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1 Jahresarbeit Freiherr-vom-Stein-Schule, Hessisch Lichtenau Fach: Chemie Grundkurs Fachlehrer: Herr Orth Helsa, Seite 1

2 Inhaltsverzeichnis 1 Vorwort Seite 3 2 Eigenschaften Seite Vor- und Nachteile Seite Herstellung Seite Grundlagen der Herstellung Seite Herstellung nach dem Absetzigen Verfahren Seite Versuch: Herstellung von Biodiesel Seite Entwicklung von Biodiesel in Deutschland Seite Anteil von Biokraftstoff am deutschen Kraftstoffmarkt Seite Kapazität, Produktion und Absatz von Biodiesel Seite 11 5 Nachwort Seite 12 6 Fachwortverzeichnis Seite 13 7 Quellenverzeichnis Seite Literaturverzeichnis Seite Abbildungsverzeichnis Seite Internetquellen Seite 14 Seite 2

3 1 Vorwort Erneuerbare Energien spielen in der heutigen Gesellschaft eine immer größer werdende Rolle. Fossile Energiequellen waren in den letzten Jahrzehnten unsere Hauptenergiequellen. Aber wie soll es weiter gehen, wenn sie erschöpft sind, aber immer noch die Energie benötigt wird, die sie uns liefern? Energieerzeugung aus nicht fossilen Quellen ist Voraussetzung für den Weiterbestand unserer heutigen Gesellschaft. Des Weiteren ist aus ökologischer Sicht ein geschlossener Kohlenstoffdioxidkreislauf erwünscht. Erneuerbaren Energien ist eine große Zukunft bestimmt. Die Notwendigkeit der Energie machen die erneuerbaren Energien zu einem wichtigen aktuellen Thema. Flüssige Kraftstoffe spielen dabei eine große Rolle. Sie bieten eine sehr gute Lagerungsfähigkeit und haben eine große Energiedichte. Vor allem im mobilen Bereich bieten sie große Vorteile durch ihren großen Aktionsradius und ihre einfache Umwandlung in Energie. In dieser Jahresarbeit wende ich mich dem Kraftstoff Biodiesel zu. Mich fasziniert vor allem seine einfache Herstellung aus nicht fossilen Stoffen, wie Pflanzenöl aus landwirtschaftlicher Produktion und der geringe Verbrauch von Energie bei der Herstellung. Ich finde es interessant, dass man aus so vielen Stoffen Biodiesel herstellen kann. Ein Beispiel bietet die Herstellung von Biodiesel aus Abfallprodukten von der Fleischindustrie. Es wird ein eigentliches Abfallprodukt genutzt, um einen Kraftstoff herzustellen. 1,2 Ich wende mich in dieser Jahresarbeit den Eigenschaften von Biodiesel zu mit seinen Vor- und Nachteilen und seiner Entwicklung in Deutschland. Vor allem aber konzentriere ich mich auf die Herstellung von Biodiesel und die Verfahren Biodiesel zu gewinnen. Um einen umfassenden Einblick in die Herstellung von Biodiesel zu bekommen, habe ich mit Dr. Hans-Peter Löhrlein, früherer Professor der Universität Kassel und Pionier der industriellen Herstellung von Biodiesel, ein Interview geführt. Außerdem werde ich mich mit der chemischen Reaktion bei der Herstellung von Biodiesel beschäftigen und habe dazu selbst einen Versuch zur Biodieselherstellung gemacht, den ich auch vorstellen werde. Ich denke, dass ich mir mit der Jahresarbeit einen umfassenden Überblick zum Thema Biodiesel schaffen werde und die Informationen auch gut veranschaulicht in der Jahresarbeit darstellen kann. 1 Dr. Löhrlein, Hans-Peter, Loehrlein Systemtechnik, Dr. Löhrlein, Hans-Peter, Loehrlein Systemtechnik, Was ist Biodiesel?, Seite 3

4 2 Eigenschaften Dichte bei 15 C Energiedichte 0, kg/l 8,9 kwh/l Kinematische Viskosität* 1 bei 20 C 7-8 mm 2 /s Cetan-Zahl* Flammpunkt Schmelzpunkt C -12 bis -22 C Schwefel-Anteil < 0,001 % Wasser-Anteil < 0,03 % Methanol-Anteil < 0,3 % Abbildung 1: Tabelle Eigenschaften 2.1 Vor- und Nachteile Vorteile Ein Vorteil von Biodiesel ist, dass er einen höheren Energiegehalt als Benzin und eine nahezu gleiche Energiedichte als konventioneller Diesel aus Erdöl hat. Des Weiteren besitzt Biodiesel eine sehr gute Schmierfähigkeit. Dies ist auf den hohen Sauerstoffgehalt (11%) und den chemischen Aufbau zurückzuführen. Somit wird der Verschleiß im Motor reduziert. Außerdem hat Biodiesel eine relativ geringe Rußemission, was ebenfalls auf den hohen Sauerstoffgehalt zurückzuführen ist. Ein weiterer Punkt ist, dass Biodiesel die meisten Abgaswerte von konventionellem Diesel aus Erdöl unterschreitet. Bei der Verbrennung von Biodiesel entsteht in etwa so viel Kohlenstoffdioxid, wie die Pflanze, aus der das Fett bzw. Öl zur Biodieselherstellung gewonnen wurde, beim Wachstum aufgenommen hat. Durch seine ähnlichen Eigenschaften mit konventionellem Diesel ist Biodiesel gut für Dieselmotoren geeignet. Biodiesel verfügt über eine ähnliche Viskosität, einen ähnlichen Flammpunkt und eine ähnliche Cetan-Zahl wie konventioneller Diesel. Deshalb ist Biodiesel auch mit konventionellem Diesel beliebig mischbar. Des Weiteren wird Biodiesel aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt, weshalb er unbegrenzt verfügbar ist. Biodiesel ist biologisch abbaubar, weshalb er bei Unfällen nicht den Boden gefährdet. Außerdem ist Biodiesel kein Gefahrgut und mit einem Anteil von 0,001 % fast schwefelfrei. 3,4 Seite 4

5 Nachteile Die Nachteile von Biodiesel sind hingegen, dass es hygroskopisch* 3 ist und wie ein Lösungsmittel den Autolack angreift und das Motoröl verdünnt. Außerdem kann Biodiesel nur für Dieselmotoren verwendet werden und nicht für Ottomotoren. Biodiesel kann Ablagerungen bilden, die meist aus Glycerin bestehen, die die Einspritzpumpe beschädigen. Zudem beinhaltet er Alkali, was den Filter zusetzen kann. Des Weiteren kann es zu Problemen bei niedrigen Temperaturen kommen, wenn bei der Biodieselherstellung ein Ausgangsmaterial mit hohem Anteil an gesättigten Fettsäuren (z.b. Palmöl oder tierische Fette) gewählt wird, da der Biodiesel dann zähflüssig wird. Es dürfen allerdings auch nicht nur ungesättigte Fettsäuren (z.b. Sonnenblumenöl) verwendet werden, weil sonst der Biodiesel eine zu niedrige Oxidationsstabilität* 4 aufweist. Ein weiterer Punkt ist, dass Biodiesel bei der Herstellung Methanol benötigt, was die Umweltbilanz verschlechtert, weil Methanol aus fossilen Stoffen gewonnen wird. 3 3 Geitmann, Sven, Alternative Kraftstoffe: Erdgas & Flüssiggas - Biodiesel & Pflanzenöl - Wasserstoff & Strom, Womit fahre ich am besten?, 2010, S Dr. Löhrlein, Hans-Peter, PDF-Datei: Biokraftstoff-Biodiesel, Universität Kassel, Vor- & Nachteile Seite 5

6 3 Herstellung 3.1 Grundlagen der Herstellung Zur Herstellung von Biodiesel sind vor allem die Fettsäuren wichtig. Um sie zu gewinnen, wird meist Rapsöl verwendet, weil es ein ausgewogenes Verhältnis von gesättigten und ungesättigten Fettsäuren hat. Dadurch ist es sowohl oxidationsstabil und gleichzeitig im Auto auch bei -10 C startfähig. Zur Gewinnung von Rapsöl werden die Rapssamen ausgepresst und das Öl extrahiert* 5. Rapssamen enthalten etwa 40 bis 45 % Öl, weshalb sie ein guter Öllieferant sind. Der Schrot, der dabei entsteht, wir zum Beispiel zur Tierfutterherstellung genutzt. Das gewonnene Öl oder Fett aus dem Raps besteht im Wesentlichen aus Glycerin und den angelagerten Fettsäuremolekülen. Diese Verbindungen werden Triglyceride genannt. Bei der Biodieselherstellung werden die Fettsäuremoleküle von dem Glycerin abgespalten, was durch Methanol-Ionen geschieht. Methanol-Ionen entstehen meist bei der Reaktion von Methanol mit einem Katalysator (z. B. Natronlauge). Man spricht dabei von einer Umesterung. Bei diesem Prozess entsteht Fettsäuremethylester beziehungsweise Biodiesel. Außerdem entsteht bei der Verarbeitung Glycerin, was in der Pharma-, Kunststoff-, und Lackindustrie weiter genutzt wird. Das Hauptziel dieser Umesterung ist es, die Viskosität des Öls bzw. Fetts zu verringern, damit ähnliche Eigenschaften wie von konventionellem Diesel erreicht werden. Somit kann dieser Kraftstoff auch in Dieselmotoren verwendet werden. 5 Triglycerid + 3 Methanol Glycerin + 3 Fettsäuremethylester Abbildung 2: Reaktionsgleichung 5 Geitmann, Sven, Alternative Kraftstoffe: Erdgas & Flüssiggas - Biodiesel & Pflanzenöl - Wasserstoff & Strom, Womit fahre ich am besten?, 2010, S Seite 6

7 3.2 Herstellung nach dem Absetzigen Verfahren Bei der Biodieselherstellung ist das Absetzige Verfahren am meisten verwendet und verbreitet. Es ist sehr einfach durchzuführen und bei kleinen Mengen kostengünstig. Das Absetzige Verfahren ist ein zweistufiger Prozess, also an zwei Umesterungen gebunden. Zunächst wird das Methanol mit dem Katalysator in einen Mixer zusammengegeben und so lang vermischt, bis sich der Katalysator vollständig gelöst hat. Es wird genau so viel Methanol und Katalysator verwendet, wie für die vollständige Reaktion des Öls zu Biodiesel nötig ist. Anschließend gibt man das temperierte Öl zu der Methanol-Katalysator-Lösung und vermischt es. Ist die Reaktion abgelaufen, wird die entstandene Flüssigkeit in einen Absetztank gefüllt. Da das entstandene Glycerin schwerer ist als Biodiesel, setzt es sich am Boden des Tanks ab und wird abgelassen, bis nur noch Biodiesel im Tank vorhanden ist. Abbildung 3: Absetziges Verfahren Es gibt noch weitere Verfahren zur Herstellung von Biodiesel. Beispielsweise gibt es noch den zweistufigen highspeed Prozess. Dabei bewirkt ein massiver Methanolüberschuss eine schneller ablaufende Reaktion. Außerdem gibt es noch den einstufigen highspeed Prozess, bei dem nur eine Umesterung stattfindet und kein Katalysator verwendet werden muss. Durch hohe Temperaturen und hohen Druck kann das Methanol auch ohne Katalysator mit dem Öl reagieren. 6 6 Dr. Löhrlein, Hans-Peter, PDF-Datei: Biokraftstoff-Biodiesel, Universität Kassel, Verschiedene Verfahren Seite 7

8 3.3 Versuch: Herstellung von Biodiesel Versuchsprotokoll: Versuch: Herstellung von Biodiesel Chemikalien: Wir benötigen 500 ml Rapsöl, 110 ml Methanol und 5 g Natriumhydroxid. Im Bild (Links: Rapsöl, Mitte: Methanol, Rechts: Natriumhydroxid) Abbildung 4: Versuch Geräte: Wir benötigen einen Messzylinder, zwei Bechergläser, eine Waage, einen Rührstab, einen Brenner, ein Thermometer, einen Spatel und einen Dreifuß. Durchführung: 1. Wir geben 5 g Natriumhydroxid und 110 ml Methanol zusammen in ein Becherglas und rühren, bis sich das Natriumhydroxid vollständig gelöst hat. (siehe Abb.5) Abbildung 5: Versuch 2. Wir geben das Rapsöl in ein Becherglas und erhitzen es auf 55 C, aber nicht höher, weil sonst das gesundheitsschädliche Methanol im nächsten Schritt verdampft. (siehe Abb. 6) Abbildung 6: Versuch Seite 8

9 3. Nun geben wir die Lösung aus Natriumhydroxid und Methanol zum erwärmten Rapsöl und erhitzen es nicht mehr. 4. Anschließend rühren wir das Gemisch ca. 5 Minuten lang. Abbildung 7: Versuch Beobachtung: Wir beobachten, dass während des fünfminütigen Umrührens eine Verfärbung von einem hellen Gelb (siehe Abb. 7) zu einem Hellbraun (siehe Abb. 8) erfolgt. Abbildung 8: Versuch Auswertung: Im Versuch hat das Rapsöl mit Methanol unter Einfluss des Katalysators Natriumhydroxid zu Glycerin und Fettsäuremethylester oder Biodiesel reagiert. NaOH Rapsöl + Methanol Glycerin + Fettsäuremethylester (Natriumhydroxid) Abbildung 9: Reaktionsgleichung Natriumhydroxid (NaOH) wird in diesem Versuch als Katalysator verwendet, um die Reaktion zu beschleunigen. Entscheidend dabei ist das Hydroxidion. Hydroxidionen sind stark alkalisch und bilden in Anwesenheit von Methanol Methanolatanionen. Die Seite 9

10 übergebliebenen Hydroxid- und Methanolationen sind nun in der Lage die Esterbindung zwischen dem Glycerin und den Fettsäuren anzugreifen. Sie greifen an dem stark positiv geladenem Kohlenstoffatom an, das eine Doppelbindung zum Sauerstoff hat. Die Hydroxid- und Methanolationen können nun die Esterbindung zwischen dem Kohlenstoff- und dem Sauerstoffatom auftrennen und die negative Ladung auf das nun entstandene Glycerolation übertragen. Dabei verbindet sich Methanol mit den Fettsäuren zu Fettsäuremethylester oder Biodiesel. Das dreifach negativ geladene Glycerinanion reagiert nun mit drei Methanolmolekülen zu Glycerin und Methanolat. Das neu entstandene Methanolatanion ist nun wieder in der Lage Esterbindungen des Rapsöls zwischen Glycerin und Fettsäure anzugreifen. 7 Abbildung 10: Reaktionsmechanismus 7 Meier, Jürgen, Seite 10

11 4 Entwicklung von Biodiesel in Deutschland 4.1 Anteil von Biokraftstoff am deutschen Kraftstoffmarkt Im Jahr 2007 wurde das Biokraftstoffquotengesetz (BioKraftQuG) in Kraft gesetzt. Es verpflichtet die Mineralölwirtschaft in Deutschland einen bestimmten Mindestanteil von Biokraftstoffen in den Verkehr zu bringen. Seit 2009 ist gesetzlich vorgeschrieben, dass die Gesamtquote für den Biokraftstoffanteil am Kraftstoffmarkt bei 6,25 % liegen muss. Dabei leistet Biodiesel den größten Anteil und stellt somit den wichtigsten Biokraftstoff in Deutschland dar. Im Jahr 2013 erreichte Biodiesel einen Anteil von ca. 6 % am deutschen Dieselmarkt, der mit etwa 34 Millionen Tonnen Absatz pro Jahr der größte Dieselkraftstoffmarkt in Europa ist Produktion und Absatz von Biodiesel Die Biodieselproduktion in Deutschland erreichte 2007 ihren Höhepunkt. Es wurden ca. 2,9 Millionen Tonnen Biodiesel produziert (siehe Abb. 11). Die seit 2008 steigende Besteuerung von reinem Biodiesel (B100) hat dazu geführt, dass sowohl Produktion als auch Absatz zurückgegangen sind. Die Menge an Biodiesel, die produziert wurde, betrug 2013 nur noch 2,6 Millionen Tonnen. Die Auswirkungen auf den Absatz in Deutschland waren noch drastischer lag der Absatz noch bei über 3 Millionen Tonnen, also sogar mehr als eigentlich produziert wurde hingegen lag der Absatz lediglich bei 1,7 Millionen Tonnen Biodiesel, was eine Auslastung der Produktionskapazität des deutschen Biodieselmarkts von nur 54 % bedeutet. 8 Abbildung 11: Biodieselproduktion 8 %20deutschen%20Biodieselbranche%20.pdf, Informationsblatt: Biodiesel in Deutschland, VDB, Seite 11

12 5 Nachwort Vor meiner Jahresarbeit habe ich mir die Frage gestellt, ob ein Kraftstoff wie Biodiesel wirklich unsere fossilen Kraftstoffe einmal ersetzen kann, wenn sie aufgebraucht sind. Im Laufe der Recherche zu meiner Jahresarbeit wurde mir immer klarer, dass dieser Kraftstoff wirklich die fossilen Kraftstoffe ablösen kann. Vor allem im Bereich der Mobilität ist Biodiesel ein würdiger Vertreter für die fossilen Kraftstoffe. Auch heute schon hat Biodiesel einen Einfluss auf den deutschen Kraftstoffmarkt, allerdings wird er meiner Meinung nach noch zu wenig vom Staat gefördert. Die Mengen an produziertem Biodiesel sind zum Beispiel in den letzten Jahren rückläufig, was auch zum großen Teil am Staat liegt, weil er Biodiesel besteuert hat. Die guten Eigenschaften von Biodiesel und die leichte Herstellung machen ihn zu einem Kraftstoff, mit dem man sich eine Zukunft ohne fossile Kraftstoffe vorstellen kann. Aus ökologischer Sicht ist eine Umstellung auf Biodiesel als Hauptkraftstoff ebenso erstrebenswert, weil mit ihm ein geschlossener Kohlenstoffdioxidkreislauf erreicht werden kann. Abschließend kann ich sagen, dass Biodiesel eine gesicherte Zukunft erwartet. Es bietet so große Möglichkeiten und die Notwendigkeit von flüssigen Kraftstoffen wird bestehen bleiben. Biodiesel sehe ich als einen Kraftstoff, der auf unsere Gesellschaft in Zukunft immer stärkeren Einfluss haben wird. Ich denke, dass ich mir einen sehr guten Einblick in das Thema Biodiesel verschaffen konnte und auch einen guten Einblick in das Thema in dieser Jahresarbeit geben konnte. Ich konnte mir alle Fragen beantworten, die ich mir vorher gestellt habe. Mir hat das Thema Biodiesel sehr gut gefallen, weil es aktuell ist und ich mich sowieso für alternative Energiequellen interessiere. Mich hat fasziniert, dass ich sogar ohne großen Aufwand selbst meinen eigenen Biodiesel in dem Versuch herstellen konnte. Seite 12

13 6 Fachwortverzeichnis *1. Kinematische Viskosität Dynamische Viskosität im Verhältnis zur Dichte eines Stoffes 9 *2. Cetan-Zahl Zündwilligkeit eines Kraftstoffes 10 *3. hygroskopisch Wasseranziehend 11 *4. Oxidationsstabilität Widerstandsfähigkeit von Stoffen gegenüber Oxidationsprozessen 12 *5. extrahiert Trennen von Stoffen Geitmann, Sven, Alternative Kraftstoffe: Erdgas & Flüssiggas - Biodiesel & Pflanzenöl - Wasserstoff & Strom, Womit fahre ich am besten?, 2010, S Quellenverzeichnis 7.1 Literaturverzeichnis Geitmann, Sven, Alternative Kraftstoffe: Erdgas & Flüssiggas - Biodiesel & Pflanzenöl - Wasserstoff & Strom, Womit fahre ich am besten?, Abbildungsverzeichnis Deckblatt: Biodiesel Education, University of Idaho Abbildung 1: Werner, Felix: Tabelle Eigenschaften Abbildung 2: Walter, Marlene, Reaktionsgleichung Seite 13

14 Abbildung 3: Dr. Löhrlein, Hans-Peter, PDF-Datei: Biokraftstoff-Biodiesel, Universität Kassel, Absetziges Verfahren Abbildung 4: Werner, Felix: Aufnahme, Versuch Abbildung 5: Werner, Felix: Aufnahme, Versuch Abbildung 6: Werner, Felix: Aufnahme, Versuch Abbildung 7: Werner, Felix: Aufnahme, Versuch Abbildung 8: Werner, Felix: Aufnahme, Versuch Abbildung 9: Walter, Marlene, Reaktionsgleichung Abbildung 10: Meier, Jürgen, , Reaktionsmechanismus Abbildung 11: 16%20Informationsblatt%20zur %20deutschen%20Biodieselbranche%20.pdf, Informationsblatt: Biodiesel in Deutschland, VDB, , Biodieselproduktion 7.3 Internetquellen Hans-Peter, Dr. Löhrlein, Loehrlein Systemtechnik, Hans-Peter, Dr. Löhrlein, Loehrlein Systemtechnik, Was ist Biodiesel?, Meier, Jürgen, tml, / %20Informationsblatt%20zur %20deutschen%20Biodieselbranche%20.pdf, Informationsblatt: Biodiesel in Deutschland, VDB, Seite 14

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