Lexikon: Biodiesel

 

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Biodiesel ist ein Kraftstoff mit ähnlichen Eigenschaften wie Dieselkraftstoff|Diesel, wird jedoch nicht aus , sondern aus gewonnen. Biodiesel ist daher ein Erneuerbare Energie|erneuerbarer Energieträger. Chemisch handelt es sich um Fettsäuremethylester (abgekürzt auch FAME von engl.: fatty acid methylene ester).

Herstellung

Zur Herstellung wird das Pflanzenöl mit ca. 10 % und verschiedenen en (vor allem Kaliumhydroxid, Natriumhydroxid und Alkoholate) versetzt. Bei Normaldruck und Temperaturen um 60°C werden die Esterbindungen der Triglyzeride des Pflanzenöls getrennt und die n dann mit dem Methanol verestert. Das dabei entstehende muss dann vom Biodiesel getrennt werden.

Durch diese Umesterung hat das Endprodukt eine deutlich geringere Viskosität als das Pflanzenöl und kann, ohne den Motor anpassen zu müssen, als Ersatz für mineralischen Dieselkraftstoff verwandt werden.

Die übergreifende Abkürzung aller Methylester auf Pflanzenölbasis ist

  • PME Pflanzliches Methylester nach DIN EN 14214 (gilt seit 2004 europaweit)

Je nach Art des Grundstoffes wird beispielsweise unterscheiden:

    • RME ölmethylester nach DIN EN 14214 (gilt seit 2004 europaweit)
    • SME ölmethylester oder Sonnenblumenmethylester

Daneben sind auch Methylester auf Fettbasis erhältlich:

  • AME wird für Altfettmethylester verwendet
  • FME Fett-Methylester aus sonstigen Pflanzen- und Tierstoffen nach DIN V51606

Für den Betrieb in modernen Dieselfahrzeugen sind - sofern vom Hersteller freigegeben - nur die rein pflanzlichen PME Produkte vorgesehen.

Die Schmiereigenschaften von FAME (auch als 5 % Beimischung) sind deutlich besser als Diesel, wodurch sich der Verschleiß der Einspritzmechaniken vermindert.

Nachteilig für Einspritzmechaniken ist die deutlich höhere Wasserlöslichkeit von Biodiesel. Dies begünstigt die Korrosion.

Biodiesel stellt als Kompromiss eine Anpassung eines Kraftstoffs an vorhandene Motortechnik dar, wohingegen der technisch wesentlich verbesserte Elsbett-Motor eine Anpassung an den einfachst herstellbaren Kraftstoff Pflanzenöl darstellt.

Probleme bei der Umstellung auf Biodiesel

Wenn man auf Biodiesel umstellen will, kann die Informationspolitik des Fahrzeugherstellers zum großen Problem werden. Oft erhält man erst durch hartnäckiges und zeitaufwendiges Nachfragen Auskunft, ob für den jeweiligen Fahrzeugtyp eine Freigabe für Biodiesel besteht - und obwohl es Biodiesel nun bereits seit mehr als 10 Jahren auf dem Markt (Ökonomie)|Markt gibt, sind die meisten Automobil|Autos noch immer nicht serienmäßig RME-tauglich.

Wenn man ein nicht RME-festes Fahrzeug mit Biodiesel betankt, zersetzt dieser in kurzer Zeit die treibstoffführenden Schläuche und Dichtung|Gummidichtungen. Der Grund ist, dass Biodiesel Chemie|chemisch die Eigenschaften eines Weichmachers hat, und Weichmacher ist auch in den Gummischläuchen enthalten, damit sie nicht spröde werden. Die Schläuche und Dichtungen werden daher durch den zusätzlichen Weichmacher Biodiesel regelrecht "durchweicht".

Ein weiteres Problem stellt der Kraftstoffeintrag ins Motoröl bei direkteinspritzenden Dieselmotor | Dieselmotoren dar. Dieses Problem besteht meist dann, wenn der Motor während seiner Betriebsdauer mit langen Leerlauf- und Teillastphasen betrieben wird. Mit sinkender Spritzmenge sinkt auch die Zerstäubungsqualität der Einspritzdüse, wodurch tendenziell mehr unverbrannte Kraftstofftröpfchen an die Zylinderwand und damit in den Schmierkreislauf gelangen. Da RME einen hohen Flammpunkt hat, dünstet es im heißen Motoröl praktisch nicht mehr aus, was zu einer schleichenden Erhöhung der Kraftstoffkonzentration im Motoröl führt. Nun kommt die mangelhafte chemische Stabilität des RME zum Tragen: Durch hohe örtliche Temperaturen im Schmierkreislauf zersetzt sich RME allmählich (siehe auch Cracken, Verkokung, Polymerisation), was zu festen oder schleimartigen Rückständen führt. Dies und die allgemeinen Verschlechterungen der Schmiereigenschaften des Motoröls bei hoher Kraftstoffkonzentration kann zu erhöhtem Motorverschleiß führen, weswegen bei RME-Betrieb gelegentlich auch ein kürzeres Ölwechselintervall empfohlen wird.

Ein Vorteil des RME kann sich im praktischen Einsatz in Kraftfahrzeugen auch als Nachteil auswirken: Die gute biologische Abbaubarkeit. Sie geht einher mit einer schlechten Alterungsbeständigkeit. Bakterien | Bakterienbefall, und Wasseranreicherung verschlechtern die Eigenschaften des RME nach langer Lagerung. RME wird deshalb für selten bewegte Fahrzeuge weniger empfohlen. Überaltertes RME (bzw. RME schlechter Qualität) kann zu Korrosion und/oder erhöhtem Verschleiß an elementaren Teilen der Einspritzpumpe führen. Die Folgen sind Funktionsstörungen und vorzeitiger Ausfall.

Neuere Motoren, die nicht RME-zertifiziert sind, können darüber hinaus auf Grund der anderen Verbrennung Probleme mit der Motorelektronik bekommen, die ja fest auf normalen Diesel eingestellt ist.

Erfahrungen im Nutzfahrzeugbereich zeigen, dass es nach mehrjährigem Verbrauch von Biodiesel zu Schädigungen der Kraftstoffpumpe kommen kann. Auch Korrosionsschutzschichten wie Verzinkung können von Biodiesel angegriffen werden, das hat 1999 eine Untersuchung der Darmstädter Materialprüfungsanstalt gezeigt. Kritisch war hierbei, dass Biodiesel leicht hygroskopisch wirkt, und dass in einem eventuellen Wassergehalt freie Fettsäuren den pH-Wert senken. Durch eine Beimischung konventionellen Diesels wird dieser Effekt allerdings vollständig verhindert.

Für eine bessere Akzeptanz von Biodiesel in der Bevölkerung muss auch die Verbraucherinformation verbessert werden. Eine typische Frage ist z.B., ob man Biodiesel und normalen Diesel im Tank mischen kann und darf (technisch ist dies durchaus möglich, allerdings gibt es noch ungeklärte Fragen bezüglich der Steuer|Besteuerung). Seit Oktober 2003 ist die Norm für Biodiesel (EN 14214) europaweit in Kraft und hat damit die Vor-Norm V51 606 ersetzt.

Der Rohstoff

Öl- und Fettmoleküle haben stets den gleichen Aufbau. Es sind Fettsäure-Ester, und sie enthalten den dreiwertigen Alkohol Glycerin. Das Glycerinmolekül ist auf diese Weise mit drei langen Fettsäure-Ketten (zu fast 95% C18-Ketten) verbunden.

Herstellung von Biodiesel aus Raps

Als Rohstoff für Biodiesel stellt sich unter europäischen Verhältnissen Raps als die geeignete Pflanze mit einem Ölgehalt von 40 bis 45 % dar. In der Ölmühle wird aus der Rapssaat Öl (Rüböl) gewonnen, der Rückstand geht als Rapsschrot zu Weltmarktpreisen in die Futtermittelindustrie. Öl- und Fettmoleküle sind vom Aufbau her stets Fettsäure-Ester, das heißt, drei unterschiedlich lange Fettsäure-Ketten sind mit einem gemeinsamen Glyzerin-Molekül verbunden.

In der Umesterungsanlage tauschen während der einfachen chemischen Reaktion zwischen Rapsöl und Methanol in Gegenwart eines Katalysators das dreiwertige Glyzerin und der einwertige Methanol den Platz, und es entstehen drei einzelne Fettsäuremethylester-Moleküle und ein Glyzerin -Molekül.

Vor- und Nachteile für die Umwelt

Vorteile

Dieses Schema zeigt, dass es bei der Produktion von Biodieseln keine Abfallprodukte gibt, da alle Nebenprodukte dieser Reaktion weiterverwertet werden. Der Rapsschrot, der bei der Umwandlung von Rapskorn zu Rapsöl entsteht, wird als Futtermittel benutzt. Das bei der Umesterung entstehende Glyzerin kann in der chemischen Industrie weiterverwertet werden (z.B. Kosmetik).

Nachteile

Die Verwendung von für Raps wird zum Teil als problematisch für die gesehen.

Raps ist bei der Erzeugung nicht selbstverträglich und muss in einem Fruchtwechsel angebaut werden. Das heißt, ein Anbau von Raps ist auf demselben Feld nur alle 3 bis 5 Jahre möglich. Aus diesem Grunde ist eine weitere Steigerung der Rapsproduktion schwierig.

Um den deutschen Dieselverbrauch zu ersetzen, müssten rund 300.000 Quadratkilometer Ackerland ausschließlich mit Raps-Monokulturen bepflanzt werden, das entpricht 84% Deutschland|Deutschlands - bei dieser Rechnung ist der Fruchtwechsel noch nicht einmal bedacht. Eine Verlagerung ins Ausland führt zu einer ähnlichen Import-Abhängigkeit wie beim Mineralöl.

Abwägung

Dennoch hat Pflanzenöl als Treibstoff deutliche Vorteile gegenüber konventionellen fossilen Treibstoffen. Die CO2-Bilanz ist immer günstiger als die konventionellen Dieseltreibstoffes, der auch erst durch Transport und Verarbeitung in Motoren eingesetzt werden kann. Auch die Problematik der Abhängigkeit von Importen ist bei Pflanzenölen deutlich unkritischer, da diese in weitaus mehr Ländern erzeugt werden können, als dies bei Erdöl, das großteils aus politisch unruhigen Regionen stammt, der Fall ist.

In einem geringeren Ausmaß gilt das auch für Biodiesel. Weitere Umweltwirkungen und Eigenschaften sind im Diesel-Rapsöl-Biodiesel-Vergleich dargestellt.

Weitere Fakten zum Biodiesel

  • Biodiesel wird aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt.
  • Biodiesel ist schwefelfrei (<0,001 %)
  • Biodiesel senkt deutlich die Ruß-Emission (bis zu ca. 50 %)
  • Biodiesel gibt bei der Verbrennung etwa soviel CO2 ab, wie Pflanzen beim Wachstum aufgenommen haben
  • Biodiesel enthält kein Benzol und keine anderen Aromate
  • Biodiesel verringert die Kohlenwasserstoff-Emission (bis zu ca. 40 %)

Verträglichkeit von Biodiesel im Kraftfahrzeug

Biodiesel verhält sich - im Vergleich zu herkömmlichen Dieselkraftstoff - sehr aggressiv gegenüber einigen Motor- und Kraftstoffversorgungsteilen (Dichtungen, Einspritzdüsen, Einspritzpumpen, Schläuchen, mechanischen Bauteilen, Beschichtungen etc.). Sind diese Teile nicht auch speziell für die alternative Biodiesel-Verwendung ausgelegt, können sie angegriffen werden und es besteht die Gefahr von (mitunter sehr teuren) Schäden.

Checkliste für den zukünftigen Anwender

  • Beachtung der Freigabe von serienmäßigen Dieselmotoren (Hinweise der Hersteller beachten).
  • Kraftstofffilter nach einigen ersten Tankfüllungen mit Biodiesel wechseln, da sich Biodiesel wie ein Lösungsmittel verhält und alte Ablagerungen aus Dieselkraftstoff gelöst werden und den Filter so verstopfen können
  • Lackflächen, wie auch bei herkömmlichem Diesel, sauber halten
  • Übliche Kontrolle des Kraftstoffsystems auf Leckagen

Probleme bei der Biodieselverwendung im Kfz

Es können geringe Leistungseinbußen (5 %) sowie geringfügig erhöhter Treibstoffverbrauch auftreten (5 %). Dieser Effekt ist auf das geringere Gewicht von Biodiesel zurückzuführen, was den 5% in etwa entspricht. Fahrzeuge die zusätzlich mit kraftstoffgespeisten Aggregaten ausgestattet sind (z. B. Standheizungen) dürfen nicht, oder nur mit Beimengungen (z. B. 50 %) von Biodiesel betankt werden. Biodiesel-Kraftstoffe haben die Eigenschaft, dass sie bei Temperaturen von -6°C Kristalle bilden, die zu einer Trübung führen können, ab -10°C werden diese Kristalle so groß, dass sie die Kraftstofffilter verstopfen können. Doch dieses Problem lässt sich lösen, indem man dem Kraftstoff Additive zugibt, diese sorgen dafür, dass die gebildeten Kristalle so klein bleiben, dass sie den Kraftstofffilter passieren können. Insbesondere Common Rail Dieselmotore scheinen mit Biodiesel Probleme zu haben.

Marktchancen von Biodiesel

Biodiesel entsteht durch eine sehr einfache chemische Reaktion. Die Vorteile gegenüber dem normalen Diesel für die Umwelt liegen auf der Hand: Biodiesel aus Raps weist deutlich geringere Abgaswerte auf als fossiler Kraftstoff. Der Rußausstoß wird halbiert, Kohlenwasserstoffe bis zu 40 Prozent reduziert. Biodiesel enthält fast keinerlei Schwefel, ist ungiftig und biologisch leicht abbaubar. Der Biodiesel gilt damit derzeit als einer der umweltverträglichsten Kraftstoffe auf dem Markt. Obwohl heutzutage an sehr vielen Tankstellen (1700 Tankstellen deutschlandweit) Biodiesel getankt werden kann, wird dies von viel Konsumenten jedoch nicht genutzt. Dies hat mehrere Gründe: Viele Autofahrer vertrauen dem neuen Kraftstoff nicht, da sie sich mit der Vorstellung, mit einem rein pflanzlichen Kraftstoff zu fahren, nicht anfreunden können. Ein anderes Problem ist, dass viele nicht genau wissen, ob ihr Auto überhaupt mit Biodiesel betankt werden darf, oder ob es für ihren Motor schädlich ist.

Mangelnde Informationen der Verbraucher dürfte das größte Problem sein bezüglich einer breiteren Akzeptanz des Biodiesels. Wenn sich der Biodiesel in den nächsten Jahren stärker durchsetzten soll, sollten die Autofahrer über den Biodiesel aufgeklärt werden, denn früher oder später müssen wir auf alternative Rohstoffe zum Erdöl zurückgreifen, da ja bekannt ist, dass die Vorräte des Erdöls irgendwann zu Ende gehen werden. Doch auch wenn alle Anbauflächen von Biodiesel ausgenutzt werden würden, könnte man lediglich rund 5 bis 10 % des Kraftstoffverbrauchs damit decken. Europaweit ist auch des Öfteren von Überlegungen zu hören, dem herkömmlichen Dieseltreibstoff in Zukunft ca. 3 bis 5 % Biodiesel hinzuzufügen, da dieser Biodiesel-Anteil auch für nicht vorbereitete Fahrzeuge als unbedenklich gehandelt wird. In Frankreich wird dies seit längerem praktiziert: dem gewöhnlichen Diesel wird genau diejenige Menge Biodiesel beigemischt, die die französische Landwirtschaft in der Lage ist zu produzieren. Dadurch werden technische Nachteile (Korrosion, Aufweichen s.o.) vermieden und der faktische Marktanteil des Biodiesels ist deutlich höher als in Deutschland. Biodiesel verbessert hier die Eigenschaften des mineralischen Diesels, indem die Cetan-Zahl erhöht wird, die Schmierfähigkeit des Kraftstoffs erhöht wird und die Verbrennung aufgrund des Sauerstoffanteils verbessert wird.

Alternativen zu Biodiesel

Dabei ist noch zu erwähnen, dass es auch eine geeignete Alternative zu Biodiesel gibt. Ohne hohen Aufwand für die Veresterung kann man ebenfalls reines Pflanzenöl, sogenanntes Pöl, als Kraftstoff verwenden. Dazu müssen die Motoren mit Hilfe von Umbausätzen auf diesen Kraftstoff eingestellt werden. Zwar sind alle Dieselmotoren grundsätzlich auch zur Fettverbrennung geeignet, problematisch war früher aber das physikalische Verhalten der Pflanzenöle wegen ihrer Dickflüssigkeit. Dieses Problem wurde durch Vorwärmemechanismen in der Einspritzpumpe sowie durch Verbreiterung der Kraftstoffzuleitungen bereits gelöst. Pflanzenölfahrzeuge bleiben auch im Winter voll fahrtüchtig, wenn ca. 10% normales Dieselöl zugemischt werden. Wichtig ist die Qualität des verwendeten Öls: Es dürfen nur kaltgepresste, reine Pflanzenöle nach der Weihenstephaner Norm verwendet werden. Die Verwendung von minderwertigen Ölen, oder Altöl, kann zum Motorschaden führen. Mittlerweile sind in Deutschland und Österreich bereits einige tausend mit Pflanzenöl betriebene Fahrzeuge unterwegs. Auch hier gilt – wie beim Biodiesel – dass Common-Rail-Einspritzanlagen unter Umständen Pumpenschäden bekommen können, ferner können die Einspritzdüsen durch Verbrennungsrückstände verstopft werden.

Politik

Die Europäische Union hat in ihrer Biokraftstoff-Richtlinie festgelegt, dass alle Mitgliedsstaaten bis zum Jahr 2005 den Kraftstoffen zwei Prozent Biodiesel und bis 2010 5,75 Prozent zumischen sollen. In Deutschland darf normaler Diesel schon seit 2004 mit bis zu 5 Prozent gestreckt werden. Darüber hinaus ist er bis 2009 von der Mineralölsteuer befreit.

Deutschland ist gegenwärtig der weltweit größte Markt mit einer Erzeugerkapazität von 2,5 Millionen Tonnen Rapsöl im Jahr 2005, wovon etwa 1 Millionen Tonnen im technischen Bereich verwendet werden. In Deutschland werden 1,3 Millionen Hektar Raps angebaut; der Rest wird importiert.

Als weitere Rohstoffquelle für Biodiesel wird in Zukunft Biomasse verstärkt Verwendung finden.

Zur Erinnerung an den 10. August 1893, an dem der von Rudolf Diesel in Augsburg entwickelte Dieselmotor zum ersten Mal aus eigener Kraft lief, ist der 10. August der International Biodiesel Day.

Statistik

Absatzzahlen von Biodiesel als Reinkraftstoff in Deutschland:

  • 2001 163,2 Mill. Liter
  • 2002 189,6 Mill. Liter
  • 2003 360,2 Mill. Liter
  • 2004 376,6 Mill. Liter (erhältlich an 1900 Tankstellen)

Nach Angaben der Union zur Förderung von Oel- und Proteinpflanzen (UFOP) ist der Absatz von Biodiesel in 2004 auf 330.000 Tonnen nach 287.000 Tonnen im Vorjahr an den Tankstellen gestiegen. Der Rest der in 2004 produzierten 1,1 Mio. Tonnen ging direkt an Großverbraucher und als Beimischung zum Dieselkraftstoff.

Literatur

  • Sven Geitmann: Erneuerbare Energien und alternative Kraftstoffe, Hydrogeit Verlag, 2. Aufl., Jan. 2005, ISBN 3937863052, 19,90 EUR

Weblinks

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