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Regenerative Kraftstoffe Experimentalvortrag von Jan Grosse Austing SS07

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Regenerative Kraftstoffe

Experimentalvortrag von Jan Grosse AustingSS07

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Gliederung

1. Einleitung2. Biodiesel3. Bioethanol4. BtL-Kraftstoffe (Fischer-Tropsch)5. kurzes Fazit6. Schulrelevanz

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Regenerative Energien zurzeit kontrovers diskutiert

1) Erdölverknappung2) Klimawandel

1. Einleitung

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1. Einleitung

Anteil Verkehr an Emissionen von Treibhausgasen

Kraftwerke (43 %)

Haushalte (15 %)

Verkehr (20 %)

Industriefeuerungen (15%)

Gewerbe, Handel, Dienstleistungen (7 %)

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• Interesse an Regenerativen Kraftstoffen („Biosprit“) groß

• dazu zählen: Biodiesel, Bioethanol, BtL-Kraftstoffe, Biowasserstoff, Biomethanol, Biogas u.a.

1. Einleitung

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2. Biodiesel

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• 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

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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

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Versuch 1Herstellung von Biodiesel

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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

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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

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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

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2. Biodiesel

• Umesterung ist eine Gleichgewichtsreaktion (ca. 25 % nicht-umgesetztes Rapsöl in Versuch 1)

• industriell: CD-Verfahren (continuously deglycerolizing)

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2. Biodiesel

Warum Umesterung?

- Absenkung der Cetanzahl (Maß für die Zündwilligkeit)

- RME hat geringere Viskosität als Rapsöl

CH3CH3

Cetan (C16H34)

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Demo 1Vergleich der Viskositäten

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2. Biodiesel

• Literaturwerte:

Kraftstoff Diesel Biodiesel Rapsöl

kinematische Viskosität [ in mm2/s, bei 40 °C]

2,0-4,5 3,5-5,0 38

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Demo 2Verbrennung von Diesel

bzw. Biodiesel

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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

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2. Biodiesel

Nachteile Biodiesel gegenüber Diesel

1. geringerer Heizwert als Diesel

2. in Biodiesel kann sich Wasser lösen → Korrosionsprobleme

3. teure Herstellung

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3. Bioethanol

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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)

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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

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3. Bioethanol

2. Destillation → hochprozentiges Ethanol (bis max. 97 Vol - % EtOH,

azeotropes Gemisch mit Wasser)

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3. Bioethanol

3. Absolutierung

als Treibstoff wird 99,5-99,8 %iger Alkohol benötigt, letzter Wasserentzug durch

a) Schleppmittelverfahren b) Membranverfahrenc) Molekularsiebverfahren

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Versuch 2Wasserentzug durch

Molekularsieb

3. Bioethanol

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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

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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

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3. Bioethanol

Erträge von Ethanol [L/ha]

0 2000 4000 6000 8000

Zuckerrohr (Brasilien)

Mais (USA)

Weizen (EU)

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2.-größter Bioethanol-Produzent: Brasilien

- 34 % der Weltproduktion (2006)- 40 % des Kraftstoffbedarfs durch Ethanol gedeckt- 50 % aller PKW fahren mit E85

3. Bioethanol

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Versuch 3Explosion eines E85-

Luftgemisches

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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 ~

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4. BtL-Kraftstoffe

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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)

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4. BtL-Kraftstoffe

• bereits im 2. Weltkrieg zur Treibstoffversorgung angewendet, Synthesegas aus Kohle

• heutige Bestrebungen: Synthesegas aus nachwachsenden Rohstoffen (Holz, andere Biomasse)

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Versuch 4Holzvergasung

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4. BtL-Kraftstoffe

wichtigste Holzbestandteile

1. Cellulose (35 %)

2. Hemicellulose (20 %)

3. Lignin (20 %) (unregelmäßiges Phenol-Polymer)

4. Wasser (25 %)

Polysaccharide

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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

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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 %

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Versuch 5Fischer-Tropsch-Synthese

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4. BtL-Kraftstoffe

H2

CH4„Einspritz“-Peak

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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))

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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

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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

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4. BtL-Kraftstoffe

• typische Zusammensetzung eines Fischer-Tropsch-Synthese-Produktgemisches

C10 - C21 (≈ 60 %)

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4. BtL-Kraftstoffe

Franz Fischer in seinem Labor (1918)

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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

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5. Kurzes Fazit

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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

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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)

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5. Kurzes Fazit

• teilweise ökologische Aspekte sehr fragwürdig (z.B. Abholzung des Regenwaldes zum Anbau von Ölpalmen für Palmöl-Produktion in Indonesien)

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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)

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6. Schulrelevanz

Hessischer Lehrplan G8

• 9G.3: - Erdöl etc.

• 10G: - Alkanole

- fakultativ: Alkohole als Treibstoffzusatz

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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“)

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„Drink the best

and drive the rest!“

Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

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Gärung

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Säurekatalysierte Spaltung von Stärke

O

OH

HH

OH

H OH

H

OH

O

HH

H

OOH

H OH

H

OH

O ......

n

H / H2OO

OHH

HH

OHOH

H OH

H

OH

2n

O

OH

HH

OH

H OH

H

OH

O

HH

H

OOH

H OH

H

OH

O ......

n

+ H

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O

OH

HH

OH

H OH

H

OH

O

HH

H

OOH

H OH

H

OH

O ......

H

n

O

CHH

H

OHOH

H OH

H

OH

O

OHH

HH

OH

H OH

H

OH

OH

+

O

CHH

H

OHOH

H OH

H

OH

O

CHH

H

OHOH

H OH

H

OH

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OH2

O

HH

H

OHOH

H OH

H

OH

OH

H

- HO

OHH

HH

OHOH

H OH

H

OH

O

CHH

H

OHOH

H OH

H

OH

+

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Struktur von Cellulose

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Struktur von Lignin

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Struktur von Hemicellulose

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