Gas geben für Biokraftstoffe
24 Aug 2020
Der weltweit steigende Brennstoffbedarf bei gleichzeitig zunehmender Bedeutung von umweltrelevanten KPIs sowie der Wettbewerb vieler Regionen um Absatzmärkte für landwirtschaftliche Produktion sind wichtige Triebfedern für den Erfolg der Biokraftstoffindustrie. Mit modernster Technik sorgt GEA für die optimale Verwertung natürlicher Ressourcen und hat auch schon die nächste Generation von Biokraftstoffen im Griff.
In ihrem Agrar-Ausblick für die Jahre ab 2019 gehen die Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) und die Welternährungsorganisation (FAO) davon aus, dass der Biokraftstoffmarkt künftig immer stärker auch von nationalen und regionalen Weichenstellungen geprägt sein wird. Das hat zum einen mit dem von Land zu Land unterschiedlichen Umgang mit fossilen Brennstoffen und zum anderen mit der Sicherung von Absatzmärkten für regionale Agrarproduzenten zu tun. Die USA und die Europäische Union zählen aktuell zu bedeutenden Biokraftstoffproduzenten, müssen aber in Zukunft mit starker Konkurrenz aus anderen Teilen der Welt rechnen.
In unserem Gespräch mit den beiden GEA-Mitarbeitern Barbara Harten, Application Manager, Renewables, und Eckard Maedebach, Product Manager Distillation, haben wir interessante Erkenntnisse über die Branche gewonnen und erfahren, wie GEA die verarbeitende Industrie mit leistungsstarken mechanischen und thermischen verfahrenstechnischen Lösungen unterstützt.
Was genau sind Biokraftstoffe und woraus werden sie hergestellt?
BH:Biokraftstoffe werden teilweise oder vollständig aus pflanzlichen Stoffen oder tierischen Fetten hergestellt. Da es sich hierbei um nachwachsende Rohstoffe handelt, gelten sie im Allgemeinen als erneuerbare Rohstoffe. Die meisten Biokraftstoffe werden prozentual in Benzin oder Diesel-Kraftstoff auf der Basis fossiler Brennstoffe beigemischt, um bestehende Motoren zu unterstützen. Herkömmliche Biokraftstoffe – auch als Biokraftstoffe der ersten Generation bezeichnet – werden aus frischen bzw. als Nahrungsmittel verwendbaren Rohstoffen wie z. B. Ölen und Fetten hergestellt und kommen bereits seit über 30 Jahren zum Einsatz. Innovative Biokraftstoffe der zweiten Generation werden aus nicht essbaren Rohstoffen wie tierischen Fetten, Altspeiseöl oder zuckerhaltigen Reststoffen erzeugt. Ziel hierbei ist die reduzierte Nutzung von Rohstoffen, die für die Produktion von Lebensmitteln eingesetzt werden können.
Typische Biokraftstoffe sind:
- Bioethanol
- Biodiesel
- Biogas
- Biobutanol
Bioethanol wird durch Vergärung von zucker- und stärkehaltigen Pflanzen gewonnen und ist ein Benzinersatz. OECD und FAO gehen in ihrem Agrar-Ausblick für die Jahre ab 2019 davon aus, dass rund 60 Prozent des Bioethanols aus Mais produziert wird, 25 Prozent aus Zuckerrohr, 7 Prozent aus Sirup und 4 Prozent aus Weizen. Der Rest verteilt sich auf andere Getreidesorten, Maniok sowie Zuckerrüben. Biodiesel eignet sich als Ersatz für Dieselkraftstoff; er entsteht aus einer chemischen Reaktion zwischen pflanzlichen oder tierischen Lipiden und Alkohol. Ein Großteil (ca. 77 Prozent) des Biodiesels wird aus Pflanzenölen gewonnen: 30 Prozent Sojaöl, 25 Prozent Palmöl, 18 Prozent Rapsöl und ca. 22 Prozent Altspeiseöle.
Die Herstellung von Biogas erfolgt durch Vergärung organischer Stoffe unter Ausschluss von Sauerstoff. Dieser Prozess wird als anaerobe Vergärung bezeichnet. Potenzielle organische Stoffe in diesem Produktionsverfahren sind Papier, Holz, bestimmte Kunststoffe, getrocknetes Laub, Dung oder auch kommunale Abfälle. Biogas verbrennt leicht und verursacht dabei keine große Umweltverschmutzung. Es kann zur Erzeugung von Ökostrom eingesetzt werden. In verdichteter Form ist Biogas auch zum Antrieb von Kraftfahrzeugen geeignet. Biobutanol kann in Reinform als Ersatz für Benzin genutzt werden. Es wird durch Fermentation mit Bakterien und Algen erzeugt. Die hohen Produktionskosten stehen einer Nutzung im größeren Umfang jedoch nach wie vor im Wege.
Gibt es außer der Herstellung aus erneuerbaren Rohstoffen noch weitere Argumente für Biokraftstoff im Vergleich zu fossilen Kraftstoffen?
EM:Wenn es gelingt, den CO2-Footprint von der Produktion bis zum Verbrauch („well to wheel“) niedrig zu halten, emittieren biogene Kraftstoffe mit ähnlicher Energiedichte wie fossile Kraftstoffe weniger Kohlenstoffdioxid. Außerdem enthalten bestimmte Biokraftstoffe weniger bis überhaupt keine Schwefelverbindungen. Aufgrund ihrer Herkunft aus erneuerbaren Rohstoffen und ihrer Anrechnung auf Zielvorgaben zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen werden Biokraftstoffe bereitwilliger finanziell gefördert. Das erklärt ihre Attraktivität für den Transportsektor und das zunehmende Interesse im Luftverkehr und in der Schifffahrt. Mit dem Vorzug eines sauber verbrennenden Dieselersatzes kann Biodiesel ohne technische Veränderungen als Beimischung in Dieselmotoren eingesetzt werden. Entsprechend modifizierte Motoren können reinen Biodiesel verwenden. Bioethanol in Form von wasserfreiem Ethanol (99,8 Volumenprozent) lässt sich ohne Motoranpassung mit einem Anteil von 10-15 Prozent beimischen. In Form von hochkonzentriertem Alkohol (95-96 Volumenprozent) kann Bioethanol bei Flex-Fuel-Motoren den Benzinanteil im Bereich von 0-85 Prozent ersetzen, wie es in Brasilien üblich ist.
BH: Pflanzliche Rohstoffe absorbieren während des Wachstums Kohlendioxid aus der Atmosphäre. Positiv zu Buche schlagen außerdem die bei der Produktion von Biotreibstoffen entstehenden Nebenprodukte. So entsteht bei der Herstellung von Biodiesel beispielsweise Glycerin, das für Düngemittel und Tierfutter verwendet werden kann – bzw. nach einer weiteren Reinigung sogar auch für Lebensmittel, Pharmazeutika und Kosmetikartikel. Bei Verwendung von Rapsöl entsteht Rapsschrot, bei Einsatz von Sojabohnen ist es Sojaschrot. Aufgrund ihres Gehalts an Mineralien und Proteinen sind beide eine gefragte Beimischung zu Vieh-, Geflügel- und Fischfutter.
EM:Ähnlich verhält es sich bei der Herstellung von Ethanol auf Mais- oder Getreidebasis: Hier entstehen große Mengen an Destillationsrückständen (sogenannten Schlempen), die nach erfolgter Trocknung in Futtermitteln Verwendung finden. Alternativ kann diese Biomasse als erneuerbarer Energieträger auch zur Gewinnung von Strom, Wärme oder Treibstoff nach Vergärung zu Biomethan genutzt werden.
Sowohl Hersteller als auch Verbraucher wünschen sich Alternativen zu Glycerin auf Mineralölbasis. Und genau hier tritt Biodiesel auf den Plan: Bei seiner Produktion entsteht als Nebenerzeugnis Bio-Glycerin, das eben diesen Wunsch erfüllt und sich perfekt für die Herstellung von Haushalts- und Körperpflegeprodukten eignet.“ – Barbara Harten, Application Manager, Renewables, GEA
– Barbara Harten, Application Manager, Renewables, GEA
GEA blickt auf eine langjährige Erfahrung bei der Produktion und Verarbeitung von Biokraftstoffen zurück. Welche Lösungen bietet GEA den Produzenten von Biokraftstoffen?
EM: Für die Herstellung von Bioethanolbietet GEA Schlüsseltechnologien und -lösungen, die alle wichtigen Schritte des Kernprozesses abdecken. Dazu zählen: Verarbeitung und Maischen der Rohstoffe, Verflüssigung, Verzuckerung, Fermentation, Destillation und Entwässerung. Darüber hinaus bieten wir Dekanter, Trockner und Verdampfer zum Trennen und Trocknen der Schlempe, Konzepte zur Wasserrückführung zwecks Minimierung von Abfallströmen sowie Einsparung von Prozesswasser an. GEA liefert in diesem Bereich auch international schon seit vielen Jahren Prozess-Linien für den Bau von großen Bioethanol-Anlagen. Einige dieser Anlagen erreichen eine Kapazität von bis zu 500.000 Litern pro Tag. Unsere Lösungen optimieren den Energieverbrauch durch Wiederverwendung der eingesetzten thermischen Energie oder auch durch den Einsatz patentierter Wärmepumpenkonzepte mit mechanischer Brüdenverdichtung.
BH:Zu unseren Leistungen zählt auch die Umwandlung von Ölen und Fetten in Biodieselsowie die Vorbehandlung zur Reinigung von Rohstoffen. Außerdem bietet GEA Lösungen für die Seifenspaltung mittels Separation, Rückgewinnung von Methanol und Wasserverdampfung zur Isolierung des Glycerins, das anschließend weiterverkauft oder in den Anlagen wiederverwendet werden kann.
Die GEA-Separatoren RSE und RSI übernehmen die Entschleimung, Neutralisierung und Entwachsung bei pflanzlichen und tierischen Ölen und Fetten. Dies ermöglicht die Gewinnung von hochwertigem Öl, das als Basis für die Produktion von Biodiesel und fortschrittlichen Biokraftstoffen wie hydriertem Pflanzenöl dient.
Unsere Prozessanlagen für die Vorbehandlung, darunter auch die weltbekannten GEA-Separatoren RSE und RSI, sind ideal für chemische und physikalische Raffinationsverfahren. Sie eignen sich für die folgenden Aufgaben:
- Eliminierung von Wachs, wodurch Biodiesel bei niedrigen Temperaturen stabiler ist
- Beseitigung von Unreinheiten, was zu höherer Glycerinqualität führt
- Entfernung von Gummi, der beim thermalen Glycerinprozess eine Verunreinigung verursachen könnte
- Beseitigung von freien Fettsäuren, wodurch der MONG-Anteil (Matter Organic Non Glycerin, MONG [Materie organisches Nicht-Glycerin]) verringert wird
- Eliminierung von Phosphaten aus dem Abwasser, wodurch Entsorgungskosten gesenkt werden
Bei der Herstellung von Bioethanol sorgen GEA-Dekanter für die Schlempeaufbereitung für eine hohe Trockensubstanz in der Faser-Fraktion (bis zu 35 Prozent). Das senkt die Trocknungskosten und minimiert Verunreinigungen. Wenn die Schlempe nach Zugabe von Hefe getrocknet wird, entsteht als Nebenprodukt das proteinhaltige Futtermittel DDGS (Dried Distillers Grains with Solubles) als Trockenschlempe.
GEA hat ein Patent für das Verfahren der alkoholischen Neutralisation, das während der Vorbehandlung – also noch vor der eigentlichen Herstellung des Biodiesels – zum Einsatz kommt. Darüber hinaus haben wir ein Patent für ein Verfahren angemeldet, das Monoglyceride und den Verbrauch von Katalysatoren (<Einsparungen von bis zu 0,30 Gewichtsprozent des Katalysators) bei der Herstellung von Biodiesel reduzieren und somit Verarbeitungskosten senken wird. Mit unserem Portfolio und Know-how bei der Produktion von Biodiesel und Bioethanol sind wir in der Lage, die Installation kompletter Prozessanlagen für unsere Kunden abzuwickeln. Bei Bedarf kümmern wir uns mit eigenen oder externen Prozess-Experten auch um eine effiziente und termingerechte Inbetriebnahme der Anlage.
Es wird viel darüber diskutiert, dass lebensmitteltaugliche Rohstoffe zu einer veränderten Bodennutzung beitragen und Ressourcen für die Ernährung einer wachsenden Weltbevölkerung abziehen. Wie weit ist die Industrie bei der Entwicklung fortschrittlicher Biokraftstoffe und in welchem Umfang wirkt GEA in diesem Bereich unterstützend mit?
BH:Das ist ein spannendes Thema. Natürlich muss man die gesamte Wertschöpfungskette berücksichtigen, also auch den Input beim Anbau von Rohstoffen für Biokraftstoffe. Und wir dürfen auch Faktoren wie Transport, Verarbeitung usw. nicht außer Acht lassen. Die Entwicklung fortschrittlicher Biokraftstoffe aus mensch-verursachten Abfalllasten oder tierischen Reststoffen und pflanzlicher Trockenmasse ist in verschiedenen Märkten erfolgreich vorangetrieben worden. In Finnland etwa, einem Land ohne Gas- und Ölvorkommen, nutzt man holzbasierte Produkte und Waldbiomasse zur Herstellung nachhaltiger innovativer Biokraftstoffe. Der Gesamtenergieanteil von solchen Biokraftstoffen im Straßenverkehr dürfte dort bis 2030 auf 10 Prozent steigen. Darüber hinaus nutzt man in Finnland diese Biokraftstoffe für die Herstellung nachhaltigerer Kunststoffe und Klebemittel, wodurch sich umweltfreundlichere Verpackungsmaterialien und Baustoffe realisieren lassen.
Bei GEA beobachten wir, dass eine steigende Zahl von Kunden – vor allem in der EU und in den USA – „erneuerbaren Diesel“ oder hydriertes Pflanzenölaus tierischen Fetten und Altspeiseöl produzieren. Hydriertes Pflanzenöl wurde 2005 eingeführt und wurde damals ausschließlich aus Palmöl gewonnen. Heute konzentriert man sich auf weniger hochwertige Rohstoffe, wodurch das Endprodukt der Kategorie der fortschrittlichen Biokraftstoffe zuzuordnen ist. Hydriertes Pflanzenöl ist frei von Aromaten, Sauerstoff und Schwefel. Es hat eine hohe Cetanzahl, was zu reduzierten Stickstoffemissionen, besserer Lagerstabilität und verbessertem Fließverhalten bei Kälte führt. Und mit diesen Eigenschaften ist es für nahezu alle Dieselmotoren geeignet.
Hydriertes Pflanzenöl kann als Reinkraftstoff für Fuhrparks (z. B. Stadtbusse, Bergbaufahrzeuge) eingesetzt werden; zudem ist es auch für die Beimischung in Flugzeugtreibstoff freigegeben. Die Existenz eines kommerziellen Marktes für die Wiederverwertung dieser Öle – ebenso von z. B. Industrieabfall, Post-Consumer-Abfall, Schlachtabfällen und Geflügelfett – ist auch insofern von Vorteil, als dass der Eintrag in Gewässer und Böden reduziert und so eine nachgeordnete, kostenintensivere Aufbereitung vermieden wird.Ein weiterer bedeutender Vorzug von hydrierten Pflanzenölen besteht darin, dass Verarbeiter keine größeren Anpassungen an bestehenden Raffinerieanlagen vornehmen müssen.
Allerdings müssen diese Öle häufig vorbehandelt werden, um eine Kontamination bzw. Inaktivierung von Katalysatoren durch Metalle zu reduzieren bzw. zu vermeiden. Hier haben sich Metall-Separatoren von GEA als sehr vorteilhaft erwiesen. In diesem Zusammenhang testen wir derzeit für eine Reihe global tätiger Unternehmen verschiedene tierische Fette und untersuchen deren Fähigkeiten und Effizienz.
Als erneuerbarer Kraftstoff zeichnet sich Biodiesel durch eine deutlich geringere Umweltbelastung im Vergleich zu herkömmlichem Diesel aus. Sein niedriger Schwefelgehalt sowie die reduzierte Feinstaubbildung, bessere Schmierfähigkeit und die biologische Abbaubarkeit machen ihn zu einer besseren Option für die Umwelt.” – Barbara Harten, Application Manager, Renewables, GEA
– Barbara Harten, Application Manager, Renewables, GEA
Werden Elektro-Fahrzeuge (EV) die Produktion von Biokraftstoffen beeinflussen?
EM:Auch wenn der Absatz von Elektrofahrzeugen 2019 deutlich Fahrt aufgenommen hat, beträgt ihr Anteil am Fahrzeugmarkt weltweit nur etwa 2 Prozent. Größe und Kapazität der Batterien sind nach wie vor ein Hemmnis für schwere Nutzfahrzeuge im Langstreckenverkehr, Kühllastwagen, aber auch für Schiffe und Flugzeuge. Die Nutzung von Biokraftstoffen in diesen Branchen nimmt zu und das Interesse an recycelten Materialien mit einem hohen Biomasseanteil steigt. Vorausgesetzt, dass die Kosten für Biokraftstoffe gegenüber fossilen Kraftstoffen zumindest mittelfristig wettbewerbsfähig bleiben, werden solche Märkte mit klarer Zielsetzung zur Emissionsreduzierung nach unserer Einschätzung dazu übergehen, Biokraftstoff-Produktion zu subventionieren oder – sofern sie damit bereits begonnen haben – diesen Weg fortsetzen, bis die Industrie den entsprechenden Wendepunkt bei Angebot und Nachfrage erreicht.
