BtL-Kraftstoff

BtL-Kraftstoffe sind synthetische Kraftstoffe (XtL-Kraftstoffe), die durch thermo-chemische Umwandlung aus Biomasse hergestellt werden. Die Abkürzung BtL steht für englisch (deutsch Biomasseverflüssigung). Die Verfahren zur BtL-Produktion sind in der Entwicklung und nicht konkurrenzfähig.

mini|BtL Diesel mini|Zu Rundballen zusammengepresstes Stroh, das als Rohstoff zur BtL-Kraftstoffherstellung dienen kann mini|Kurzumtriebskultur aus Hybrid-Pappeln, die Rohstoffe zur BtL-Kraftstoffherstellung liefern können

Prinzip und Anwendung Siehe XtL-Kraftstoff und Fischer-Tropsch-Synthese

Die wichtigsten Schritte des gängigsten Herstellungsverfahrens sind die Vergasung der Biomasse, bei der das sogenannte Synthesegas erzeugt wird, sowie die anschließende Synthese mit dem Fischer-Tropsch-Verfahren oder dem Methanol-to-Gasoline-Verfahren (MtG). Als Endprodukt können Kraftstoffe erzeugt werden, die sich zwar chemisch von konventionellen Kraftstoffen wie Benzin oder Diesel unterscheiden, jedoch ebenfalls in Otto- oder Dieselmotoren verwendet werden können.

BtL-Kraftstoffe sind Biokraftstoffe der zweiten Generation. Das bedeutet, dass sie ein breiteres Rohstoffspektrum haben als Biodiesel oder Bioethanol, so dass z. B. auch cellulosereiche Biomasse wie Stroh und Holz genutzt werden kann. Der Kraftstoffertrag pro Hektar Anbaufläche könnte somit erhöht werden.Bundesamt für Energie:

Einige andere, ebenfalls durch eine Biomasseverflüssigung erzeugte Kraftstoffe werden in der Regel nicht den BtL-Kraftstoffen zugeordnet. Dieses sind z. B. die durch Biokonversion aus Zucker, Stärke oder Cellulose erzeugten Kraftstoffe Bioethanol und Cellulose-Ethanol sowie Furanics. Bei einer pyrolytischen Direktverflüssigung von Biomasse zu Pyrolyseöl kann dieses nach einer Aufbereitung in Kraftstoff umgewandelt werden.

Mehrere Verfahrensschritte sind bei der Produktion von BtL-Kraftstoffen notwendig: 1. Rohstoffbereitstellung 2. Vergasung (Pyrolyse) 3. Gasreinigung / Gasaufbereitung (inklusive Kohlendioxid-Shift) 4. Synthese (z. B. Fischer-Tropsch-Synthese) 5. Produktaufbereitung (Raffinierung des Syntheseprodukts)

Die Bereitstellung der Rohstoffe (Schritt 1) unterscheidet sich von den anderen XtL-Kraftstoffen, die aus Gas oder Kohle hergestellt werden. Auch die Schritte der Vergasung und der Gasreinigung unterscheiden sich deutlich vom Gas to Liquid-Herstellungsprozess, ähneln aber dem CtL (Coal to Liquid)-Herstellungsprozess. Die Synthese kann hingegen bei allen XtL-Herstellungen gleich ablaufen, z. B. durch die Verwendung der Fischer-Tropsch-Synthese.

Während die Verfahren zur Herstellung von CtL- und GtL-Kraftstoffen im industriellen Maßstab etabliert sind, befinden sich Verfahren zur BtL-Kraftstoff-Herstellung noch in der Entwicklung bzw. in einer frühen Phase der Praxiserprobung. Hauptsächlich wird derzeit an der Herstellung von BtL-Dieselkraftstoffen geforscht.

Geschichtlicher Hintergrund (siehe Artikel Fischer-Tropsch-Synthese)

CtL-Kraftstoffe wurden bereits in den 1940ern im Deutschen Reich und nach dem Zweiten Weltkrieg bis heute in Südafrika in großtechnischem Maßstab hergestellt. Auch die Herstellung von GtL-Kraftstoffen ist seit den 1990ern etabliert. Im Zuge der Energiewende rückten Erneuerbare Energien und damit auch Biokraftstoffe wie Biodiesel, Bioethanol und BtL in den Fokus. Getrieben durch steigende Preise für fossile Kraftstoffe zur Jahrtausendwende, Sorge um wirtschaftliche Abhängigkeit von politisch instabilen Erzeugungsländern und begleitet durch eine Diskussion um eine CO2-freie Energiewirtschaft wurden in vielen Industrieländern Kapazitäten für die Biokraftstoffe der ersten Generation (z. B. Biodiesel, Bioethanol) aufgebaut. BtL-Kraftstoffe werden als Biokraftstoffe der zweiten Generation vor allem in Europa zwar politisch stark gefördert, haben den ökonomischen Durchbruch bisher jedoch noch nicht geschafft.

Herstellung

mini|Verfahrensschema der Herstellung von BtL-Kraftstoffen

Rohstoffbereitstellung und -aufbereitung Die Herstellung von BtL beginnt meist damit, die stark wasserhaltige Biomasse zu trocknen. Als Ausgangsmaterial können sowohl Biomasseabfälle wie Stroh oder Restholz als auch speziell für die Kraftstofferzeugung angebaute Nutzpflanzen (Energiepflanzen, z. B. in Kurzumtriebsplantagen) Verwendung finden. Nach einer je nach Verfahren und Anlagentechnik erforderlichen Zerkleinerung und Reinigung der Pflanzenteile erfolgt die Vergasung. Zu beachten ist dabei, dass oftmals nur die Heizwerte der eingesetzten Stoffe betrachtet werden. Da diese Heizwerte aber massebezogen ermittelt werden, bleibt die unterschiedliche Dichte der Stoffe, die beispielsweise bei Stroh zu deutlich größeren zu transportierenden und zu verarbeitenden Stoffvolumen führt, bei der Betrachtung meist unberücksichtigt. So haben Buche und Fichte zwar fast den gleichen Heizwert von etwa 15 MJ/kg, die Dichte (das Gewicht pro Volumen) unterscheidet sich aber deutlich: 0,77 bzw. 0,44 kg/dm3. Unter Berücksichtigung der großen notwendigerweise zu transportierenden und zu verarbeitenden Volumina ist auch die Verarbeitung von Reststoffen, schnellwachsender Biomasse oder Stroh kritisch zu betrachten.

Vergasung Der erste Schritt ist bei den hier behandelten Syntheseverfahren eine verschieden stark vollendete thermische Spaltung, die Pyrolyse. Bei Temperaturen von ca. 200 °C bis über 1000 °C wird die physische und chemische Struktur der Biomasse umgewandelt. Lange Molekülketten werden durch den Wärmeeinfluss gespalten. Es entstehen zahlreiche unterschiedliche flüssige und gasförmige Kohlenwasserstoffe mit kürzerer Kettenlänge sowie mit fortschreitendem Verlauf auch vermehrt Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Kohlenstoff und Wasser. Während durch (Luft-)Sauerstoffmangel die vollständige Oxidation zu Kohlendioxid und Wasser verhindert wird, lässt sich die weitere Beschaffenheit der Pyrolyseprodukte neben den primären Prozessbedingungen Temperatur, Druck und Verweilzeit im Reaktor auch durch zugeführte chemische Reaktanten und Katalysatoren beeinflussen. Weitere Varianten der Vergasung sind möglich. Wenn die Reaktion in einer flüssigen Lösung durchgeführt wird, die gleichzeitig Reaktionspartner ist, spricht man auch von einer Solvolyse, bei einer Wasserstoffatmosphäre dagegen von einer Hydrogenolyse.

Carbo-V-Verfahren Dieses spezielle Verfahren beruht auf einem zweistufigen Prozess, wobei zuerst bei 400–500 °C die stückige Biomasse in Koks (Biokoks) und teerhaltiges Schwelgas zerlegt wird. Während der Biokoks ausgeschleust wird, erfolgt bei ca. 1500 °C eine Flugstromvergasung des Schwelgases, so dass die längerkettigen Kohlenwasserstoffe in einfache Moleküle und damit in ein teerfreies Synthesegas zerlegt werden können. Die hohe Temperatur dieses Gases wird anschließend benutzt, um den ausgeschleusten und zermahlenen Biokoks bei nun 900 °C ebenfalls zu vergasen. Der Rohstoff kann dadurch ausgiebiger genutzt werden als bei anderen Verfahren. Das damit entstandene Rohgas ist teerfrei und nach dem Entstauben und Waschen von ähnlicher Qualität wie aus Erdgas erzeugtes Synthesegas.

Verflüssigung Wird die Pyrolyse weniger vollständig durchgeführt, entsteht statt eines Gases ein flüssiges Produkt, das auch als Pyrolyseöl bezeichnet wird. Dieses Verfahren könnte z. B. eingesetzt werden, um bei Rohstoffen mit geringer Dichte, wie z. B. Stroh, die Transportwürdigkeit zu erhöhen. Anschließend kann eine Vergasung an der BtL-Produktionsanlage erfolgen.

Synthese Der nachfolgende Schritt ist der Syntheseschritt, bei dem die Spaltprodukte im Synthesegas durch chemische Reaktion zum BtL-Kraftstoff aufbereitet werden. Meist findet eine an das Fischer-Tropsch-Verfahren angelehnte Synthese zur Erzeugung der BtL-Kraftstoffe statt.

Dieses Verfahren wurde in der Pilotanlage der Choren Industries GmbH angewandt. Dabei wurde das Carbo-V-Verfahren zur Produktion von Biogas mit der von Shell entwickelten Shell Middle Distillate Synthesis, einem weiterentwickelten Fischer-Tropsch-Verfahren, kombiniert. Shell erzeugt damit im großindustriellen Maßstab im malaysischen Bintulu schon GtL-Kraftstoff aus Erdgas und mischt ihn seinem „V-Power“-Kraftstoff bei.

Eine weitere Anlage im vorläufig kleineren Maßstab ist die Anlage in Güssing (Österreich). Eine zentrale Rolle spielt hier die Umwandlung von Biomasse in ein Produktgas mit Hilfe der „Wirbelschicht – Dampfvergasung“. Derzeit (Stand: 2023) wird dieses Produktgas in Wärme und Strom umgewandelt und versorgt so die Stadt Güssing mit umweltfreundlicher, erneuerbarer Energie.

Produktaufbereitung Das Produkt der Synthese ist ein Gemisch verschiedener Kohlenwasserstoffe. Um eine Nutzung als Kraftstoff zu ermöglichen, ist eine Aufbereitung notwendig, die z. B. auf Verfahren aus der Erdölraffination zurückgreift (z. B. Destillation, Rektifikation). So erfolgt z. B. die Gewinnung von BtL-Benzin und BtL-Diesel aus dem Syntheseprodukt. In einem begrenzten Rahmen lässt sich die Synthese steuern, so dass z. B. eine bevorzugte Herstellung von BtL-Diesel möglich ist.

Andere Herstellungsverfahren Eine Herstellung von BtL-Kraftstoff kann auch mit anderen Verfahren erfolgen, die aber zur Unterscheidung meist eine eigene Bezeichnung haben. Teilweise liegt als Zwischenprodukt kein Synthesegas, sondern eine Flüssigkeit (Pyrolyseöl) vor: Flash-Pyrolyse mit sehr kurzen Verweilzeiten im Reaktor, der Katalytischen Direktverflüssigung, bei der die Pyrolyse in einem Ölsumpf mit Katalysatorbeimengung erfolgtWillner, Th.: Direktverflüssigung von Biomasse am Beispiel der Entwicklungen der HAW Hamburg. Gülzower Fachgespräche, Band 28, Hrsg. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe, Gülzow 2008, S. 54–86, und der Hydrierenden Direktverflüssigung, bei der durch (Druck-)Wasserstoff während der Pyrolyse stabile Produktkohlenwasserstoffe entstehen.

Bei diesen Verfahren entsteht eine Produktflüssigkeit (Biorohöl oder Biocrude Oil genannt) die hauptsächlich lipophile (wasserunlösliche) Stoffe enthalten kann. In einem weiteren Schritt erfolgt die Verarbeitung zu Biokraftstoff mit Hilfe gängiger petrochemischer Verfahren.

Entsprechende Anlagen existieren derzeit an verschiedenen Standorten in Deutschland, u. a. beim „Departement Verfahrenstechnik“ der HAW Hamburg (Technikumsmaßstab), sowie bei einigen kommerziellen Betreibern („HP-DoS“-Verfahren, Produktionsvorstufe).

Auch an anderen Instituten wird an der Entwicklung von Herstellungsverfahren gearbeitet, wie z. B. am Forschungszentrum Karlsruhe mit dem bioliq-Verfahren.Forschungszentrum Karlsruhe - Programm Erneuerbare Energien

Auch mikrobiologisch ist eine Herstellung denkbar. So haben Forscher an der Universität Exeter das Bakterium Escherichia coli gentechnisch so manipuliert, dass diese durch Zugabe von Fettsäuren je nach Genausstattung Alkane und Alkene verschiedener Längen herstellen kann.Howard, TP. et al. (2013): Synthesis of customized petroleum-replica fuel molecules by targeted modification of free fatty acid pools in Escherichia coli. In: PNAS 110(19); 7636–7641; PMID 23610415; doi:10.1073/pnas.1215966110; PDF (freier Volltextzugriff, engl.) Je nach Zusammensetzung können dann Kraftstoffreplika erzeugt werden.

Kraftstoffeigenschaften Es gibt derzeit nur Messwerte aus Pilotanlagen.RENEW Homepage. Fischer-Tropsch-Kraftstoffe werden einen 7 % geringeren volumetrischen Energieinhalt im Vergleich zu Diesel haben, eine niedrigere Viskosität und eine deutlich höhere Cetanzahl.FNR: Oktober 2008 (PDF; 526 kB).

Die Emissionen durch BtL-Kraftstoff sind geringer als bei fossilem Brennstoff (siehe Absatz Umweltauswirkungen). BtL-Diesel bzw. -Benzin sind ohne umfassende Umrüstung in den gängigen Diesel- bzw. Ottomotoren (Benziner) nutzbar.

Umweltauswirkungen mini|Mechanisierte Ernte einer Kurzumtriebsplantage mit einem umgerüsteten Maishäcksler