Regenerative Kraftstoffe Experimentalvortrag von Jan Grosse Austing SS07.
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Regenerative Kraftstoffe
Experimentalvortrag von Jan Grosse AustingSS07
Gliederung
1. Einleitung2. Biodiesel3. Bioethanol4. BtL-Kraftstoffe (Fischer-Tropsch)5. kurzes Fazit6. Schulrelevanz
Regenerative Energien zurzeit kontrovers diskutiert
1) Erdölverknappung2) Klimawandel
1. Einleitung
1. Einleitung
Anteil Verkehr an Emissionen von Treibhausgasen
Kraftwerke (43 %)
Haushalte (15 %)
Verkehr (20 %)
Industriefeuerungen (15%)
Gewerbe, Handel, Dienstleistungen (7 %)
• Interesse an Regenerativen Kraftstoffen („Biosprit“) groß
• dazu zählen: Biodiesel, Bioethanol, BtL-Kraftstoffe, Biowasserstoff, Biomethanol, Biogas u.a.
1. Einleitung
2. Biodiesel
• Biodiesel ist ein Gemisch von Fettsäuremethylestern (bei Herstellung aus Raps: Rapsölmethylester (RME))
• Rapsöl: besteht aus Triglyceriden, Gewinnung aus Rapssamen
Ölsäuretriglycerid
CH3
OCH3
OCH3
O
O
O
O
2. Biodiesel
2. Biodiesel
im Rapsöl veresterte Fettsäuren hauptsächlich:
• Ölsäure (C18:1; 50-65 %)
• Linolsäure (C18:2; 15-30 %)
• Linolensäure (C18:3; 5-13 %)
O
OH CH3
Linolsäure
O
OHCH3
Linolensäure
Versuch 1Herstellung von Biodiesel
2. Biodiesel
Reaktionsgleichung:
+ CH3 OH3CH3OKat.:
O
R2
O
CH3
OH
OH
OH
O
R1
O
CH3
+ + +
Triglycerid Methanol Glycerin Rapsölmethylester (RME)
R3
O R2
O R1
O
O
O
O
O
R3
O
CH3
NaOH + CH3 OH Na + + OH2CH3 O
2. BiodieselMechanismus:
O
OO
R1
R3
R2
O
O
O
+CH3O
R3
O
OO
R1
O
R2
O
O
O
CH3
R3
O O
CH3
+O
OO
R1
R2
OO
2. Biodiesel
O
OO
R1
R2
OO
+ CH3OH OH
OO
R1
R2
OO +
OH
OO
R1
R2
OO
+ CH3 OH2 ; Kat: CH3O
R2
O
O
CH3
OH
OH
OH
R1
O
O
CH3
+ +
CH3O
2. Biodiesel
• Umesterung ist eine Gleichgewichtsreaktion (ca. 25 % nicht-umgesetztes Rapsöl in Versuch 1)
• industriell: CD-Verfahren (continuously deglycerolizing)
2. Biodiesel
Warum Umesterung?
- Absenkung der Cetanzahl (Maß für die Zündwilligkeit)
- RME hat geringere Viskosität als Rapsöl
CH3CH3
Cetan (C16H34)
Demo 1Vergleich der Viskositäten
2. Biodiesel
• Literaturwerte:
Kraftstoff Diesel Biodiesel Rapsöl
kinematische Viskosität [ in mm2/s, bei 40 °C]
2,0-4,5 3,5-5,0 38
Demo 2Verbrennung von Diesel
bzw. Biodiesel
2. Biodiesel
Zwischenbilanz
Vorteile Biodiesel gegenüber Diesel
1. regenerativ (je nach Quelle 30-80 % CO2-Verringerung)
2. Verringerung Ruß-Emissionen (bis zu 50 %)
3. Biodiesel ist schwefelarm
4. Biodiesel besser umweltverträglich
2. Biodiesel
Nachteile Biodiesel gegenüber Diesel
1. geringerer Heizwert als Diesel
2. in Biodiesel kann sich Wasser lösen → Korrosionsprobleme
3. teure Herstellung
3. Bioethanol
3. Bioethanol• Verwendung von Bioethanol als Treibstoff
- rein
- in Gemischen mit Benzin, z.B.a) bis 5 Vol.-% schon heute in Deutschland im Otto- Kraftstoff möglich
b) E85 (85 Vol-% EtOH, 15 Vol-% Benzin)
3. Bioethanol
Ethanol-Produktion
1. Vergärung von zucker- bzw. stärkehaltigen Pflanzen
- evtl. Spaltung der Stärke
- Vergärung
6 10 5 2 6 12 6 Enzymn
Glukose aqStärke s
C H O n H O n C H O
6 12 6 2 2 5 2 2 Hefeaq g aq
Glukose Kohlendioxid Ethanol
C H O CO C H OH
3. Bioethanol
2. Destillation → hochprozentiges Ethanol (bis max. 97 Vol - % EtOH,
azeotropes Gemisch mit Wasser)
3. Bioethanol
3. Absolutierung
als Treibstoff wird 99,5-99,8 %iger Alkohol benötigt, letzter Wasserentzug durch
a) Schleppmittelverfahren b) Membranverfahrenc) Molekularsiebverfahren
Versuch 2Wasserentzug durch
Molekularsieb
3. Bioethanol
3. Bioethanol• Bestimmung des Ethanolanteils mithilfe einer
DichtetabelleDichte (20 °C) [g/mL] Vol-% Ethanol
0,81942 93,20,81674 940,81401 94,70,81127 95,40,80848 96,10,80567 96,70,8028 97,4
0,79988 98,10,79688 98,70,79383 99,30,79074 100
3. Bioethanol
• „Molekularsieb“ ist ein Zeolith ( = Alumosilikat mit großer innerer Oberfläche und „Käfigen“)
• → Adsorption von Wasser
• Molekularsieb 3A ist ein Zeolith A mit Kalium als Gegenion
3. Bioethanol
Erträge von Ethanol [L/ha]
0 2000 4000 6000 8000
Zuckerrohr (Brasilien)
Mais (USA)
Weizen (EU)
2.-größter Bioethanol-Produzent: Brasilien
- 34 % der Weltproduktion (2006)- 40 % des Kraftstoffbedarfs durch Ethanol gedeckt- 50 % aller PKW fahren mit E85
3. Bioethanol
Versuch 3Explosion eines E85-
Luftgemisches
3. Bioethanol
analoge Explosion findet im Otto-Motor statt:
Benzin (Hautbestandteil Alkane, n ≈ 5-11):
Ethanol:
2 2 2 2 23 1 1 n nC H n O n CO n H O ~
2 5 2 2 23 2 3 C H OH O CO H O ~
4. BtL-Kraftstoffe
4. BtL-Kraftstoffe
• BtL (Biomass to Liquid) -Kraftstoffe: - synthetische Kraftstoffe - ausgehend von Synthesegas (Gemisch von CO/H2, aus Kohle oder Holz, neuerdings auch Biomasse aller Art)
• Synthese von Kohlenwasserstoffen nach der Fischer-Tropsch-Synthese (1925)
4. BtL-Kraftstoffe
• bereits im 2. Weltkrieg zur Treibstoffversorgung angewendet, Synthesegas aus Kohle
• heutige Bestrebungen: Synthesegas aus nachwachsenden Rohstoffen (Holz, andere Biomasse)
Versuch 4Holzvergasung
4. BtL-Kraftstoffe
wichtigste Holzbestandteile
1. Cellulose (35 %)
2. Hemicellulose (20 %)
3. Lignin (20 %) (unregelmäßiges Phenol-Polymer)
4. Wasser (25 %)
Polysaccharide
4. BtL-Kraftstoffe
• unter Luftausschluss wird Holz zu
a) Holzgas (gasförmig) b) Holzgeist (flüssig) c) Holzkohle/Holzteer (fest)
pyrolysiert
• die Holzvergasung kann wie folgt beschrieben werden:
2
2 4
2
8 4 8
k m n s g gs
k m n s g g gs
mC H O k n C n CO H
m m mC H O k n C n CO H CH
Holzgas-Zusammensetzung
CO 34 %
H2 2 %
C2H4 2 %
CH4 13 %
N2 -
CO2 49 %
Gas-Zusammensetzung nach zusätzlicher unterstöchiometrischer Oxidation von Holkohle/-teer
20 %
20 %
-2 %45 %13 %
Versuch 5Fischer-Tropsch-Synthese
4. BtL-Kraftstoffe
H2
CH4„Einspritz“-Peak
4. BtL-Kraftstoffe
• Reaktionsgleichung hier :
2 2 0 4 1 1 2
/2 4 23 Cog l gg gCO H C H H O
4 mol Gas 2 mol Gas (bzw. ≈ 1 mol Gas, wenn H2O(l))
4. BtL-Kraftstoffe
• allgemeine Reaktionsgleichung der Fischer-Tropsch-Synthese (Hauptprodukt: n-Alkane):
• hier eigentlich nur Vorgänger-Reaktion der FTS, da kein Kettenwachstum
2 2 0 2/ 3 1 1 2
. /2 22 2 / / 2 1 Co bzw Fe
g l gng n s l gn CO n H C H n H O
4. BtL-Kraftstoffe
(möglicher) Mechanismus der Reaktion:
C O + H2
C
O
..
Co-Oberfläche
H H
. .
H
.
H
.
C
.. .
O
.
OH2
H2
CH3
.
CO CH2
. .
CH
. . .
CH2
CH3
.
H2CO
CH2
. .
CH2
. .
OH2
.
CH2(CH2)nCH3
H2
CH3(CH2)nCH3
4. BtL-Kraftstoffe
• typische Zusammensetzung eines Fischer-Tropsch-Synthese-Produktgemisches
C10 - C21 (≈ 60 %)
4. BtL-Kraftstoffe
Franz Fischer in seinem Labor (1918)
5. Kurzes Fazit• fossile Kraftstoffe werden mittel- bis längerfristig knapper
• Biokraftstoffe besserer CO2-Gesamthaushalt als fossile Kraftstoffe, gewisse Emissionen vorteilhafter als bei fossilen Kraftstoffe
• aber kein „geschlossener“ CO2-Kreislauf
5. Kurzes Fazit
5. Kurzes Fazit
• Herstellungskosten der Kraftstoffe [in €/L Kraftstoffäquivalent]
*Nettopreis bei 61 Dollar je Barrel Rohöl (Brent)
Biodiesel aus RapsRapsöl
Bioethanol aus...Zuckerrohr (Brasilien)
…Getreide…Zuckerrüben
Biomethan (Biogas)BtL
Zum Vergleich:Benzin*Super*Diesel*
0,690,69
0,51
0,31
0,72
0,88
0,74
1,03
0,38
0,40
0,47
5. Kurzes Fazit
• Biotreibstoffe oft mit Nahrungsmittelproduktion eng verkettet(z.B. Anstieg des Weltmarktpreises von Mais um 80 % in 2006 → Massendemonstrationen in Mexiko wegen Preisanstieg für Zutat Maismehl für Volksspeise Tortilla)
5. Kurzes Fazit
• teilweise ökologische Aspekte sehr fragwürdig (z.B. Abholzung des Regenwaldes zum Anbau von Ölpalmen für Palmöl-Produktion in Indonesien)
6. Schulrelevanz• allgemein Regenerative Energien sehr aktuell
• praxisnahes Thema
• Behandlung von Ökobilanzen ermöglicht Hinterfragen von Umweltschutz-Konzepten
• schöne fächerübergreifende Zusammenhänge zwischen Geschichte, Politik, Chemie (Fischer-Tropsch)
6. Schulrelevanz
Hessischer Lehrplan G8
• 9G.3: - Erdöl etc.
• 10G: - Alkanole
- fakultativ: Alkohole als Treibstoffzusatz
6. Schulrelevanz
• 11G.1: - Mechanismus der Esterbildung- und -verseifung, mehrwertige
Alkohole (Glycerin)
• 11G.2: - Fette
• 12G.2: - Wahlthema Angewandte Chemie (u.a. „Vom Raps zum Biodiesel“)
„Drink the best
and drive the rest!“
Danke für Ihre Aufmerksamkeit!
Gärung
Säurekatalysierte Spaltung von Stärke
O
OH
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OH
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H / H2OO
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+ H
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OH
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- HO
OHH
HH
OHOH
H OH
H
OH
O
CHH
H
OHOH
H OH
H
OH
+
Struktur von Cellulose
Struktur von Lignin
Struktur von Hemicellulose