Eigenschaften von Ethanol und Möglichkeiten der Verwendung

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1 Eigenschaften von Ethanol und Möglichkeiten der Verwendung ao.univ-prof. Dipl.-Ing. Dr. Anton FRIEDL Technische Universität Wien Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Techn. Biowissenschaften Getreidemarkt 9 A-1060 Wien Tel.: Fax: anton.friedl@tuwien.ac.at

2 Inhalt Was ist Ethanol? Rahmenbedingungen Wie wird Ethanol hergestellt? Stand der Technik (1. Generation) Entwicklung (2. Generation) Ökologische Rahmenbedingungen Wo kann Ethanol verwendet werden? Zusammenfassung / Ausblick

3 Was ist Ethanol? Chemische Bezeichnung: Andere Bezeichnung(en): Chem. Formel: Charakter: Dichte: Schmelzpunkt: Siedepunkt: Energieinhalt Kraftstoffäquivalent Ethanol (Äthanol, Ethylalkohol) Weingeist, "Alkohol", vergällt: Spiritus C 2 H 5 OH (CH 3 CH 2 OH) H H H-C-C-O-H H H Klare, farblose, würzig riechende und brennend schmeckende, leicht entzündliche Flüssigkeit 0,789 kg/dm 3 (20 C) -114,5 C 78,32 C 21,17 MJ/l 0,65 (65 % von Benzin) Ethanol ist mit Wasser in jedem Verhältnis mischbar und hygroskopisch Ethanol bildet mit Wasser ein Azeotrop mit einer Mischung mit 95,52 Vol.-% (95,57 Gew.-% und siedet bei 78,2 C

4 Ethanol Destillation / Rektification / Absolutierung Quelle: Ullmann s Encyclopedia of Industrial Chemistry, 1987

5 Weltweite Verwendung von Ethanol Quelle: Schmitz, N.; Präsentation Perspektiven der Bioethanolproduktion in Deutschland und der EU, Bio - raffiniert! Neue Wege in der Nutzung biogener Rohstoffe, Oberhausen, 16. Juli 2003

6 Anwendung von Ethanol als Treibstoff Varianten der Anwendung von Bioethanol in der EU Direkte Zumischung (z. B. E-5 oder andere Mischungsverhältnisse) Indirekte Zumischung (Benzin/ETBE) Ternäre Mischungen (Benzin/ETBE/Ethanol) Regelungen, Standards Standard für den Einsatz von Ethanol in handelsüblichen Benzin Motoren DIN EN 228 Max. Ethanol Gehalt: 5,0 Vol% Max. Ether Gehalt: 15,0 Vol% Max. Sauerstoff Gehalt : 2,7 Mol% Max. Dampfdruck (Sommer): 60,0 kpa Daher Limitationen in handelsüblichen Benzin Motoren ETBE and E5-Zumischunge FFV s Flexi Fuel Vehicles Einsatz von Ethanol and Benzin Mischungen von E10 bis E85 (85 Teile Ethanol und 15 Teilen Benzin) Die meisten Flexi-Fuel Cars in Brasilien können bis 100% Ethanol eingesetzt werden (zusätzlicher Benzin Tank für Starten bei kalten Wetter)

7 Europäische und Österreichische Regelungen Biotreibstoffe Gas H2 Total Regelung in % Basis Energie EC Austria EC EC EC , , , , (10*) * >10* >5* >40* Quelle: EU Fuels directive 2003/30/EG, BGBl II Nr Änderung der Kraftstoffverordnung 1999 * Biofuels in the European Union A Vision for 2030 and beyond

8 Bioethanol Bioethanol macht weltweit etwa 90% der Menge an Biotreibstoffen aus! Einfacher Einsatz Hohes Potential da aus vielen Arten von Biomasse herstellbar 1. Generation Zucker (Zuckerrübe, Zuckerrohr,..) Stärke (Mais, Weizen, Roggen, ) 2. Generation Lignozellulose (Stroh, Holz,..) Moderate Kosten Große und unter bestimmten Rahmenbedingungen auch kleine (dezentrale) Anlagen möglich

9 Biologische Produktion von Ethanol Produktion von Glukose 1 kg Glukose ergibt bei idealen Bedingungen 511 g Ethanol 489 g CO2 (ca. 250 l) 867 kj Wärme Biologische Umsetzung benötigt optimale Bedingungen Temperatur, ph, Substrat und Nährstoffe Konzentrationen Ethanol Konzentration unter Hemmschwelle Quelle: Kaltschmitt, Hartmann, Energie aus Biomasse, Springer 2001

10 Bilanz einer Bioethanol Anlage auf Basis Weizen Weizen 1000 kg Stärke 60% Protein 10-12% Wassergehalt 12% Quelle: Lurgi 2003 CO kg Bioethanol Anlage Basis Weizen Ethanol (99,6%) 300 kg Fuselöle 5 kg DDGS ca. 400 kg Protein 25-32% Wassergehalt 14%

11 Die Ethanol Produzenten Hefezellen Saccharomyces cerevisiae, Bäckerhefe (einzelliger Pilz) Benötigt nur kleine Mengen an Sauerstoff Maximale Ethanol Konzentration zirka 10 vol.-% Quelle:

12 Andere Ethanol Produzenten Bakterium Zymomonas mobilis (anaerobic) Kann Glukose, Fruktose, und Saccharose fermentieren Kürzere Fermentationszeiten (300%-400% schneller als Hefe) Höhere Ethanol Ausbeute (92%-94% versus 88%-90% für Hefe) Ethanol Toleranz bei Zuckerlösungen von mehr als 13 vol.-% Durch gezielte genetische Veränderungen kann die verwertbare Rohstoffbasis erweitert werden Molke, Stärke, hydrolisierte Zellulose Source:

13 Ethanol Prozess Bedingungen Mais Wasser, Enzyme Enzyme Enzyme Zerkleinern Maischprozess Verflüssigung Verzuckerung 60 C 90 C 60 C Fermentation Reinigung Absolutierung CO 2 Stillage Bio- Ethanol 35 C, 8% (wt/wt) Ethanol 105 C / 1 bar 133 C / 3,5 bar 120 C

14 Flowsheet Produktion Ethanol + DDGS Fermentation Maischeprozess Verflüssigung Verzuckerung Fermentation (8 wt% EtOH Reinigung Destillation (40 wt% EtOH Rektifikation (94 wt% EtOH Adsorption (99,8 wt%etoh DDGS-Produktion Dekanter Eindampfung Trocknung

15 Ethanolproduktion Nebenprodukt DDGS DDGS - Distillers Dried Grains with Solubles Mais DDGS 29,7 % Protein Weizen DDGS 36,2 % Protein Gerste DDGS 28,3 % Protein Source: DLG Futterwerttabelle Wiederkäuer; Universität Hohenheim Dokumentationsstelle, 1997 Quelle: Modl J. Vogelbusch; Europäische Biomassekonferenz - 28 Jänner 2005,

16 roduktion von Bioethanol Energiebedarfsverteilung Zerkleinern 2,2% Verflüssigung+Verzuckerung 9,2% DDGS Trocknung 30,3% Fermentation 1,8% Rahmenbedingunge Energiekosten DDGS Kosten (Futtermittel) Reinigung+Absolutierung 37,7% Eindampfung 16,5% Denkantation 2,1% Lagerung 0,2% Source:

17 Flowsheet Produktion Ethanol + Biogas Fermentation Maischeprozess Verflüssigung Verzuckerung Fermentation (8 wt% EtOH) Reinigung Destillation (40 wt% EtOH) Rektifikation (94 wt% EtOH) Adsorption (99,8 wt%etoh) Biogas Produktion BHKW Biogas Kessel

18 Integrierte Ethanol Produktion - Polygeneration Ethanol Produktion Nachhaltige Energiequelle KEINE fossile Energie für den Ethanolprozess Biogas + BHKW Produktion Exzellente Strom Produktion mit hohem Wirkungsgrad auch bei relativ kleinen Anlagen KEIN Abwärmeproblem (Nutzung im Ethanolprozess) Produktion von Bioethanol, Biogas, Wärme (Dampf) und Strom oder konzentriertes Bio-Methan sowie Dünger

19 Ökologischer Fußabdruck von Biotreibstoffen SPI (Sustainable Process Index) Konzept Quelle: SPIonExcel, v 2.0, Graz University of Technology, Graz, 2006,

20 Ökologischer Fußabdruck von Biotreibstoffen Quelle: Friedl et al., Edz 2007 Project-Nr

21 Biotreibstoffe der 2. Generation Ethanol-Tagung in St. Pölten

22 Biotreibstoffe 2. Generation - Lignozellulose Quelle: Schmitz 2003 (bearbeitet)

23 Produkte aus Biomasse - BIORAFFINERIE Ethanol-Tagung in St. Pölten

24 Produkte aus Biomasse - BIORAFFINERIE Quelle: Kamm B. und M.Kamm. (2001) Biobasierte industrielle Produkte und Bioraffinerie-Systeme

25 Wo kann Ethanol verwendet werden? Ethanol wird vorwiegend als Treibstoff verwendet Pharmazie (Reinalkohol) Raffinerie Ethylen als Anschlussprodukt an die Erdölraffinerie aus dem heute eine ganze Reihe von großtechnischen chemischen Synthesen für wichtige Gebrauchsgüter (Polyethylen, PVC, Ethylendichlorid, Ethylenoxid, Styren, Vinylacetat, ) erzeugt werden Chemische Industrie Acetaldehyd, Essigsäure,

26 Ethanol als industrieller Ausgangsstoff Ethanol (CH3-CH2-OH) Ethen (CH2=CH2) Acetaldehyd (CH3-CHO) Essigsäure (CH3-COOH) Ethylbenzol Ethylbromid Ethylchlorid Ethylether Ethylenchlorhydrin Ethylendiamin Ethylenglykol Ethylenimin Ethylenoxid Diethylketon Diethylenglykol Glykolester, -ether MEA, DEA, TEA Vinylacetat Polymere, Copolymere Essigsäure Acetanhydrid Aldol - Produkte Butylacetat Butylalkohol Butyraldehyd Chloral Ethylenimin Pyridine Acetamid Acetanilid Acetylchlorid Acetanhydrid Dimethylacetamid Celluloseacetat versch. Ester Quelle: Klass D.L. (1998) Biomass for renewable Energy Fuels and Chemical

27 Zusammenfassung / Ausblick Bioethanol Potentiale für Treibstoff und industrielle Rohstoffe Optimierung der gesamten Prozesskette Produktion der Rohstoffe Düngereinsatz Ethanolprozesses fossile Energieträger Produktion in Groß- und/oder Kleinanlagen Regionale Einbindung und die Wirtschaftlichkeit Entwicklung von Verfahren mit breiterer Rohstoffbasis (2. Generation) Der Einsatz von Bioethanol bietet die Möglichkeit eines CO 2 neutrale Treibstoffes