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FUKS • FORUM FÜR UMWELT, KULTUR UND SOZIALES E. V.
Fachvorträge
06.10.2001, FH Amberg-Weiden
Biogene Flüssigkraftstoffe
Pflanzenöl als Energieträger

Prof. Dr.-Ing. Markus Brautsch
Fachhochschule Amberg-Weiden

 

"Wenn auch die Industrie in unseren Breiten auf die direkte Nutzung der Sonnenenergie verzichten kann, so rückt doch unausweichlich der Tag näher, an dem sie aus Brennstoffmangel auf die Leistung anderer Naturkräfte wird zurück greifen müssen. Wir zweifeln nicht daran, dass sie noch lange von der gewaltigen Wärmekraft der Steinkohle- und Erdölvorkommen profitieren wird. Aber diese Vorkommen werden sich zweifellos erschöpfen."

(Augustin Mouchot 1879)



Prof. Brautsch (Bild oben) im Labor
für Techn. Thermodynamik in der FH in Amberg


Den Exkursionsteilnehmern wird das rapsölbetriebene Klein-BHKW vorgeführt (Bild unten)

Prof. Dr.-Ing.
Markus Brautsch

Studium der Technischen Physik,
Promotion zum Dr.-Ing. in elektrischer Energietechnik.
Berufl. Tätigkeit als Entwicklungsingenieur in der BHKW-Technik sowie bei der Planung von Projekten mit Biomasse u. alternativen Energien.
Professor für Techn. Thermo-dynamik und Energietechnik an der FH Amberg-Weiden im Studiengang Maschinenbau/Umwelttechnik seit 1998.


Dieses Zitat von Mouchot deutet bereits im Jahre 1879 die zunehmende Verknappung der fossilen Energie- und Rohstoffreserven an. Es stammt aus einer Zeit, in der ca. 2 Mrd. Menschen auf der Erde - so viele wie heute in China und Indien zusammen - gelebt haben. Die Versorgungsproblematik mit Energie hat sich seit dem durch ein gigantisches Bevölkerungswachstum verstärkt.Durch die massive Nutzung aller fossilen Ressourcen innerhalb einer kurzen Zeitspanne von ca. 300 Jahren hat sich zudem das Gleichgewicht im Kohlenstoffkreislauf verschoben. Als Konsequenz ist die CO2-Konzentration in der Atmosphäre auf fast 400 ppm angestiegen. Die Folgen einer zunehmenden globalen Erwärmung sind komplex und haben dramatische Auswirkungen auf Ökologie und Ökonomie.Um der Ver- und Entsorgungsproblematik, die mit der Nutzung fossiler Energiereserven verbunden ist, entgegen zu wirken, müssen zukunftsfähige Energiesysteme ökologisch, ökonomisch, sozial und human verträglich sein.Die vielfältigen direkten und indirekten Nutzungsvarianten solcher Strahlungsenergie, die im Überangebot zur Verfügung stehen, können dem Forderungskatalog der "Nachhaltigkeit" gerecht werden. Eine Variante stellt dabei die Nutzung kalt gepresster Pflanzenöle als Kraftstoff für PKW-Motoren und Blockheizkraftwerke dar.

Die Bereitstellungsnutzungsgrade biogener Flüssigkraftstoffe
Während in Mitteleuropa für die Gewinnung biogener Flüssigkraftstoffe der Anbau von Winterraps und Sonnenblumen die entscheidende Rolle spielt, können weltweit eine Fülle von Ölpflanzen, z.T. auch wesentlich ertragreichere Ölfrüchte, angebaut werden. Im Hinblick auf die motorische Nutzung der Kraftstoffe können Verbrennungsmotoren thermodynamisch modifiziert und an die physikalisch chemischen Eigenschaften von kaltgepressten oder vollraffinierten Pflanzenölen angepasst werden. Eine andere Variante stellt die chemische Anpassung der Pflanzenöle an die thermodynamischen Eigenschaften konventioneller Dieselmotoren durch Umesterung zu Biodiesel dar. Allen Kraftstoffvarianten wird bezüglich der motorischen Verbrennung die CO2-Neutralität bescheinigt. Während der Verbrennung im Motor wird nur die Menge an CO2 emittiert, welche zuvor während des Photosyntheseprozesses aus der Atmosphäre absorbiert wurde.
Um die Frage zu klären, inwiefern nachwachsende Flüssigkraftstoffe der Forderung nach Ressourcenschonung effektiv gerecht werden können, ist der zusätzliche fossile Energieaufwand in den Bereichen der Landwirtschaft (Saat, Düngung, Biozideinsatz und Ernte), der Kraftstoffgewinnung (Kaltpressverfahren, Vollraffination oder Umesterung) sowie des Antransportes zu erfassen und in Relation zum Heizwert zu betrachten.Der Bereitstellungsnutzungsgrad beschreibt dabei den kumulierten fossilen Energieaufwand, welcher in der Bereitstellung notwendig war, und setzt diesen in Relation zum Heizwert des Kraftstoffes inkl. des kumulierten Energieaufwandes.
g= kEABereitstellung
kEA Bereitstellung + Hu

Die günstigsten Bereitstellungsnutzungsgrade von über 80 % weisen kaltgepresste Pflanzenöle auf, die unter Nutzung von Wirtschaftsdüngern angebaut wurden und nach dem on-farm-Konzept dezentral bereitgestellt wurden. Die ungünstigsten Werte ergeben sich für die Bereitstellung von Biodiesel mit ausschließlicher Mineraldüngung im Landbau. Die Bereitstellungsnutzungsgrade fallen bis nahe an die 50%-Marke. Für die Bereitstellung eines Liters Biodiesel ist im Äqivalent nahezu dieselbe Menge fossile Energie aufzuwenden (1).

Die Nutzung biogener Flüssigkraftstoffe in Blockheizkraftwerken (BHKW)
In zentral gelegenen Kondensationskraftwerken werden nur ca. 34% von den eingesetzten Primärenergieträgern in elektrische Sekundärenergie gewandelt. Der restliche Energieanteil in Form von Wärme bleibt ungenutzt. Das Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung beschreibt die wesentlich effektivere gleichzeitige Nutzung von Strom und Wärme aus einem thermodynamischen Prozess. Die rationellste Variante der Kraft-Wärme-Kopplung erfolgt in dezentralen Blockheizkraftwerken mit Verbrennungsmotoren. Der Gesamtnutzungsgrad kann hier bis zu 90 % steigen. Im Rahmen umfangreicher Prüfstandsarbeiten wurden vielstofftaugliche Blockheizkraftwerke entwickelt, welche sowohl kaltgepresste Pflanzenöle, Vollraffinate als auch Biodiesel nutzen können (2). Das Brennverfahren konventioneller Stationärmotoren wurde an die veränderten physikalisch-chemischen Kraftstoffeigenschaften angepasst. Hauptziel aller Entwicklungsarbeiten war die Verbesserung der Kaltstarteigenschaften sowie der Verlängerung der Wartungszyklen. Die Erfassung der elektrischen und thermischen Wirkungsgrade, der Stromkennzahlen sowie der spezifischen Kraftstoffverbräuche zeigt, dass sich alle biogenen Kraftstoffe (kaltgepresste Rapsöle, Vollraffinate und Biodiesel) gleichermaßen gut eignen. Die elektrischen Wirkungsgrade steigen bei Wirbelkammermotoren nahezu deckungsgleich für alle Kraftstoffe auf 30 % im Vollastbetrieb an, die thermischen Nutzungsgrade steigen bis auf 50 % an. In Summe können mit kaltgepressten Pflanzenölen die günstigsten Gesamterntefaktoren über den gesamten Lebenszyklus eines Blockheizkraftwerkes erreicht werden. Die für die Herstellung, Nutzung (inkl. Bereitstellung der biogenen Kraftstoffe), Wartung und Entsorgung des BHKW notwendige Energie wird über einen gesamten Lebenszyklus der Anlage bis zu neunmal wieder in Form von Strom und Wärme bereitgestellt. Die ungünstigsten Gesamterntefaktoren resultieren aus dam Betrieb der BHKW-Anlagen mit energieintensiv bereitgestelltem Biodiesel. Die über einen Lebenszyklus eingesetzte Energie kann nur zweimal wieder bereitgestellt werden.

Zusammenfassung
Der global wachsende Energiebedarf wird nur noch kurze Zeit über die begrenzt vorhandenen fossilen Energieressourcen zu decken sein. Neben der Versorgungsproblematik führt die massive Nutzung fossiler Energien zu einem rasanten C02-Anstieg in der Atmosphäre. Die damit verbundene globale Erwärmung hat vielseitige negative ökologische und ökonomische Konsequenzen. Zukunftsfähige Energiesysteme müssen ökologisch, sozial, human und ökonomisch verträglich sein.Kaltgepresste Pflanzenöle - als eine indirekte Nutzungsvariante solarer Strahlungsenergie - können weltweit nach dem on-farm-Konzept mit einfachsten Verfahrenstechniken kostengünstig bereitgestellt werden. Am Beispiel der Bereitstellungsketten von kaltgepressten Rapsölen, Volfraffinaten und Rapsmethylestern erkennt man den deutlich geringeren Bereitstellungsenergieaufwand für kaltgepresste Rapsöle. Die Bereitstellungsnutzungsgrade steigen über 80 % an.Als effektive Energiesysteme zur Umwandlung biogener Flüssigkraftstoffe in elektrische und thermische Sekundärenergie zeichnen sich motorisch betriebene Kleinst-Blockheizkraftwerke aus. Die eingesetzte Primärenergie wird zu ca. 30 % in elektrische und zu ca. 50 % in thermische Energie umgesetzt. Ein speziell entwickeltes Brennverfahren lässt die Nutzung kaltgepresster Pflanzenöle, Vollraffinate oder Rapsmethylester in modifizierten konventionellen Serienmotoren zu. Die Gesamterntefaktoren liegen zwischen 9 (für den Betrieb mit kaltgepressten Rapsölen) und 2 (für den Betrieb mit energieintensiv bereitgestelltem Biodiesel).Da die Kraftstoffbereitstellung durch bereits vorhandene Infrastrukturen der heimischen Landwirtschaft erfolgen kann, werden regional Arbeitsplätze gesichert. Durch die Nutzung eines heimischen Energieträgers wird aufkraft lokal gebunden. Die Verbrennung der Kraftstoffe erfolgt nahezu schwefelfrei, C02-neutral und ungefährlich für das Grundwasser. Vor dem Hintergrund der dargestellten Ver- und Entsorgungsproblematik mit fossilen Energien können kaltgepresste Pflanzenöle als Motorkraftstoffe allen Forderungen der Nachhaltigkeit gerecht werden.


Literatur
(1) Brautsch M. (1997), Eine vergleichende Gesamtenergiebilanz für Photovoltaik-
Module und Pflanzenöl-Blockheizkraftwerke, Verlag Software Zukunft

(2) Kooperationsprojekt des Labors für Techn. Thermodynamik der FH
Amberg-Weiden und der Fa. Weigel Energietechnik, Hauptstraße 33,
D - 92342 Freystadt