Der Begriff Biodiesel wird für verschiedene Kraftstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen verwendet. Ursprünglich war damit Fettsäuremethylester gemeint. Er entsteht durch Umesterung pflanzlicher oder tierischer Fette und Öle mit einwertigen Alkoholen wie Methanol oder Ethanol. Weil als Ausgangsstoff ursprünglich meist Rapsöl verwendet wurde, hat sich auch der Begriff Rapsmethylester eingebürgert.
Biodiesel mischt sich mit Petrodiesel in jedem Verhältnis. Viele Länder verwenden daher Biodiesel als Blendkomponente für herkömmlichen Dieselkraftstoff. Seit 2009 wird in Deutschland herkömmlichem Diesel bis zu 7 % Biodiesel beigemischt, an Tankstellen als „B7“ gekennzeichnet. Durch den Rückgang der steuerlichen Förderung seit Januar 2013 sank der Absatz von Biodiesel als Reinkraftstoff in Deutschland erheblich.
Im Vergleich zu Diesel auf Mineralölbasis verursacht Biodiesel weniger Emissionen, obwohl die Rohemissionen von Stickoxiden höher liegen. Er wird aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen, ist biologisch abbaubar und hat gute Schmiereigenschaften, was bei der Verwendung von schwefelarmem Diesel ein Vorteil ist.
Biodiesel ist der Biokraftstoff, der bislang den größten Beitrag zur Versorgung des Verkehrssektors in der Europäischen Union geleistet hat. Gegen Ende des 20. Jahrhunderts gab es einen breiten gesellschaftlichen Konsens zur Einführung und Ausbau der Biodieselversorgung, da er als nachhaltig und klimaschonend galt. Der wachsende Verbrauch führte im Laufe der Jahre zu einem internationalen Biodieselhandel, der zum Teil verbunden war mit dem Ausbau landwirtschaftlicher Flächen, etwa durch Brandrodung. Die gesellschaftliche Akzeptanz eines flächendeckenden Einsatzes hängt davon ab, ob die eingesetzten Rohstoffe nachhaltig bereitgestellt werden und nicht in Nutzungskonkurrenz mit der Nahrungs- und Futtermittelproduktion geraten oder zum Aussterben von Arten führen.
Nomenklatur Biodiesel besteht aus dem Begriff Diesel, einem Deonym nach Rudolf Diesel, und dem Präfix Bio. Dies weist nicht auf eine Herkunft aus ökologischer Landwirtschaft hin, sondern auf den pflanzlichen oder tierischen Ursprung, im Gegensatz zu Mineralöl. Teilweise wird deswegen der Begriff Agrodiesel verwendet, wobei eine Verwechslungsgefahr mit dem Begriff Agrardiesel besteht. Dieser bezeichnet Diesel, der in landwirtschaftlichen Fahrzeugen und Arbeitsmaschinen verwendet und teilweise steuerlich rückvergütet wird.
Die Norm EN 14214 beschreibt die Mindestanforderungen an Fettsäuremethylester für die Verwendung dieser Stoffklasse als Biodieselkraftstoff. In der Norm wird zwar kein Rohstoff für die Herstellung der Fettsäuremethylester direkt vorgegeben, im Gegensatz zur US-amerikanischen Norm ASTM D 6751 limitieren jedoch die Grenzwerte für Parameter wie der Oxidationsstabilität, der Iodzahl und dem Anteil mehrfach ungesättigter Fettsäuren indirekt die Rohstoffzusammensetzung. Nach EN 14214 ist FAME nach der englischen Bezeichnung Fatty Acid Methyl Ester die übergreifende Abkürzung aller Methylester auf Basis von Pflanzen- und Tierölen. Je nach Art des verwendeten Pflanzenöls wird unterschieden in Palmölmethylester (PME), wobei Fahrzeughandbücher der 1990er Jahre die Abkürzung PME auch für Pflanzenöl-Methyl-Ester verwenden, Sonnenblumenmethylester, Rapsölmethylester (RME), auch Rapsmethylester oder Rapsdiesel genannt und Sojaölmethylester (SME). Daneben sind Methylester auf Basis von Altfetten und Tierfetten erhältlich, etwa Altfettmethylester (AME), und Tierfettmethylester (FME).
Biodiesel gilt als alternativer Kraftstoff der ersten Generation, für die nur das Öl, der Zucker oder die Stärke der Frucht verwendet wird. Bei Kraftstoffen der zweiten Generation wird die vollständige Pflanze verwendet.Jörg Adolf, Horst Fehrenbach, Uwe Fritsche, Dorothea Liebig: Welche Rolle können Biokraftstoffe im Verkehrssektor spielen?. In: Wirtschaftsdienst. 93, 2013, S. 124–131, doi:10.1007/s10273-013-1496-2.
Blends, also Mischungen von Biodiesel mit mineralischem Diesel, werden mit einem B und einer Zahl von 1 bis 99 bezeichnet, wobei die Zahl den prozentualen Anteil von Biodiesel im Blend angibt. B100 ist nach dieser Nomenklatur die Bezeichnung für reinen Biodiesel.
Geschichte mini|hochkant|Rudolf Diesel (1883) Die Herstellung von Biodiesel durch Umesterung von pflanzlichen Ölen mit alkoholischer Kalilauge beschrieb Patrick Duffy bereits im Jahr 1853 – Jahre bevor Rudolf Diesel den Dieselmotor entwickelte.Patrick Duffy: XXV. On the constitution of stearine. In: Quarterly Journal of the Chemical Society of London. 5, 1853, S. 303, doi:10.1039/QJ8530500303Rob. Henriques: Über partielle Verseifung von Ölen und Fetten II. In: Zeitschrift für Angewandte Chemie. 11, 1898, S. 697–702, doi:10.1002/ange.18980113003. Als Zielprodukt galt das bei der Umesterung freiwerdende Glycerin, das als Grundstoff für die Herstellung von Glycerinseife diente.
Über den Einsatz von reinem Pflanzenölkraftstoff für Dieselmotoren berichtete Rudolf Diesel im Rahmen der Weltausstellung im Jahr 1900 in einem Vortrag vor der Institution of Mechanical Engineers of Great Britain:
Während des Zweiten Weltkriegs untersuchten viele Nationen den Einsatz reiner Pflanzenöle als Motorkraftstoff. Belgien, Frankreich, Italien, das Vereinigte Königreich, Portugal, Deutschland, Brasilien, Argentinien, Japan und die Republik China testeten und verwendeten Pflanzenöle als Dieselersatz. Brasilien limitierte etwa die Ausfuhr von Rapsöl, China nutzte Tungöl als Kraftstoffersatz. Die japanische Marine betrieb eines ihrer größten Schlachtschiffe, die Yamato, wegen Kraftstoffknappheit teilweise mit raffiniertem Sojaöl.
Der Einsatz reiner Pflanzenöle führte aufgrund der gegenüber Diesel höheren Viskosität zu motortechnischen Problemen, da die verminderte Kraftstoffzerstäubung erhöhte Rußablagerungen verursachte. Wissenschaftler und Ingenieure untersuchten verschiedene technische Lösungsansätze zur Reduktion der Viskosität wie das vorherige Erwärmen des Kraftstoffs, die Mischung des Pflanzenöls mit anderen Kraftstoffen, die Pyrolyse, das Emulgieren und die Umesterung, die schließlich zum Biodiesel führte.Gerhard Knothe: The History of Vegetable Oil-Based Diesel Fuels. In: Gerhard Knothe, Jon Harlan Van Gerpen, Jürgen Krahl: The Biodiesel Handbook, S. 4–16, AOCS Press, 2005, ISBN 1-893997-79-0.
Die Arbeiten des Belgiers George Chavanne von der Universität Brüssel führten zur erstmaligen Nutzung von Biodiesel als Kraftstoff im Straßenverkehr. Am 31. August 1937 wurde ihm das belgische Patent 422,877 zur Umesterung von Pflanzenölen mit Ethanol und Methanol zur Verbesserung deren Eigenschaften zur Nutzung als Motorkraftstoff erteilt.M. Köpke, S. Noack, P. Dürre: The Past, Present, and Future of Biofuels – Biobutanol as Promising Alternative. (PDF; 727 kB) In: Marco Aurelio Dos Santos Bernardes (Hrsg.) Biofuel Production-Recent Developments and Prospects. InTech, Kapitel 18, 2011, ISBN 978-953-307-478-8, S. 452. Belgische Verkehrsbetriebe testeten 1938 erfolgreich einen nach diesem Verfahren erzeugten Biodiesel auf Palmölbasis beim Betrieb einer Buslinie zwischen Brüssel und Leuven.M. Van Den Abeele: L’huile de palme matière première pour la préparation d’un carburant lourd utilisable dans les moteurs à combustion interne (Palm Oil as Feedstock for the Manufacture of a Heavy Fuel for Diesel Engines). In: Bull Agric Congo Belge. Band 33, 1942, S. 3–90.G. Chavanne: Sur un mode d’utilisation possible de l’huile de palme à la fabrication d’un carburant lourd. In: Bull Soc Chim. Band 10, 1943, S. 52–58.
In der Nachkriegszeit geriet aufgrund der leicht erschließbaren Rohölvorkommen und der damit verbunden hohen und preiswerten Verfügbarkeit von mineralischen Kraftstoffen die Anwendung von Biodiesel jedoch in Vergessenheit. Erst im Zuge der Ölkrise der 1970er Jahre geriet die Nutzung von Pflanzenölen als Kraftstoff wieder in den Fokus. Untersuchungen zur Produktion und Verwendung von Biodiesel fanden in den 1970er Jahren in Brasilien und Südafrika statt. Im Jahr 1983 wurde der Prozess für die Produktion von Biodiesel in Kraftstoffqualität international veröffentlicht.SAE Technical Paper series no. 831356. SAE International Off Highway Meeting, Milwaukee, Wisconsin, USA, 1983. Das Unternehmen Gaskoks in Österreich errichtete 1989 die erste kommerzielle Biodieselanlage in Europa mit einer Jahreskapazität von 30.000 Tonnen nach einem südafrikanischen Patent. 1993 erhielt Joosten Connemann der Ölmühle Connemann ein Patent für ein Verfahren, mit dem Biodiesel in einem kontinuierlichen Prozess aus Rapsöl und anderen Pflanzenölen gewonnen werden kann. Im Jahr 2007 arbeiteten die zwölf größten Anlagen weltweit nach diesem Verfahren.Edgar Behrendt: Pionier-Betrieb wird zur Industriebrache, In: Ostfriesenzeitung, 23. Dezember 2015. Seit den 1990er Jahren bauten Investoren in Europa viele Biodieselanlagen und bereits im Jahr 1998 führten 21 europäische Staaten kommerzielle Biodieselprojekte durch. Als erster Staat in den Vereinigten Staaten führte der US-Bundesstaat Minnesota im September 2005 eine Beimischungspflicht von 2 % Biodiesel zum regulären Diesel ein. Seit Mai 2012 ist dort eine zehnprozentige Beimischung Pflicht; bis 2015 ist die Anhebung auf 20 % geplant.
Deutschland regelt den Einsatz von Biodiesel über die Verwendungspflicht laut Biokraftstoffquotengesetz und über Kraftstoffnormen. Ab 2007 galt in Deutschland eine Verwendungspflicht von 4,4 % Biodiesel zu herkömmlichem Diesel, seit 2009 wird gemäß der Kraftstoff-Norm EN 590 herkömmlichem Diesel bis zu 7 % Biodiesel beigemischt. Im Jahr 2010 betrug der Verbrauch in Deutschland 3,255 Millionen Tonnen Biodiesel. Weiterhin kann aber auch reiner Biodiesel (B100) auf die Biokraftstoffquote angerechnet werden.
Im Zuge der politischen Bemühungen um die Senkung des Kohlenstoffdioxidausstoßes führten zahlreiche weitere Länder eine Quotenverpflichtung ein oder planen dies. Die Europäische Union verbrauchte im Jahr 2010 insgesamt 11,255 Millionen Tonnen Biodiesel. Die größten Verbraucher waren neben Deutschland Frankreich mit 2,536 Millionen Tonnen und Spanien mit 1,716 Millionen Tonnen.
Herstellung mini|Biodiesel-Hersteller Bunge im Industriehafen Mannheim Pflanzliche und tierische Fette und Öle sind Ester des Glycerins mit unverzweigten, gesättigten und ungesättigten Monocarbonsäuren, den Fettsäuren. Die Umesterung dieser Triglyceride mit Methanol, also der Ersatz des dreiwertigen Alkohols Glycerins durch den einwertigen Alkohol Methanol, ist der gebräuchlichste Prozess zur Herstellung von Biodiesel.Jon Van Gerpen, Gerhard Knothe: Basics of the Transesterification Reaction in: Gerhard Knothe, Jon Van Gerpen, Jürgen Krahl: The Biodiesel Handbook, S. 26–41, AOCS Press, 2005, ISBN 1-893997-79-0.
Eins der Unternehmen, die Biodiesel in großen Mengen in Deutschland produzieren, ist die Firma Mercuria im Chemiepark Brunsbüttel. Der Einsatz von Methanol erfolgt hauptsächlich aus Kostengründen, technisch eignen sich auch andere einwertige Alkohole wie Ethanol, Propanole und Butanole zur Herstellung von Biodiesel. In Brasilien wird die Umesterung etwa mit dem in großen Mengen verfügbaren Bioethanol vorgenommen.Gabriella P. A. G. Pousa, André L. F. Santos, Paulo A. Z. Suarez: History and policy of biodiesel in Brazil. In: Energy Policy. 35, 2007, S. 5393–5398, doi:10.1016/j.enpol.2007.05.010. Die Fettsäurebutylester weisen einen tieferen Stockpunkt auf, was besonders beim Einsatz von tierischen Fetten von Vorteil ist.
Die Umesterung wird durch Säuren und Basen katalysiert, wobei sich durch Basenkatalyse höhere Reaktionsgeschwindigkeiten erzielen lassen. Nach der Umesterung folgen als weitere Prozessschritte die Abtrennung von Glycerin und überschüssigem Methanol sowie die Aufarbeitung der Nebenprodukte, etwa die Reinigung des Glycerins. Die Wiedergewinnung von Einsatzstoffen erfolgt durch Destillation des überschüssigen Methanols und Rückführung von Restmengen nicht veresterter Fettsäuren.