Synthetische Biokraftstoffe

BtL-Kraftstoff (Biomass to Liquid, deutsch: Biomasse zu Flüssigkeit) bezeichnet Kraftstoffe, die aus Biomasse synthetisiert werden. Hierzu wird in einem ersten Verfahrensschritt mittels Vergasung ein Synthesegas erzeugt. Im zweiten Schritt wird hieraus der Treibstoff synthetisiert.

Im Gegensatz zu Biodiesel wird BtL-Kraftstoff allgemein aus fester Biomasse (z. B. Holz, Stroh), also aus Cellulose, Hemicellulose und Lignin und nicht aus Ölfrüchten hergestellt. Die gesamte geerntete Biomasse wird somit für die Kraftstoffproduktion verwendet. Damit kann je nach Ausgangsprodukt evtl. ein höherer Hektar-Ertrag für die genutzte Biomasse erzielt werden.

Allerdings gehen bei der thermischen Umwandlung je nach Verfahren und Nebenprodukten (Strom, Wärme, Naphtha) 30%-60% der in der Biomasse gespeicherten Energie verloren. Der Treibstoffertrag pro Hektar ist somit nicht zwingend höher als bei anderen Biotreibstoffen und kann je nach Ausgangsmaterial und Verfahren stark schwanken.

Die ökologischen Nachteile von Monokulturen dürften wegfallen wenn Waldholz oder Abfälle verwendet werden. Bei Verwendung von landwirtschaftlich produzierten Energiepflanzen, z.B. Chinaschilf oder Weidenholz, ergeben sich ähnliche ökologische Probleme wie bei anderen Biotreibstoffen.Inhaltsverzeichnis [Verbergen]

Sorten und Anwendung synthetischer Biokraftstoffe

Prinzipiell können mit der BtL-Herstellung, die aus einer Kombination mehrerer Verfahrensschritte besteht, verschiedenste Kraftstoffsorten erzeugt werden. So eignet sich BtL-Diesel hervorragend zur Beimischung zu „normalem“ Diesel. Jedoch können auch vollkommen neu entwickelte und auf moderne Motoren abgestimmte Kraftstoffe erzeugt werden.

Die BtL-Kraftstofferzeugung befindet sich allerdings noch in der Entwicklungsphase. Hauptsächlich wird derzeit an der Herstellung von Dieselkraftstoffen geforscht. Sie sollen unter Bezeichnungen wie SunDiesel oder Eco-Par vertrieben werden. Eine Pilotanlage läuft seit April 2003 in Sachsen (CHOREN Industries GmbH, Freiberg) mit Unterstützung des Deutschen Bundesministeriums für Wirtschaft in Kooperation mit der DaimlerChrysler AG und der Volkswagen AG, sowie als Partner von Shell.

Geschichtlicher Hintergrund synthetischer Biokraftstoffe

Die Motivation zur Entwicklung von BtL-Kraftstoff entstammt nicht zuletzt der Annahme, dass in wenigen Jahrzehnten nicht mehr ausreichend Rohöl gefördert werden kann, um die Nachfrage zu decken.

Auch Erdöl entsteht auf natürlichem Wege aus organischen Materialien, welche sich unter hohem Druck und Temperatur in Kerogene wandeln und später in Kohlenwasserstoffe. Da diese leichter als Wasser sind, wandern sie bis unter eine undurchlässigen Gesteinsschicht um dort eine Lagerstätte zu bilden.

Erste Versuche

Die Techniken zur Herstellung und Umwandlung von Synthesegas mit der Fischer-Tropsch-Synthese in einen flüssigen Kraftstoff sind bereits seit den 1920ern bekannt. Sie wurden teilweise auch schon im Zweiten Weltkrieg in Deutschland zur Herstellung von Kraftstoff mittels Kohleverflüssigung angewendet und in der DDR weiterentwickelt. Die DDR mit ihren reichen Braunkohlevorkommen und Erdölmangel besaß ein Kompetenzzentrum für Kohleverarbeitung, das Deutsche Brennstoffinstitut (DBI). Es befand sich in Freiberg.

Es gelang jedoch nicht, die Verfahren effektiv zu kombinieren, da das Synthesegas nicht die notwendigen Reinheit (Teerfreiheit) besaß und der zusätzliche technische Aufwand und damit die Kosten im Vergleich zur Förderung und Verarbeitung von Rohöl zu hoch waren.

In Südafrika hingegen waren mit dem Öl-Embargo spezielle Bedingungen eingekehrt, die zur (Coal-to-liquid) CtL-Produktion zwangen. Diese notwendige Produktion wurde reinen Markterwägung übergeordnet. Also konnte der Prozess dort existieren. Dafür steht (bis in die Gegenwart) die Marke Sasol.

Herstellung

Die Verarbeitung beginnt damit, die stark wasserhaltige Biomasse zu trocknen. Als Ausgangsmaterial finden sowohl Biomasseabfälle, wie Stroh oder Restholz, als auch speziell für die Kraftstofferzeugung angebaute Nutzpflanzen Verwendung. Die getrocknete Biomasse wird zunächst zu Synthesegas umgewandelt und dann in einer chemischen Synthese (meist das sogenannte Fischer-Tropsch-Verfahren) verflüssigt.

Moderne Syntheseverfahren

Es gibt bereits verschiedene Verfahren im Demonstrationsmaßstab, wie das der deutschen Choren Industries GmbH, womit Biomasse, im Größenmaßstab von einigen hundert Litern am Tag, zu BtL-Kraftstoff umgewandelt werden kann. Geplant ist dabei, das Carbo-V-Verfahren von Choren zur Produktion von Biogas mit dem von Shell entwickelten Shell Middle Distillate Synthesis, einem weiterentwickelten Fischer-Tropsch-Verfahren, zu kombinieren. Shell erzeugt damit bereits im großindustriellen Maßstab im malaysischen Bintulu GtL-Kraftstoff aus Erdgas und mischt ihn seinem „V-Power“-Kraftstoff bei.

Eine weitere Anlage im vorläufig kleineren Maßstab ist die Anlage in Güssing (Österreich) [2]. Hier wird mit einer Holzwirbelschichtvergasung Synthesegas hergestellt, das vorläufig in einem Motor abgearbeitet wird. An der Installation einer Fischer-Tropsch-Anlage wird gearbeitet. Ab Frühling 2007 sollte es gasförmigen Treibstoff an einer Tankstelle geben. Flüssige Treibstoffe sollten etwa ab Herbst 2007 angeboten werden.

Carbo-V-Verfahren

Dieses Verfahren beruht auf einem zweistufigen Prozess, wobei zuerst bei ca. 450 °C die stückige Biomasse in Koks und teerhaltiges Schwelgas zerlegt wird. Während der Biokoks ausgeschleust und zermahlen wird, erfolgt bei ca. 1500 °C eine Flugstromvergasung, so dass die längerkettigen Kohlenwasserstoffe des Schwelgases in einfache Moleküle und damit in ein teerfreies Synthesegas zerlegt werden können. Die hohe Temperatur dieses Gases wird anschließend benutzt, um den ausgeschleusten Biokoks bei nun 900 °C ebenfalls zu vergasen. Das damit entstandene Rohgas ist teerfrei und nach dem Entstauben und Waschen von ähnlicher Qualität wie aus Erdgas erzeugtes Synthesegas.

Kraftstoffeigenschaften

Es gibt derzeit nur Messwerte aus Pilotanlagen

BtL-Kraftstoff ist frei von Schwefel und Aromaten. Durch die Steuerung des Synthese-Prozesses kann der Treibstoff gezielt auf niedrige Stickoxid- und Rußemissionswerte „eingestellt“ werden. Der Einsatz von BtL-Kraftstoff erfordert keine oder nur geringfügige Änderungen am Verbrennungsmotor und keine speziellen Zuleitungen, was einen Vorteil gegenüber dem Einsatz von Rapsmethylester (Biodiesel) gesehen wird.

Marken synthetischer Kraftstoffe

Biotrol / SunFuel / SunDiesel

Die Begriffe SunFuel und SunDiesel sind eingetragene Marken von Volkswagen. DaimlerChrysler verwendete die Bezeichnung Biotrol. Hersteller dieses Kraftstoffes ist die deutsche Firma Choren Industries.

SunDiesel ist eine wasserklare, ölige Flüssigkeit und frei von Schwefel und Aromaten. Sie ist wesentlich schadstoffärmer als vergleichbare Kraftstoffe (35 - 55 %) und verbrennt unter weniger Ausstoß von Schadstoffen. Der Kraftstoff zeichnet sich durch eine, im Vergleich zu herkömmlichem Diesel, viel geringere Anzahl an verschiedenen im Gemisch enthaltenen Stoffen aus. Diesel hat rund 400, SunDiesel nur etwa 10 Bestandteile. Durch richtige Spezifikation entweder des Kraftstoffs (z.B. durch Anpassung der Dichte) oder auch des Motors, lässt sich eine „genauere“ Verbrennung erzielen, was dann die Emissionen von Ruß, Kohlenmonoxid und auch Stickoxiden reduziert. Ein weiterer Vorteil ist die hohe Cetanzahl von über 70 (Maß für die Zündwilligkeit; das EU-Mindestmaß beträgt 49).

Geschichte

Mitte der 1990er hatte der Leiter des Deutschen Brennstoffinstituts in der DDR Bodo Wolf die Idee, aus Holz Kraftstoff herzustellen. Unter Kombination des Carbo-V-Verfahrens (dreistufiges Vergasungsverfahren, bei dem Biomasse zu Synthesegas umgewandelt wird, das sich durch Teerfreiheit und geringe Methananteile auszeichnet) mit dem der Fischer-Tropsch-Synthese (großtechnisches Verfahren zur Umwandlung von Synthesegas in flüssige Kohlenwasserstoffe) könnte ein zweistufiges BtL-Verfahren zur Anwendung kommen.

Produktion und Markteinführung synthetischer Biokraftstoffe

In größerem Stil wird die SunDiesel-Produktion bei der sächsischen Firma Choren Industries betrieben. Nach drei Jahren der Forschung an einer Pilotanlage ist 2006 im sächsischen Freiberg die „Beta-Anlage“ angelaufen.

Im August 2005 hat Choren vereinbart, zusammen mit dem Mineralölkonzern Shell die weltweit erste großtechnische Fertigungsanlage für 18 Mio. Litern BtL-Kraftstoff im Jahr zu errichten. Die Anlage wurde im April 2008 fertigestellt und soll in den nächsten Monaten in Betrieb gehen. Dann soll sie Treibstoff zu Kosten von 1,00 Euro je Liter produzieren [4]. Die angepeilte Jahresproduktion von 15.000 Tonnen soll als erste Tankfüllung von neuen Mercedes- und VW-Automobilen ausgeliefert werden.

Ab 2009 ist der Bau einer Großanlage für 400 Mio. Euro in Schwedt geplant, deren Jahresproduktion dann 200.000 Tonnen betragen soll. Die Biomasse soll aus der näheren Umgebung stammen, wodurch indirekt und direkt neue Arbeitsplätze geschaffen werden. Mit der anlaufenden Massenproduktion soll der Anteil von GtL (Gas To Liquids: Umwandlung von Erdgas in flüssige synthetische Produkte) von 5% an der Kraftstoffmarke „V-Power“ durch BtL ersetzt werden. Der Anteil soll dann noch vergrößert werden, was Vorteile bei den Auspuffemissionen bringt.

Es wird erwartet, dann zu 0,60 Euro je Liter Treibstoff produzieren zu können und damit in der Größenordnung von Biodiesel aus Raps zu liegen. Der Hersteller plant zudem weitere dieser Anlagen, mögliche Standorte sind u.a. Brunsbüttel in Schleswig-Holstein und Lubmin in Mecklenburg-Vorpommern.

Umweltauswirkungen

Theoretisch kann jeder Dieselmotor auch mit BtL-Kraftstoff betrieben werden. In ersten Praxismessungen ergab sich ein verringerter Ausstoß von (unverbrannten) Kohlenwasserstoffen (um 40%), Kohlenmonoxid und Rußpartikeln bei der Verbrennung. Allerdings musste auch ein leichter Leistungsverlust hingenommen werden. Für eine vollständige Beurteilung müssen jedoch auch die zusätzlichen Emissionen dieser Schadstoffe bei der Treibstoffherstellung berücksichtigt werden, die diese Minderemissionen bei der Verbrennung teilweise aufwiegen.

Etwa 5 bis 10 Kilogramm Holz sind notwendig um 1 kg BTL zu produzieren. Erste optimistischen Schätzungen zufolge soll sich auf einem Hektar Ackerland soviel Biomasse anbauen lassen, dass daraus jährlich ca. 4000 Liter BtL-Kraftstoff hergestellt werden können [6]. Neuere Berechnungen in einem europäischen Forschungsprojekt ergaben maximal 2300 kg BTL-Kraftstoff pro Hektar bei der Nutzung von Kurzumtriebsholz. Die Umwandlungsgrade und Flächenerträge schwanken dabei je nach Verfahren und Art der Biomasse [5]

Die Umweltauswirkungen der Herstellung von BTL-Treibstoff hängen vor allem von der Art der eingesetzten Biomasse ab. Wie bei anderen Biotreibstoffen auch führt die Verwendung von Abfällen oder Waldholz zu eher geringeren Umweltbelastungen. Bei Verwendung von Energiepflanzen sind die Umweltbelastungen hingegen höher und die Treibhausgaseinsparungen geringer. Ein weiteres wichtiges Kriterium ist der Umwandlungsgrad, der auch davon abhängt ob im Verfahren noch Strom- und Wärme produziert werden [1]. Es besteht also ein Zielkonflikt zwischen hohen Treibstofferträgen auf der einen Seite und möglichst geringen Umweltbelastungen auf der anderen Seite.

Vergleich von Biokraftstoffen in Deutschland

Theoretisch kann jede verfügbare pflanzliche Biomasse in den BtL-Prozess eingebracht werden. Damit ist die nutzbare Biomasse nicht mehr auf Energiepflanzen beschränkt. Es können auch ohnehin anfallende Pflanzenabfälle, z.B. Schnittgut von Grünanlagen und Straßenrändern, Laub, Restholz u.a. verwendet werden, die bisher nicht energetisch genutzt werden. Allerdings wird das Verfahren bisher nur mit Holz (Hackschnitzeln) betrieben. Eine Verwertung der anderen Biomassequellen wäre hingegen mit Cellulose-Ethanol gegeben.

Zur Herstellung der heute vermarkteten Kraftstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen, also z.B. Bioethanol und Biodiesel, werden stärke- und ölreiche Produkte pflanzlicher Herkunft (also Getreide, Raps, Kartoffeln, Zuckerrüben und -rohr) genutzt. Dadurch ergeben sich die Gefahr von Monokulturen, Konkurrenz mit der Nahrungsmittelproduktion und Einschränkungen in der Kraftstoffproduktivität pro landwirtschaftlicher Flächeneinheit.

Einige dieser Einschränkungen entfallen bei Verfahren wie BtL oder Cellulose-Ethanol wenn eine Diversifizierung der genutzten Rohstoffe tatsächlich verwirklicht wird. Eine gewisse Menge organischer Masse muss im Ackerbau und auch in der Forstwirtschaft aber auch hier auf den Flächen verbleiben, um den Humusgehalt des Bodens und das Bodenleben zu erhalten bzw. zu fördern, oder es müssen andere organische Dünger als Ausgleich eingebracht werden. Eine Alternative zu BtL stellt Cellulose-Ethanol dar. Dieser regenerative Kraftstoff kann wie BtL aus pflanzlichen Abfallstoffen hergestellt werden. Der Herstellungsprozess ist jedoch wesentlich weniger aufwändig und damit günstiger. Seine Entwicklung wird u.a. in den USA stark gefördert.

Nachteile

Bisher gelang das Verfahren nur mit Holz. Allein für den Betrieb einer der geplanten Großanlagen müsste eine Fläche von der Größe Berlins mit Bäumen bepflanzt werden. Diese Fläche stünde dann langfristig nicht mehr für den Ackerbau zur Verfügung. Allerdings gibt es in Deutschland zahlreiche brachliegende Ackerflächen und vielerorts wird ohnehin über Wiederaufforstungen nachgedacht. Außerdem ist auch der Einsatz von Durchforstungsholz und Holzabfällen möglich und vorgesehen, die in bereits vorhandenen Wäldern sowieso anfallen.

Die langfristigen Auswirkungen von zusätzlichen Biomassen-Entnahmen auf das Ökosystem "Wald" wurden bisher noch kaum untersucht. Beobachtungen von Baumringen in historischen Waldnutzungskontexten (Waldweide, Brennholz) scheinen eine Abhängigkeit des Baumwuchsverhaltens von der im Wald belassenen Biomasse zu zeigen, d.h. eine zusätzliche Entnahme hat negative Auswirkungen.

Der zeitweilig geplante Import von Holz aus Russland ist aufgrund langer Transportwege ökonomisch nicht sinnvoll. Beim Einsatz von Holz aus Kurzumtriebsplantagen sind die Erträge zwar höher, dafür ergeben sich allerdings auch höhere Umweltbelastungen aus der Bereitstellung der Biomasse.

Inzwischen ist es im Versuch auch gelungen, Kraftstoff aus Stroh zu gewinnen. Dieses Verfahren ist aber noch nicht effektiv und für eine Massenherstellung momentan noch ungeeignet.

Ein Zielkonflikt gibt es auch hinsichtlich der Produktionskosten. Biomasse-Transporte sind ein wichtiger Faktor für die Kosten. Somit ist die Verwendung von Abfällen und Reststoffen unter Umständen weniger attraktiv.

Für eine Energiebilanz von BtL-Kraftstoffen muss neben dem notwendigen Energieeinsatz zur Bereitstellung des Ausgangsmaterials (Ernte-, Transport- und Schredder-Energieeinsatz) auch der Energieeinsatz bei der eigentlichen Umwandlung (Heizung und Druckerzeugung) berücksichtigt werden.