„Bioethanol im Brennpunkt der nachhaltigen Energie- und Chemiewirtschaft“

Wladimir Reschetilowski und Matthias Schmidt

Mit der Erdölverknappung und -verteuerung in den letzten Jahrzehnten hat die Suche nach alternativen Energie- und Chemierohstoffen immer mehr an Bedeutung gewonnen. In letzter Zeit wird die Biomasse als erneuerbare Rohstoffgrundlage diskutiert (Aktuelle Wochenschau Nr. 4, 2008). Dabei steht die Umwandlung von Biomasse zu Bioethanol als universellem Rohstoff mit hohem Nachhaltigkeitspotenzial im Mittelpunkt des wissenschaftlichen und technischen Interesses. Neben der energetischen Nutzung kann Bioethanol darüber hinaus als Plattformchemikalie zum Aufbau neuer Chemikalienstammbäume verwendet werden (Aktuelle Wochenschau 2008, Nr.8). Derzeit stellt sich jedoch die Frage, inwieweit es gelingt, die hochwertigen Kraftstoffe der Zukunft sowie Grundchemikalien aus Bioethanol ökonomisch und ökologisch effizient zu erzeugen.

Herkunft von Bioethanol

Reiner Alkohol (Ethanol) wurde erstmals durch den persischen Arzt, Naturwissenschaftler und Philosophen ABU BAKR MOHAMMAD IBN ZAKARIYA AL-RAZI (864 bis 930) durch die Destillation von Wein gewonnen. Er nannte die gewonnene Substanz "Alkoll", was im Arabischen "das Ganze" bedeutet. Mit der Bezeichnung Bioethanol wird Ethanol deklariert, das man ausschließlich aus regenerativer Biomasse erzeugt. Chemisch gesehen gibt es keinen Unterschied zwischen Bioethanol und synthetisch hergestelltem Ethanol.

Rohstoffe für Bioethanol sind zuckerhaltige Pflanzen (Zuckerrübe, Zuckerhirse, Zuckerrohr), stärkehaltige Pflanzen (Getreide, Kartoffeln) und lignocellulosehaltige Pflanzen (Stroh, Heu, Holz). Bioethanol wird immer durch Gärung von fermentierbaren Kohlenhydraten hergestellt. Solche Kohlenhydrate sind gewöhnlich Zucker, wie Saccharose, Maltose, Glucose, Fructose, Galactose, Xylose u. a.. Je nach eingesetztem Rohstoff unterscheiden sich die Technologien zur Gewinnung von fermentierbaren Zuckern. Die einzelnen Technologien sind im Detail sehr komplex und können wie folgt charakterisiert werden:

Bioethanol als Kraftstoff

Bereits 1860 verwendete NICOLAUS AUGUST OTTO (1832 bis 1891) Ethanol als Kraftstoff in den Prototypen seines Verbrennungsmotors. Später bezeichnete HENRY FORD (1863 bis 1947) Ethanol als den "Kraftstoff der Zukunft". Ethanol verbessert die Klopffestigkeit des Motors, so dass ein mit Ethanol betriebener Motor ohne Antiklopfmittelzusätze auskommt. Außerdem hat Ethanol eine höhere Octanzahl als Benzin. Das Kraftstoffgemisch E85, bestehend aus 85 Vol.-% Ethanol und 15 Vol.-% Benzin, hat eine Octanzahl von 104 und trägt zur Verbesserung der Motorleistung bei. Vor diesem Hintergrund gewinnen Biomassen als Rohstoffquelle für die Ethanolproduktion sowie Technologien zu ihrer Konversion in Biokraftstoffe einen immer höheren Stellenwert in der Volkswirtschaft (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ethanolmengen zur weltweiten Verwendung als Treibstoff (schwarz), in der Industrie (weiß) und als Genussmittel (grau)

Mit der Richtlinie 2003/30/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 8. Mai 2003 zur Förderung der Verwendung von Biokraftstoffen oder anderen erneuerbaren Kraftstoffen im Verkehrssektor wurde in Europa der Grundstein für eine breite Anwendung von Biokraftstoffen gelegt (Abbildung 2).

Abbildung 1: Auswirkungen der Richtlinie 2003/30/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 8. Mai 2003 zur Förderung der Verwendung von Biokraftstoffen oder anderen erneuerbaren Kraftstoffen im Verkehrssektor auf die Produktion von Ethanol in Europa

Die Richtlinie und die Euronorm EN DIN 228 lassen es zu, Ethanol in Mengen bis zu 5 Vol.-% dem herkömmlichen Kraftstoff zuzumischen. Der resultierende E5-Kraftstoff kann in modernen Motoren ohne Umrüstung genutzt werden. Im Sommer 2002 erließ das Bundesministerium der Finanzen eine Verordnung zur Steuerbefreiung u. a. von Ethanol als Biokraftstoff, um dessen Beimischung zu fossilen Kraftstoffen zu fördern (Anlehnung an die EG Verordnung 92/81/EWG Art. 8, No. 4).

In Deutschland bestehen derzeit Produktionskapazitäten von ca. 600.000 t Ethanol im Jahr, das vornehmlich aus zucker- und stärkehaltigen Rohstoffen, aber auch aus pflanzlichen Abfällen, Holz, Stroh oder Ganzpflanzen hergestellt wird. Da Ethanol bis zu einem Prozentsatz von 5 Vol.-% genehmigungsfrei zu herkömmlichen Kraftstoffen hinzugemischt werden darf, ergibt sich eine jährliche Substitutionsmenge von 1.250 kt. In Zukunft sind jedoch Steigerungen der Substitutionsmengen um das Zwei- bis Dreifache vorgesehen. Generell ist eine vollständige Substitution ohne größeren technischen Aufwand möglich.

Im Hinblick auf Bioethanol wird heute von Biokraftstoffen der ersten und zweiten Generation gesprochen. Biokraftstoff und speziell Bioethanol der ersten Generation wird vornehmlich mittels konventioneller Technologien aus zucker- oder stärkehaltigen Pflanzen hergestellt. Zukünftig werden neue Technologien in der Lage sein, Zucker und Ethanol verstärkt aus lignocellulosehaltigen Rohstoffen zu erzeugen, und damit den Grundstein für die Kraftstoffe der zweiten Generation zu legen. Im Unterschied zu den Biokraftstoffen der ersten Generation stützen sich die Vorzüge dieses Konzepts zum einen darauf, dass jede Pflanze chemisch zu 70 % aus Zuckern besteht und hier ein großes, wenig erschlossenes stoffliches Potenzial liegt. Zum anderen beschränkt es sich nicht auf spezielle Pflanzen. Deshalb können sowohl Kulturpflanzen als auch grüne Biomassen, wie zum Beispiel Heu oder auch Stroh, zu Biokraftstoffen verarbeitet werden.

Weltweit sind die etablierten Technologien zur Herstellung von Bioethanol, ihre Erforschung und Entwicklung sowie die politischen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen sehr unterschiedlich. Bioethanol als Benzinsubstitut wird in Europa und Nordamerika zumeist aus Roggen, Weizen oder Mais, in Südamerika aus Zuckerrohr mit erheblichen Kostenvorteilen gewonnen. Aufgrund des hohen Energieaufwands für den Fermentations- und Destillationsprozess weist Bioethanol keine bessere Ökobilanz auf als Biodiesel. Hinzu kommen technische Probleme beim Einsatz von Bioethanol im Kraftstoff hinsichtlich Wasseraufnahmevermögen, Phasentrennung und Dampfdruckverhalten. Bioethanol wird derzeit nur in geringen Mengen zu konventionellem Benzin beigemischt und auch dies weniger aufgrund marktwirtschaftlicher Nachfrage als wegen des gesetzlich ausgeübten Drucks. Die beiden Kraftstoffe Biodiesel und Bioethanol treten auf der Beschaffungsseite in direkte Konkurrenz zur traditionellen Verwendung als Nahrungs- und als Futtermittel. Daraus folgt zum einen der Trend zu steigenden Preisen bei steigender Produktion. Das zeigt sich bereits jetzt an der Entwicklung der Weltmarktpreise für Zucker und Weizen. Zum anderen vergrößern sich die Akzeptanzprobleme, wenn Sprit- und Nahrungsmittelherstellung direkt miteinander konfrontiert werden.

Bioethanol als Chemierohstoff

Als ein auf Biomasse basierender Rohstoff mit beispielhafter Nachhaltigkeit steht Bioethanol heutzutage vor allem verstärkt im Mittelpunkt des Interesses der stoffwandelnden Industrie. Dabei orientiert sich die Biomasseveredlung immer noch am Funktionalprinzip der klassischen Erdölraffinerien und ist hauptsächlich zu Gunsten einer Energie- und Kraftstoffwirtschaft verschoben. Im Strategiepapier BioVision 2030, das von einer Initiativgruppe ("Biobasierte industrielle Produkte") aus Industrie, kleinen und mittelständigen Unternehmen sowie aus Hochschulen und Forschungseinrichtungen als Vorlage für die Diskussion aller Parteien im Deutschen Bundestag erarbeitet wurde, wurden Forderungen zur Schaffung von Rahmenbedingungen für die industrielle stoffliche Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen in Deutschland aufgestellt. Danach sollen alle nur denkbaren Möglichkeiten ausgelotet werden, einen großen Teil des Bedarfs an den fossilen Rohstoffen Erdöl und Erdgas durch nachwachsende Rohstoffe zu decken. Dabei sollen viele katalytische Verfahren, die überwiegend in der Petrochemie entwickelt worden sind, auch für die stoffliche Verwertung der Biomasse vollständig erschlossen werden. Hier hat die heutige Chemie die einmalige Chance, ihr umfangreiches Wissen einzubringen, um die zukünftigen Grundprodukte und Produktstammbäume so zu gestalten, dass die Syntheseleistung der Natur von Beginn an ökonomisch und ökologisch sinnvoll genutzt wird.

Aus dem fossilen Rohstoff Erdöl werden beispielsweise solche Grundprodukte wie Ethen, Propen und sogenannte BTX-Aromaten (B = Benzen, T = Toluen, X = Xylen) und daraus Zwischenprodukte wie Ethenoxid, Acrylsäure, Terephthalsäure etc. hergestellt. Diese Wertschöpfungskette kann in Form eines Produktionsstammbaumes (Chemist-Tree) wiedergegeben werden, bei dem die einzelnen Produktionsverfahren in Erdölraffinerien seit Jahrzehnten erprobt mit hoher Wirtschaftlichkeit laufen (Abbildung 3).

Abbildung 3: Erdöl- und Biomasse-basierte Wertschöpfungsketten (ausgewählte Beispiele)

Die Verschiebung der Rohstoffbasis in Richtung Biomasse erfordert aufgrund des komplizierten und unterschiedlichen Aufbaus des eingesetzten Rohmaterials, wie Holz, Zuckerrüben oder Raps, einen primären und sekundären Schritt zur Herstellung von Bio-Grundchemikalien, aus denen dann sowohl bekannte (wie Acetaldehyd oder Acrylsäure) als auch neue Zwischenprodukte (wie Furandicarbonsäure) erzeugt werden. Diese Veredelungsschritte laufen in sogenannten Bioraffinerien ab (Aktuelle Wochenschau 2008, Nr. 14).

Eine Reihe von klassischen Verfahren zur Herstellung von chemischen Zwischenprodukten aus Ethanol sind seit langem bekannt und besitzen auch einen hohen Grad an technischer Reife (Abbildung 4). So erlaubt die einfach durchzuführende Dehydratisierung von Ethanol zu Ethen den direkten Anschluss an die Ethenchemie mit bekannter Produktfolge bis hin zu Kunststoffen wie Polyethylen, Polyurethan oder PVC. Atomeffizienter und somit wirtschaftlicher sind die Verarbeitungsverfahren, bei denen a priori sauerstoffhaltige Zwischenprodukte wie Acetaldehyd oder Essigsäure selektiv gebildet werden.

Abbildung 4: Klassische Verfahren zur Herstellung von Zwischenprodukten aus Ethanol

In jüngster Zeit werden verstärkt neue Möglichkeiten der Ethanolverarbeitung gesucht (Abbildung 5). Dazu gehört die säurekatalysierte Umsetzung von Ethanol mit Isobuten zu ETBE (Ethyl-tert.-Butyl-ether) bzw. mit höheren Olefinen zu hochwertigen Ethern, die MTBE (Methyl-tert.-Butyl-ether) als umweltbelastenden Kraftstoffzusatz substituieren sollen. Ganz analog sind die biobasierten Fettalkoholethoxylate, die aus Fettalkoholen und Ethylenoxid zugänglich sind, den erdölstämmigen Tensiden in ihrer biologischen Abbaubarkeit weit überlegen.

Abbildung 5: Alternative Möglichkeiten einer Ethanol-Chemie

Als noch problematisch bei den alternativen Möglichkeiten einer Ethanol-Chemie erweist sich nach wie vor die Bereitstellung von BTX-Aromaten bzw. Butadien, obwohl hier sowohl das Mobil-Verfahren als auch das LEBEDEW-Verfahren den möglichen Weg früher bereits vorgezeigt haben. In beiden Fällen war die Anwendung hochselektiver Katalysatoren eine der wesentlichen Voraussetzungen für die erfolgreiche Prozessführung.

In jüngster Zeit konnte gezeigt werden, dass es mit Hilfe von speziellen Katalysatoren auf Zeolithbasis möglich ist, aromatische Kohlenwasserstoffe, insbesondere Benzen, Toluen und Xylen (BTX-Aromaten), die als wertvolle Zwischenprodukte in der organisch-chemischen Industrie und als hochwertige Kraftstoffe verwendet werden, durch ein technisch unaufwendiges Verfahren aus Bioethanol herzustellen.

Schlussfolgerung

Bioethanol aus pflanzlicher Biomasse hat das Potenzial, als Schlüsselprodukt für die Gewinnung von hochwertigen Kraftstoffen und Grundchemikalien genutzt zu werden. Wegen der starken Verflechtung des Energiemarktes mit dem relativ kleinen Markt im Bereich erneuerbarer Rohstoffe ist jedoch die Versorgung der stoffwandelnden Industrie mit diesen Rohstoffen stets den Veränderungen auf dem Energiemarkt ausgesetzt. Deshalb wird es immer wichtiger, unter Berücksichtigung der wirtschaftlichen, ökologischen und politischen Randbedingungen, Technologien zur Marktreife zu bringen, welche das gesamte Potenzial der Biomassen als Quelle des Bioethanols - und damit der regenerativen Kraft der Sonne - nutzen.


Kontakt

Prof. Dr. Wladimir Reschetilowski
Dr. Konstantin Räuchle
Technische Universität Dresden
Professur für Technische Chemie
01062 Dresden
Tel.: +49 (0)351 463-33809
E-Mail: Wladimir.Reschetilowski@chemie.tu-dresden.de

Literaturhinweise

[1] http://de.wikipedia.org/wiki/Ethanol 16.02.2007
[2] Roehr, M.: The Biotechnology of Ethanol - Classical and Future Applications. Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH, 2001. S. 115 - 138
[3] Ford, H.: Ford Predicts Fuel from Vegetation. In: New York Times, 20. Sept. 1925, S. 24
[4] http://www.bio-kraftstoffe.info/cms35/Bioethanol.837.0.html
[5] Kamm, B.; Gruber, P.R.; Kamm, M. (Hrsg.): "Biorefineries - Industrial Processes and Products", Bde. 1 - 2. Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2006
[6] Danilina, N.; Toufar, H.; Reschetilowski, W.: Selective Catalytic Conversion of Ethanol to Basic Chemicals over Phosphorous-Modified H-ZSM-5 Zeolites. In: DGMK-Tagungsband 2006-4 "Synthesis Gas Chemistry", Hamburg, 2006. S. 141-148
[7] Positionspapier "Energieversorgung der Zukunft - der Beitrag der Chemie" der deutschen Chemieorganisationen, Koordination Prof. Dr. F. Schüth, MPI für Kohleforschung, Mühlheim. In: Erdöl Erdgas Kohle 123 (2007) 4, S. 168 - 172
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