verbraucher etwa so teuer wie Benzin (1,20 €; Dez. 2005). Derzeit gibt es bereits ca. 60 Tankstellen die Ethanol-Gemische anbieten[1]

[Bearbeiten] Modifikation der Verbrennungsmotoren

Je höher der Anteil von Ethanol in einer Benzin-Ethanol-Mischung, umso weniger ist er für unmodifizierte benzinbetriebene Motoren geeignet. Reines Ethanol reagiert mit oder löst Gummi sowie anderen Kunststoffen und darf nicht in unveränderten Fahrzeugen verwendet werden. Zusätzlich hat reines Ethanol eine viel höhere Oktanzahl als übliches Benzin, was eine Änderung des Zündzeitpunkts sowie des Gemischverhältnisses erforderlich macht. Um ein reines Benzin-Auto in ein Auto für reines Ethanol zu verwandeln, sind größere Vergaser-Düsen (ungefähr 30 bis 40 % größer) erforderlich. Ethanolmotoren benötigen auch ein Kaltstart-System, um genügend Verdampfung für Temperaturen unterhalb 13 °C sicherzustellen, um die Verbrennung zu maximieren. Bei 10 bis 30 % Ethanol-Anteil im Benzin sind gewöhnlich kaum Umbaumaßnahmen notwendig. Viele moderne Autos können mit diesen Mischungen sehr zuverlässig fahren. Seit 1999 werden eine zunehmende Anzahl von Fahrzeugen in der Welt mit Motoren ausgerüstet, die mit jedem mögliche Gemisch aus Benzin und Ethanol von 0 % Ethanol bis zu 100 % Ethanol ohne Änderung betrieben werden können.

In Europa ist Schweden bei der Beimischung von Ethanol Vorreiter. Ford verkaufte in Schweden bereits 15.000 Flexible Fuel Vehicle (FFV) (Stand: Dezember 2005). In Brasilien wurde im Dezember 2005 das dreimillionste FFV verkauft. Diese Fahrzeuge sind speziell für den Betrieb mit E85 konzipiert, das in Schweden bereits an 220 Tankstellen und in Brasilien flächendeckend verfügbar ist. Die FFV verbrauchen bei Betrieb mit E85 ca. 30 % mehr Kraftstoff gegenüber dem Standardbenzinmodell. FFV können mit jeglicher Ethanol-Benzin-Mischung von 0 bis 85 % Ethanol betrieben werden. Bedingt durch die vom Benzin abweichenden (Verbrennungs-)Eigenschaften des Ethanols werden diese Motoren jedoch mit veränderten Werkstoffen hergestellt. Ein FFV kostet ca. 300 Euro Aufpreis gegenüber dem Benzinmodell. Ein spezieller Sensor stellt im Betrieb fortlaufend das Mischungsverhältnis fest und regelt den Verbrennungsvorgang.

Ethanol-Motoren sind nicht neu: Henry Ford entwarf nämlich das Ford Model T, die „Tin Lizzy“, auf Basis der Nutzung von Ethanol als Kraftstoff und hatte bereits Visionen von der nachhaltigen Einbeziehung der Landwirtschaft als Kraftstofflieferant. Erst auf Druck der rasch wachsenden Petroleumindustrie stellte Ford später die Motoren um.

In Brasilien bieten beinahe alle Hersteller Ethanol-taugliche Fahrzeuge an. Sie haben bei Volkswagen den Zusatz Totalflex oder bei Chevrolet (Opel/GM) Flexpower und haben teilweise sehr ökonomische Motoren (1.0 City Totalflex oder 1.0 VHC Flexpower) wenn man den geringen Heizwert pro Volumen von Ethanol in Rechnung zieht. (leider nur 4,5%)

[Bearbeiten] Additiv ETBE

(Bio-)Ethanol ist Rohstoff für die Herstellung von Ethyltertiärbutylether (ETBE). ETBE kann zu einem Anteil von 15 % normalem Benzin beigemischt werden und erhöht darüber hinaus die Klopffestigkeit des Treibstoffs.

[Bearbeiten] Brennstoffzellen

Hauptartikel: Brennstoffzelle, Wasserstoff

Wasserstoff wird ebenfalls als ein alternativer Treibstoff für Verbrennungsmotoren und Brennstoffzellen betrachtet. Wasserstoff ist jedoch schwer zu transportieren und zu speichern. Eine mögliche Lösung besteht darin, Ethanol für den Transport zu benutzen, dann katalytisch in Wasserstoff und Kohlendioxid zu trennen und den Wasserstoff in eine Brennstoffzelle zu übertragen. Alternativ dazu können einige Brennstoffzellen direkt mit Ethanol oder Methanol betrieben werden.

Anfang des Jahres 2004 zeigten Forscher der University of Minnesota einen einfachen Ethanol-Reaktor, der Ethanol in Wasserstoff mit Hilfe von Katalysatoren umwandelt. Das Gerät benutzt ein Rhodium-Cer-Katalysator für die erste Reaktion, die bei einer Temperatur von etwa 700 °C stattfindet. In dieser Reaktion werden Ethanol, Wasserdampf und Sauerstoff vermischt und große Mengen Wasserstoff produziert. Leider bildet sich dabei auch giftiges Kohlenmonoxid, das für die meisten Brennstoffzellen störend ist. Ein weitere Katalysator oxidiert das Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid.

Siehe auch: Biowasserstoff, Wasserstoffantrieb, Solare Wasserstoffwirtschaft

[Bearbeiten] Herstellung

Hauptartikel: Ethanol

Durch alkoholische Gärung aus Biomasse gewonnenes Ethanol bezeichnet man auch als Agrar- oder Bioethanol. Man kann Ethanol aber auch durch die Synthese aus Wasser und Ethen unter Zugabe von Schwefelsäure als Katalysator herstellen.

In Brasilien, Kolumbien, China und den USA gibt es Programme für Bioethanol-Treibstoff. Ethanol kann z. B. aus Zuckerrohr, Chinaschilf, Zuckerrüben, Kartoffeln, Sonnenblumen, Früchten, Melasse, Getreide, Holz, Papier, Stroh, Baumwolle und anderer Biomasse und Zellulose-Verbindungen hergestellt werden.

Elementare Schritte für eine trockene Mühlenproduktion von Ethanol sind: Raffination in Stärke, Umwandlung in Flüssigkeiten, Hydrolyse von Stärke zu Traubenzucker, Fermentation, Destillation, Dehydrierung und wahlweise Denaturierung. Bei der Fermentation der Rohstoffe und der Verbrennung des Bioethanols wird zwar das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid freigesetzt; da jedoch beim Wachstum der Rohstoffpflanzen zuvor die gleiche Menge Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre durch die Photosynthese gebunden wurde, trägt Bioethanol nicht zur Anreicherung von Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre bei.

C₆H₁₂O₆ → 2 CH₃CH₂OH + 2 CO₂

Wenn Ethanol als Treibstoff verwendet werden soll, muss der Wasseranteil möglichst gering sein. Die älteste Methode zur Trennung von Ethanol und Wasser ist die Destillation, aber die Reinheit des so gewonnenen Ethanols ist auf 95 bis 96 % begrenzt, weil ein Gemisch von 95,6 % Ethanol und 4,4 % Wasser ein Azeotrop ist, sich also nicht durch Destillation trennen lässt. Eine Mischung aus 96 % Ethanol und vier Prozent Wasser kann als Treibstoff verwendet werden und wird auch als hydratierter Ethyl-Alkohol-Treibstoff (auf portugiesisch álcool etílico hidratado combustível, kurz AEHC) bezeichnet. Im Jahre 2002 wurden in Brasilien fast 5 Milliarden Liter Ethylalkohol-Treibstoff in Fahrzeugen verwendet.

Um Ethanol mit Benzin zu vermischen, werden – abhängig von der Temperatur – Reinheiten zwischen 99,5 und 99,9 % benötigt, um eine Zersetzung zu vermeiden. Die zur Zeit am häufigsten verwendete Reinigungsmethode ist ein physikalischer Adsorptionsprozess, bei dem ein Molekularsieb verwendet wird.

Bauern in Südamerika haben in der Vergangenheit ihr eigenes Ethanol destilliert und dabei manchmal Heizkörper als Teil der Brennblase verwendet. Die Heizkörper enthielten oft Blei, das in das Ethanol gelangte. Bei der Verbrennung als Treibstoff wurde dabei Blei freigesetzt, was möglicherweise zu Nervenschäden führen kann. Jedoch waren die Mengen kleiner als zur der Zeit als Tetraethylblei als Benzinzusatz verwendet wurde.

Die Biotechnologie kann mithelfen, die aufwendige Produktionen von Bioethanol zu verbessern. Dabei werden nach dem Anbau der Biomasse noch drei Schritte unterschieden, die Vorbehandlung der Biomasse, die Hydrolyse und die Fermentation. Probleme die z.B. im DOE Genomics TL Programm^[1] (Department of Energy USA) behandelt werden sind:

• Vorbehandlung
  • Nutzung und Optimierung biologischer Katalysatoren
  • Reduzierung der thermochemischen Behandlung bzw. von Abfall
  • Erhöhung der Ausbeute an Einfach-Zucker
• Hydrolyse
  • die Aktivität der Enzyme bei der Hydrolyse zu verbesseren
  • die thermische Toleranz der Enzyme zu vergrößern
  • die Wirkung von Inhibitoren zu verringeren
• Fermentierung zu Ethanol
  • Vermeidung der Fest-flüssig-Separation
  • Ko-Fermentierung von 5C- und 6C-Zuckern aus Biomasse
  • Erhöhung der Toleranz des Prozesses und Resistenz gegen Inhibitoren
  • Rückführung der Mineralstoffe in den Boden

[Bearbeiten] Ethanol-Produktion und -Verwendung in einigen Ländern

In Brasilien, Kolumbien und den USA wurde die Nutzung von Ethanol aus Zuckerrohr und Getreide als Treibstoff für Autos sehr stark von den jeweiligen Regierungsprogrammen unterstützt.

[Bearbeiten] Brasilien

2004 war Brasilien der weltweit größte Ethanol-Kraftstoff-Hersteller und -Verbraucher. Seit den 1980er Jahren hat Brasilien eine ausgeprägt einheimische Industrie für Ethanol-Kraftstoff aufgebaut, die auf Produktion und Raffination von Zuckerrohr basiert. Brasilien produziert ungefähr 15 Milliarden Liter (4 Milliarden Gallonen) Ethanol pro Jahr. Durch die Verbrennung der zuckerlosen Rückstände des Zuckerrohrs (Bagasse) zur Gewinnung von Strom und Prozesswärme haben die Ethanol-Fabriken in Brasilien eine positive Energiebilanz. Die brasilianische Regierung fördert die Ethanol-Produktion, um die Abhängigkeit vom Erdöl zu verringern. In Brasilien muss Benzin mindestens einen Anteil von 20 bis 25 % Alkohol haben. Neuere Autos werden als sogenannte Flexible Fuel Vehicles hergestellt und sind in der Lage, anstatt Benzin auch reines Ethanol bzw. jegliche Mischungen zu verbrennen.

[Bearbeiten] Kolumbien

Kolumbiens Programm für Ethanol-Kraftstoff begann 2002, als die Regierung ein Gesetz zur Anreicherung des Benzins mit sauerstoffhaltigen chemischen Verbindungen verabschiedete. Anfangs bestand vor allem die Absicht, die Emission von Kohlenmonoxid durch Autos zu reduzieren. Später wurde Bioethanol von der Mineralölsteuer befreit, wodurch Ethanol billiger wurde als Benzin. Dieser Trend wurde sogar noch verstärkt, da die Benzinpreise seit dem Jahr 2004 steigen und dadurch das Interesse für erneuerbare Treibstoffe (zumindest für Autos) stieg. In Kolumbien werden die Preise für Benzin und Ethanol von der Regierung gesteuert. Als Ergänzung dieses Ethanolprogramms ist ein Programm für Biodiesel vorgesehen, um Diesel-Treibstoff mit sauerstoffhaltigen Verbindungen anzureichern und erneuerbaren Treibstoff aus Pflanzen herzustellen.

Anfangs hatte vor allem die kolumbianische Zuckerindustrie Interesse an der Ethanolproduktion. Das Ziel der Regierung war es, den Autotreibstoff allmählich auf eine Mischung aus 10 % Ethanol und 90 % Benzin umzustellen. Anpflanzungen zur Ethanolgewinnung werden steuerlich gefördert.

Die erste Anlage für Ethanol-Treibstoff nahm ihre Produktion im Oktober 2005 in der kolumbianischen Region Cauca mit einem Ausstoß von 300.000 Litern pro Tag auf. Spätestens seit März 2006 sind fünf Anlagen in Betrieb mit einer Gesamtkapazität von 1.050.000 Litern pro Tag. Im kolumbianischen Cauca Valley wird Zucker das ganze Jahr über geerntet und die neuen Brennereien haben eine gleichmäßige Auslastung. Die Investitionen in diese Anlagen beträgt insgesamt ca. 100 Mio. Dollar. Spätestens 2007 soll die Produktion bei 2,5 Millionen Litern pro Tag liegen, um das Ziel von 10 % Ethanolanteil im Benzin zu erreichen. Der hergestellte Ethanol-Kraftstoff wird zur Zeit hauptsächlich in den wichtigen Städten nahe des Cauca Valley wie Bogota und Cali Pereira verwendet. Für den Rest des Landes reicht die Produktion noch nicht aus.

[Bearbeiten] USA

Die Herstellung und Nachfrage von Ethanol wächst in den USA ständig an. Da die Rohöl- und damit die Benzinpreise ständig steigen, könnte Ethanol eine interessante Alternative zu fossilem Kraftstoff darstellen. Ungefähr 700 von insgesamt 165.000 Tankstellen besitzen Zapfsäulen mit E85. Ethanol ist vor allem im Mittleren Westen und in Kalifornien erhältlich, wo auch das meiste Ethanol raffiniert wird. Seit Juni 2006 liegt die Kapazität bei 18 Milliarden Liter (4,8 Milliarden Gallonen) Ethanol pro Jahr. Kapazitäten zur Produktion von weiteren 8 Milliarden Litern (2,2 Milliarden Gallonen) pro Jahr sind im Bau – beispielsweise errichtet die US-amerikanische Firma Pacific Ethanol zusätzliche Ethanolanlagen im Westen des Landes.

Einige US-Bundesstaaten aus dem sogenannten Grain Belt begannen nach der arabischen Ölkrise im Jahr 1973 damit, die Ethanolherstellung aus Mais finanziell zu unterstützen. Der sogenannte Energy Tax Act aus dem Jahr 1978 erlaubte eine Befreiung von der Verbrauchssteuer für Biokraftstoffe, hauptsächlich für Benzin. Allein die Einnahmeausfälle durch Befreiung von der Verbrauchssteuer wurden auf 1,4 Milliarden US-Dollar pro Jahr geschätzt. Ein anderes US-Bundesprogramm garantierte ein Darlehen für den Anbau von Pflanzen für die Ethanolproduktion und im Jahr 1986 gaben die USA den Ethanolherstellern sogar kostenloses Getreide.

Im August 2005 unterschrieb der amerikanische Präsident George W. Bush ein umfassendes Energiegesetz, das unter anderem eine Steigerung der Produktion von Ethanol und Biodiesel von 14,8 auf 27,8 Milliarden Liter (bzw. von 4 auf 7,5 Milliarden US-Gallonen) innerhalb der nächsten zehn Jahre vorsieht.

[Bearbeiten] Europa

Mit der EG-Richtlinie 2003/30/EC ^[2] verfolgt die europäische Gemeinschaft das Ziel, die Verwendung von Biokraftstoffen oder anderen erneuerbaren Kraftstoffen als Ersatz für Otto- und Dieselkraftstoffe im Verkehrssektor zu fördern. Dazu zählt auch Bioethanol, gemischt mit Benzin. Die Vorgabe dieser sogenannten Biokraftstoffrichtlinie ist, dass Biokraftstoffe und andere erneuerbare Kraftstoffe bis zum 31. Dezember 2010 einen Mindestanteil von 5,75 % (bezogen auf den Energiegehalt) der Kraftstoffe ausmachen sollen. Die Richtlinie wurde mit der zehnten Verordnung (BImSchV) zur Durchführung des BImSchG am 9. August 2004 in Deutschland umgesetzt.

Zusätzlich erlaubt die Energiesteuer-Richtlinie (2003/96/EC) es den Mitgliedstaaten, die Mineralölsteuer für Biokraftstoffe bis zu 100 % zu erlassen. Deutschland befreite auf dieser Grundlage Biokraftstoffe oder Mischungen vom 1. Januar 2004 bis 31. Dezember 2009 von der Mineralölsteuer.

Großbritannien verfolgt eine Politik, die Nutzung von Biokraftstoffen einschließlich Ethanol zu stärken, obwohl die Besteuerung alternativer Treibstoffe wie Biodiesel fast genauso hoch ist wie auf konventionelle fossile Treibstoffe. Spanien ist der größte Produzent von Bioethanol in Europa. Hier werden vor allem Gerste und Weizen vergoren. In Schweden werden Flexible Fuel Vehicles (FFV) bereits seit 2001 vermarktet. Das Ethanol wird in Schweden aus Getreide, Zuckerrohr und auch aus Abfällen der heimischen Holzverarbeitung erzeugt. An mehr als 140 öffentlichen Tankstellen steht E85 zu Verfügung.

Die derzeit größte europäische Anlage steht im brandenburgischen Schwedt. Sie gewinnt aus 500.000 t Roggen jährlich 180.000 t Bioethanol.^[3] In Deutschlands zweitgrößter Anlage in Zeitz (Sachsen-Anhalt) werden aus Weizen 260.000 m³/a Bioethanol von CropEnergies, früher Südzucker Bioethanol GmbH, einer Tochter der Südzucker AG, produziert. Daneben wird mit dem Verfahren ein eiweißreiches Tierfuttermittel gewonnen. Ein Ausbau auf 360.000 m³/a ist geplant.

Bioethanol und Biodiesel wurden zuerst nicht wie das fossile Mineralöl extra besteuert und waren somit besonders attraktiv; seit dem 1. August 2006 wird Biodiesel nach dem "Gesetz zur Neuregelung der Besteuerung von Energieerzeugnissen und zur Änderung des Stromsteuergesetzes" mit bis zum Jahr 2012 sukzessive steigenden Sätzen besteuert. Zusätzlich soll es ab dem 1. Januar 2007 ein "Biokraftstoffquotengesetz" geben, das eine Beimischung zu herkömmlichen Kraftstoffen verbindlich vorschreibt. Als Quoten (energieäquivalent) werden 4,4 % für Biodiesel zu Diesel und 2,0 % für Bioethanol zu Ottokraftstoff (3 % ab 1.1.2010) diskutiert. In Höhe der Beimischungsquote muss sofort der volle Steuersatz (Biodiesel 47 Cent, Bioethanol 65,4 Cent) entrichtet werden.

[Bearbeiten] Auswirkungen auf die Umwelt

[Bearbeiten] Energiebilanz

Bioethanol ist eine nachwachsende Energiequelle, deren Produktion jedoch auch auf fossile Energieträger angewiesen ist - so werden z. B. für den intensiven Anbau Pestizide und Dünger gebraucht, für deren Produktion teilweise Erdöl notwendig wird.

Damit Ethanol-Kraftstoff einen sinnvollen Beitrag zur Energiewirtschaft leisten kann, muss die Herstellung eine positive Energiebilanz aufweisen. Das ist mit der heutigen Technik möglich.

Für die Bestimmung der Energiebilanz sind einige Faktoren entscheidend:

• die im Ethanol enthaltene Energie
• die Energie der Nebenprodukte, die während der Ethanolherstellung erzeugt werden
• die Energie, die bei der Ethanolgewinnung verloren geht
• die Energie zum Anbau der Biomasse (z.B. Diesel für Traktoren)
• Prozessenergie für die Destillation

Der höhere Oktanwert von Ethanol kann einen höheren Wirkungsgrad bei der Umwandlung von chemischer Energie in mechanische Energie ermöglichen.

Die Nettoenergiebilanz der Alkoholerzeugung war nicht immer eindeutig positiv, aber die Industrie konnte innerhalb der letzten 10 Jahre einige entscheidende Durchbrüche erzielen. Am „Institute For Brewing and Distilling“ in Lexington (Kentucky) gelang beispielsweise die natürliche Selektion einer extrem thermostabilen Hefe, die eine Gärung bei weit höheren Temperaturen als bisher üblich erlaubt und unter Laborbedingungen Alkoholgehalte bis zu 23 % in der Vergärung von Mais erreicht; ein deutlicher Schritt gegenüber den sonst üblichen 13 bis 14 %. Die hohe Gärungstemperatur bedeutet eine erhebliche Energieersparnis bei der Kühlung und hinsichtlich der Dauer des Gärvorgangs. Sie ermöglicht eine vollständigere Vergärung der Maische. Auch die Enzyme, die den Rohstoffen zugesetzt werden, um Stärke aufzuschließen und Glukose freizusetzen (-Amylasen, Glucoamylasen), haben eine Revolution erlebt. Die Wiederentdeckung des jahrtausend alten Verfahrens der Trockenfermentation (Koji) bringt leistungsfähigere und temperaturtolerante Enzymkomplexe hervor, die nicht nur Stärke und Zucker, sondern auch Zellulosen und Hemizellulosen aufschließen. Aber nicht nur die biologische Seite der Fermentation, sondern auch die Anlagentechnik hat bedeutende Fortschritte erfahren. Der Wasserverbrauch wurde deutlich reduziert, durch neues Hygienemanagement sind Infektionen des Systems vermeidbar und durch Wasserentziehung mittels Molekularsieben (Zeolithe) ist nahezu reines Ethanol nach der Destillation zu erzielen. Die Sorge um eine negative Energiebilanz ist begründet, kann aber durch neue Technologien überholt werden und die ökonomischen Herausforderungen sind durch die Betrachtungen des Gesamtkonzeptes einer „Fermentation von Getreide“ bezwingbar.

Mit Blick auf die Bilanzen zu Energie, Treibhausgas und Wirtschaftlichkeit schneidet Getreide bei kalkulatorischer Berücksichtigung des Futterwertes der Nachprodukte am Besten ab. Die vielfach aufgeworfene Frage, ob angesichts des ungelösten Hungerproblems in der Welt die Nutzung von Nahrungsmittelpflanzen zum Betrieb von Autos ethisch zu rechtfertigen ist, bleibt davon unberührt, ebenso die Frage, ob der hohe und wachsende Beschaffungsdruck sich auf die Ertragsfähigkeit der Böden nicht schon relativ schnell negativ auswirken könnte. Engpässe könnten in Deutschland durch Nutzung der stillgelegten landwirtschaftlichen Flächen für Energiepflanzen überwunden werden.

[Bearbeiten] Luftverschmutzung

Verglichen mit konventionellem bleifreiem Benzin verbrennt Ethanol sauberer zu Kohlendioxid und Wasser. In den USA fordert der Clean Air Act den Zusatz sauerstoffreicher Verbindungen, um den Ausstoß von Kohlenstoffmonoxid zu reduzieren. Die Verwendung des grundwassergefährdenden Zusatzes MTBE wird reduziert und durch Ethanol ersetzt.

Durch die Verwendung von reinem Ethanol (E100) anstelle von Benzin wird der gemessene Kohlendioxidausstoß um etwa 13 % reduziert. Effektiv wird durch den Photosynthese-Kreislauf der Ausstoß jedoch sogar um über 80 % verringert.

Den Vorteilen steht die Umweltbelastung durch die Produktion von Ethanol gegenüber. Zudem ist die zukünftig mögliche Produktionsmenge an Bioethanol durch die begrenzte Agrarfläche eingeschränkt bzw. es müssten neue Ackerflächen entstehen. Dadurch könnten z. B. Wälder oder andere Biotope in Gefahr geraten und Brachflächen wieder aktiviert werden.

[Bearbeiten] Auswirkungen auf die Landwirtschaft

Falls die Nachfrage nach Bioethanol weiter steigt, sind intensive Anbaumethoden notwendig. Die Nachteile von Monokulturen sind bekannt. In Europa könnten Anbauflächen, anstatt sie mit Subventionen stillzulegen, zur Produktion von Bioethanol oder -diesel genutzt werden. In Entwicklungs- und Schwellenländern könnte die Nachfrage nach Bioethanol auf dem Weltmarkt zu einer Verlagerung der angebauten Pflanzen führen. Der Anbau von Lebensmitteln könnte zugunsten von devisenbringenden Ethanolpflanzen vernachlässigt werden. Verantwortungslose Anbaumethoden könnten auch zu verstärkter Rodung von Regenwäldern führen.

[Bearbeiten] Landwirtschaft und Ökonomie

---

---

Getreide Hafer, Roggen, Gerste, Weizen und Triticale liefern nach Durchlaufen der Fermentation je nach Verfahren weit höherwertigere Futtermittel als Mais, Kartoffeln und Zuckerrüben es bisher ermöglichten. Mit Proteingehalten von 40 % und höher erreichen diese fermentierten Getreidefutter vielleicht potenziell größere Märkte als nur der Einsatz im Kraftfutter für Milchvieh wie bisher. Im Ethanolpreis müssen die Brenner jedoch mit dem Weltmarkt konkurrieren, denn Kraftstoffalkohol fällt als frei handelbares Gut nicht unter die regulatorischen Maßnahmen des Branntweinmonopols - ein harter Kampf.

Prognosen für die europäische Produktion zeigen einem jährlichen Ausstoß von 7 Millionen Tonnen getrocknetem, fermentierten Futter, davon alleine eine Million Tonnen in Deutschland, wozu deutsche Destillerien bis zu 3 Millionen Tonnen Getreide aus der Landwirtschaft einkaufen. Aber neben wenigen Pilotprojekten in kleinem Rahmen existieren diese Anlagen in Deutschland bisher nur auf dem Papier und nun gilt es, die Fehler der amerikanischen Ethanolbranche nicht zu wiederholen. Dort sind von über 250 Unternehmen, die vor 20 Jahren in dieses Geschäft einstiegen, nur zwei große übrig geblieben. Der Untergang dieser Projekte ist größtenteils auf einen wesentlichen Fehler zurückzuführen: Mangelndes Verständnis für das Potential des erzeugten Nebenproduktes als Futtermittel. Die anfallende Schlempe wurde meist gratis oder nur kostendeckend an die Landwirtschaft abgegeben. Dies wird heute von den deutschen Schnapsbrennern ähnlich praktiziert, jedoch verdienen diese Unternehmen am eigenen Markenprodukt oder am höherwertigem Neutralalkohol in Getränkequalität. Für Ethanol als Biokraftstoff jedoch steht der Preis fest. Ökonomische Beweglichkeit gibt es daher im Rohwareneinkauf und in der Vermarktung der Nebenerzeugnisse.

Ein hoher Preis für die erzeugten Futter im Markt ist realistisch, denn ein nach QS-Kriterien bewertetes europäisches Erzeugnis, hergestellt durch ein natürliches Fermentationsverfahren unter Einbeziehung aller futtermittelrechtlichen Regularien, ist genau, was der Markt heute offen begrüßt.

Jenseits des Atlantik sieht man diese Gedankengänge mit Sorge, denn etwa ein Fünftel der dort anfallenden Maiskleberfutter exportiert die nordamerikanische Ethanolbranche nach Europa. Große Anstrengungen werden nun unternommen weitere Anwendungen für „DDGS“ (destillers dry grain solubles) zu suchen. Die Entwicklung wird deutlich in der 2002 eröffneten Bioraffinerie in Springfield, Kentucky, der weltweit einzigen Anlage dieser Art. Dort entwickelt Alltech Inc. für die Ethanol- und Futtermittelbranche nachgelagerte Gärprozesse zur Erzeugung höherwertiger Futtermittel und neuer Lebensmittelzusätze, sowie neue Zellulosekomplexe als Futterzusatzstoffe.

[Bearbeiten] Wirtschaftliche Aspekte

Einige Wirtschaftswissenschaftler argumentieren, dass Bioethanol als Benzinersatz nur durch staatliche Subventionen für Landwirte und Industrie rentabel sei. Laut dem US-amerikanischen Energieministerium erhält man für jede Energieeinheit, die für die Herstellung von Ethanol eingesetzt wird, 1,3 Einheiten zurück.

Durch intensivere Landwirtschaft, höhere Erträge und eventuell gentechnisch veränderte Pflanzen könnte die Ethanolherstellung aus wirtschaftlicher Sicht rentabler werden. An speziellen Züchtungen und Genmanipulationen wird geforscht. Ein hoher Rohölpreis lässt auch die Verwendung anderer Biomasse (z.B. Stroh) wirtschaftlich interessant werden.

Da der Bedarf an der limitierten Ressource Erdöl - auch durch die wirtschaftliche Entwicklung in China - weiter steigen wird, sind hohe Ölpreise zu erwarten. Politisches Ziel einiger Länder ist es, sich von Ölimporten weniger abhängig zu machen und einen Energiemix anzustreben. Da in Regionen wie den USA oder Europa nicht soviel Bioethanol produziert werden kann, wie für den Ersatz von Erdöl nötig wäre, könnte jedoch eine neue Abhängigkeit von Importen aus Ländern mit entsprechenden Anbau- und Produktionsmöglichkeiten entstehen.

[Bearbeiten] Potential

In Brasilien geht man von einer landwirtschaftlich Nutzfläche von 320 Millionen Hektar aus. Davon werden insgesamt nur 53 Millionen Hektar genutzt. Zuckerrohr wird auf 5,6 Millionen Hektar angepflanzt. Die Hälfte davon wird zu 15 Millionen m³ Bioethanol verarbeitet. Daraus ergibt sich ein Potential von 269,8 Millionen Hektar (31 % der Landesfläche) für die Bioethanolproduktion bzw. 1445 Millionen m³ Bioethanol pro Jahr. Dies entspricht einem Energieäquivalent von 19,4 Millionen Barrel Öl pro Tag bzw. 23 % der derzeitigen Weltölproduktion (85 Millionen Barrel pro Tag).

Die Bioethanolproduktion in Brasilien steigt jährlich um etwa 5 Millionen m³ (25 Millionen Barrel Erdöläquivalent). Allerdings steigt der weltweite Ölbedarf im gleichen Zeitraum um 776 Millionen Barrel (2,5 % jährlich). Angesichts dieser Tatsache wird Bioethanol in naher Zukunft keinen relevanten Beitrag leisten können. Die Produktion müsste weltweit massiv ausgebaut werden. Einen Anreiz dazu können nur Fördermaßnahmen bzw. sehr hohe Erdölpreise sein.

[Bearbeiten] Ausblick

Der modernere Blickwinkel sieht das Herstellen eines hochwertigen Futtermittels mit Ethanol als Nebenprodukt. Gleich auf welches Produktionsziel die Betreiber ihr Augenmerk richten, so begünstigt der biologische und technische Fortschritt die Wirtschaftlichkeit aller anfallenden Produkte, denn eine effizientere Maischepräparation führt zu einer effizienteren Gärung aber auch zu reduzierten Wasserverbrauch, geringeren Trocknungskosten und zu weniger Faserbestandteilen im Endprodukt. Eine effizientere Gärung ermöglicht auch höhere Gehalte wertvolleren Proteins. Fortschritte bei Destillation und Alkoholtrennung bedeuten mehr Alkoholertrag und Fortschritte bei der Gestaltung von Trocknungsanlagen bedeuten kostengünstigere Produktion des Futters. Eine effizient laufende Anlage erzeugt zudem Futter in konstanter Qualität, wie sie die Mischfutterbranche sucht. Als 8 bis 9 % Ethanol aus der Gärung Standard waren, war die Diskussion um 14 % Utopie. Gute Anlagen in Nordamerika fahren heute bereits 17 bis 18 %, sogar 19 % Ethanol und Prof. Ingledew von der University of Saskatchewan in Kanada diskutiert Ethanolerträge über 20 % als zukünftigen Standard in der Gärung. Eine Steigerung der Effizienz des gesamten Systems ist auch bedeutsam für die Beurteilung von Ethanol als ökologisch ausbalancierte Energiequelle durch die Öffentlichkeit. Bisherige ökologische Gutachten auf Basis veralteter Daten fielen eher zugunsten der Nutzung von Biogas oder Holz aus.

Die Fermentation von Getreide bedeutet im Wesentlichen einen Abbau antinutritiver Effekte, die Erhöhung der Verdaulichkeit der Mineralstoffe (Phosphor), eine teilweise Aufspaltung der Faserfraktionen und eine deutliche Erhöhung des Proteinanteils bei verbesserter Pansenstabilität. Da der Fermentationsprozess im Wesentlichen zu einer Konzentration der Inhaltsstoffe führt, birgt dieser Prozess auch Risiken, die nur durch Sorgfalt im Einkauf und der Anlagenführung zu bewältigen sind. Denn auch die Konzentrationen einiger unerwünschter Stoffe wie Schwermetalle und Mykotoxine erhöhen sich im Endprodukt.

Historisch lag gerade darin stets der große Vorteil in der Reinheit der alkoholischen Erzeugnisse aus Destillationsverfahren, denn unerwünschte Bestandteile blieben in der Schlempe zurück. Fusarientoxine werden durch die Maischepräparationen und das Gärverfahren nicht abgebaut und liegen relativ zur Rohware im Endprodukt in bis zu doppelter Konzentration vor. Dieses Phänomen bedeutet auch, dass bisher eher im Hintergrund auftretende Toxine wie Fusarinsäure in ein kritisches Niveau gelangen können. Für den Ablauf des Gärungsverfahrens selbst ist die Toxinkonzentration eher von untergeordneter Rolle, da die Empfindlichkeit der eingesetzten Hefekulturen weit höhere Konzentrationen betrifft als sie die Tierernährung diskutiert.

Der Rohwareneinkauf künftiger Brennereien, die Futter erzeugen möchten, muss also sehr hohe Qualitätsanforderungen, ähnlich denen der Brauindustrie verbindlich in der Landwirtschaft durchsetzen und diese beim Futterverkauf argumentativ nutzen. Neben der Reinheit bestimmen nicht Proteingehalt und Fallzahl sondern Stärke und Feuchte den Preis, da geringe Schwankungen im Stärke- und Feuchtegehalt der Rohwaren unmittelbar mit der Alkoholausbeute korrelieren. Die Hoffnung, Biokraftstoffanlagen böten ein ideales Medium zur Vermarktung drittklassiger Ware oder könnten gar der Beseitigung nicht verkehrsfähiger Getreide dienen, ist schnell zerschlagen. Neue oder schlicht andere Qualitätskriterien bestimmen den Markt und gerade darin liegt wiederum die große Chance für die heimische Ware gegenüber dem Import.

Europa blickt heute auf Kraftstoffalkohol unter dem Aspekt der Erfüllung des Kyoto-Protokolls und potentieller neuer Märkte für die Landwirtschaft. Nach der Einführung von Biodiesel unter der Förderung des Anbaus nachwachsender Rohstoffe ist dieser Ansatz für die Landwirtschaft nicht neu, jedoch wurde bald deutlich, dass Diesel nicht für alle Energiemärkte interessant ist und die Öffentlichkeit ein Auge auf die Energiebilanz des Gesamtkonzeptes wirft. Die Frage, ob nach Einbeziehung des Aufwands für den Anbau, der Raffinierung, Weiterverarbeitung und Entsorgung netto mehr Energie erzeugt wird als aufgewendet wurde und ob das Verfahren netto zu Reduktion der CO2-Ausscheidungen beiträgt, steht ständig zur Diskussion. Hinzu kommt die noch ungelöste Frage, ob die Öffentlichkeit gentechnisch veränderte Pflanzen zur Erzielung höherer Erträge in diesem Zusammenhang akzeptieren möchte.

[Bearbeiten] Geschichte

Nikolaus August Otto verwendete 1860 Ethanol als Kraftstoff in den Prototypen seines Verbrennungsmotors.

Der Autoindustrielle Henry Ford konzipierte sein legendäres T-Modell, mit dem er die Serienproduktion von Autos revolutionierte, auf der Grundlage, dass Ethanol der eigentliche Kraftstoff für dieses "Volks-Auto" sei. Ford glaubte, dass Ethanol der Treibstoff der Zukunft sei, der zugleich der Landwirtschaft neue Wachstumsimpulse bringen würde: "The fuel of the future is going to come from fruit like that sumach out by the road, or from apples, weeds, sawdust – almost anything".

In Deutschland war Bioethanol bereits seit 1925 als Mittel zur Erhöhung der Klopffestigkeit auf dem Markt, wurde aber jahrzehntelang von einer hochgiftigen Bleiverbindung verdrängt. Heute wird Ethanol zu diesem Zweck wieder eingesetzt.

[Bearbeiten] Siehe auch

• Biodiesel
• BtL-Kraftstoff
• Biokraftstoff
• Ethanol

[Bearbeiten] Weblinks

• FAZ-Artikel Ethanol aus Pflanzenabfällen vom 12.10.2005
• www.E85.biz mit Ethanoltankstellenliste (PDF)
• Bioethanol als Kraftstoff – Stand und Perspektiven
• Datenbank von Ethanol Tankstellen und Umrüstern in Deutschland inkl. Forum
• Technology-Fotoessay über den Bio-Ethanol-Anbau in Brasilien
• Bioethanol Initiative E85-NRW.de
• Soziale Informationen zum Zuckerrohranbau in Brasilien
• Erste öffentliche Bioethanol-Tankstelle Deutschlands

[Bearbeiten] Quellen

1. ↑ Office of Science and Office of Energy Efficiency and Renewable Energy US Department of Energy Page: Biofuels Joint Roadmap, June 2006, p 26-27
2. ↑ siehe Amtsblatt Link
3. ↑ http://www.mluv.brandenburg.de/cms/detail.php/5lbm1.c.123505.de