Bioethanol

Als Bioethanol (auch z. B. Agro-Ethanol oder Bio-Alkohol) bezeichnet man Ethanol, das ausschließlich aus Biomasse oder den biologisch abbaubaren Anteilen von Abfällen hergestellt wurde und für die Verwendung als Biokraftstoff bestimmt ist. des Europäischen Parlaments und des Rates vom 8. Mai 2003 zur Förderung der Verwendung von Biokraftstoffen oder anderen erneuerbaren Kraftstoffen im Verkehrssektor. In der Praxis wird Bioethanol fast ausschließlich aus zuckerhaltigen Pflanzen (Zuckerrohr und Zuckerrüben), Mais, Palmöl, Sojaöl, Rapsöl, anderen angebauten Pflanzen wie Weizen und Triticale, Altspeiseölen und tierischen Fetten (Schlachtabfällen) hergestellt.Internationale Energieagentur (IEA), Januar 2023: Renewables 2022. Analysis and forecast to 2027. Seite 141, Figure 4.10 Total biofuel production by feedstock und Internationale Energieagentur (IEA), Januar 2023: Total biofuel production by feedstock, main case, 2021-2027 Wird das Ethanol aus pflanzlichen Abfällen, Holz, Stroh oder ganzen Pflanzen hergestellt, bezeichnet man es auch als Cellulose-Ethanol, wobei die großtechnische Herstellung von Cellulose-Ethanol bisher trotz intensiver staatlicher Förderung aufgrund hoher Produktionskosten nicht wettbewerbsfähig gegenüber herkömmlichem Bioethanol und fossilen Brennstoffen ist. Ethanol kann als Kraftstoffbeimischung in Mineralölderivaten für Ottomotoren (Ethanol-Kraftstoff), als reines Ethanol (E100) oder zusammen mit anderen Alkoholen (z. B. Methanol) als Biokraftstoff verwendet werden.

Nach dem Ölschock der 1970er Jahre waren Biokraftstoffe als Alternative zu fossilen Energieträgern wiederentdeckt worden. Die reinere Verbrennung und der nachwachsende Rohstoff machten Bioethanol vorerst zu einem umweltfreundlichen Produkt, das nebenbei half, die Agrarüberschüsse aus EU und USA zu verwerten. Seit erneuerbare Energieträger im Zusammenhang mit dem Kyoto-Protokoll als Mittel zur Eindämmung des CO2-Ausstoßes politisch im großen Maßstab forciert wurden, geriet Bioethanol zunehmend unter Kritik. Die kontroverse Diskussion der ökologischen und ökonomischen Aspekte der Bioethanolherstellung führte in der EU zur Reglementierung der Produktionsbedingungen.

Einsatz Ethanol-Kraftstoffe werden als Energieträger in Verbrennungsmotoren und Brennstoffzellen verwendet. Insbesondere der Einsatz als Benzin-Ersatz bzw. -Zusatz in Kraftfahrzeugen und neuerdings auch Flugzeugmotoren hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen.

Das Benzin-Alkohol-Gemisch wird in den Vereinigten Staaten als Gasohol und in Brasilien als Gasolina Tipo C bezeichnet. In den Vereinigten Staaten sind die Mischungen E10 und E85, die jeweils 10 % beziehungsweise 85 % Ethanol enthalten, verbreitet. In Brasilien wird an allen Tankstellen neben reinem Ethanol nur Benzin mit einem Ethanolanteil von 20 bis 25 % angeboten. Die Regierung ändert diesen Anteil entsprechend der Marktlage (Erntezeit) zur Preisregulierung zuweilen.

Neben der üblichen Verwendung von Ethanol als Ottokraftstoff-Zusatz gibt es auch erste Anwendungen mit Ethanol in Dieselkraftstoff in Form von Emulsionskraftstoffen. Außerdem wird aus Bioethanol das Benzin-Additiv ETBE hergestellt.

Mischungen von Ethanol-Kraftstoff

Gängige Mischungen werden mit E2, E5, E10, E15, E25, E50, E85 und E100 bezeichnet. Die dem „E“ angefügte Zahl gibt an, wie viel Volumenprozent Ethanol dem Benzin beigemischt wurden. E85 besteht zu 85 % aus wasserfreiem Bioethanol und zu 15 % aus herkömmlichem Benzin. Bedingt durch die höhere Klopffestigkeit kann die Motorleistung mit E85 gegenüber herkömmlichem Benzin zum Teil deutlich gesteigert werden. Im Sommer 2002 erließ das Bundesministerium der Finanzen ein Gesetz zur Steuerbefreiung u. a. von Ethanol als Biokraftstoff zur Beimischung zu fossilen Kraftstoffen (ermächtigt durch EG Richtlinie 92/81/EWG Art. 8, Abs. 4).

Nach der Europäischen Norm EN 228 ist eine Beimischung von Bioethanol zu herkömmlichen Benzin von bis zu 5 % zulässig (E5). Normale Benzinmotoren können ohne Modifikation mit E5 betrieben werden. Seit dem 1. Januar 2011 wurde E10, also Benzin mit einer Beimischung von bis zu 10 % Bioethanol, an deutschen Tankstellen zusätzlich zu E5 eingeführt. E10 vertragen nur Fahrzeuge, die dafür ausgelegt sind. Für diese Fahrzeuge ist E10 ohne jede Einschränkungen verträglich. Etwa 90 Prozent aller benzinbetriebenen PKW in Deutschland können E10 tanken, für die übrigen 10 % wird E5 – abgesehen von sehr kleinen Tankstellen – zeitlich unbefristet weiterhin angeboten.ADAC: E10 tanken Neufahrzeuge sind in der Regel E10-tauglich. Die E10-Verträglichkeit eines Fahrzeuges kann beim Fahrzeughersteller erfragt werden.DAT: E10 Verträglichkeit Bis März 2011 war die Akzeptanz in Deutschland gering.morgenpost.de: von dpa-info.com, 4. März 2011 Dies änderte sich bis 2018 nicht., 15. August 2018

In den Vereinigten Staaten wird größtenteils E10 eingesetzt. Viele Fahrzeuge mit Ottomotor und voll geregeltem Kraftstoffsystem verkraften auch E25. Hierbei wird die großzügig dimensionierte Einspritzmengen-Korrekturregelung via Lambdasonde genutzt. In Brasilien werden 25 % Ethanol in das Normalbenzin gemischt. Mehr als 80 % aller dort verkauften PKW können wahlweise auch mit E100 oder einer beliebigen Mischung beider Sorten fahren. Motoren, die nur mit reinem Alkohol betrieben werden können, werden dort in der Automobilindustrie seit 1979 und seit 2005 für Kleinflugzeuge verkauft; die Flexible Fuel Vehicles werden seit 2003 angeboten.

Am 2. Dezember 2005 eröffnete in Bad Homburg die erste öffentliche deutsche Bioethanol-Tankstelle für E85. Konventionelle Benzinfahrzeuge haben bei der Verwendung von E85 einen bis zu 30-prozentigen Mehrverbrauch. Dieser ist vor allem dadurch bedingt, dass E85 einen geringeren Heizwert als Eurosuper hat: Ein Liter E85 hat einen Heizwert von etwa 22,7 MJ/L (Superbenzin rund 32,5 MJ/L), woraus ein theoretischer Mehrverbrauch von ungefähr 43 % resultiert. In der Praxis kann der Mehrverbrauch deutlich geringer ausfallen, je nach Motor und Fahrprofil. Ein nicht speziell modifizierter Ottomotor erreicht durch den Einsatz von Ethanol keine Steigerung des Wirkungsgrades. Leistungssteigerungen oder eine Reduktion des Mehrverbrauchs durch höhere Verdichtungen werden durch die höhere Klopffestigkeit des Ethanols ermöglicht. E85 war Anfang 2010 an etwa 270 deutschen Tankstellen erhältlich, wurde jedoch zum 1. Januar 2016 aus dem Programm genommen.Bundesverband der deutschen Bioethanolwirtschaft: E85 – Mobil mit bis zu 85 % Bioethanol.

Modifikation der Verbrennungsmotoren Je höher der Anteil von Ethanol in einer Benzin-Ethanol-Mischung ist, umso weniger ist er für unmodifizierte benzinbetriebene Motoren geeignet. Reines Ethanol reagiert mit oder löst Gummi sowie Kunststoffe (z. B. PVC) und darf daher nicht in unveränderten Fahrzeugen verwendet werden. Außerdem hat reines Ethanol eine höhere Oktanzahl als übliches Benzin, was eine Änderung des Zündzeitpunkts ermöglicht. Wegen des geringeren Heizwertes muss der Durchsatz der Einspritzdüsen angepasst werden. Reine Ethanolmotoren benötigen auch ein Kaltstart-System, um bei Temperaturen unterhalb von 13 °C eine vollständige Verdampfung des Kraftstoffs in der Kaltlaufphase sicherzustellen. Bei 10 bis 30 % Ethanol-Anteil im Benzin sind gewöhnlich kaum Umbaumaßnahmen notwendig. Nicht alle großen Autohersteller garantieren eine störungsfreie Funktion des Motors bis zu einem Anteil von 10 % Ethanol, weil zum Beispiel unbeschichtete Aluminiumkomponenten angegriffen werden können. Seit 1999 werden eine zunehmende Anzahl von Fahrzeugen in der Welt mit Motoren ausgerüstet, die mit jedem möglichen Gemisch aus Benzin und Ethanol von 0 % Ethanol bis zu 100 % Ethanol ohne Änderung betrieben werden können. Diese Motoren werden mittlerweile von nahezu allen Herstellern verwendet.Ethano hervorragender Kraftstoff für Benzin-Direkteinspritzer auf ingenieur.de

mini|Ethanol- und FFV-Fahrzeuge in Brasilien In Europa ist Schweden bei der Beimischung von Ethanol Vorreiter. Ford verkaufte in Schweden bereits 50.000 Flexible Fuel Vehicle (FFV) (Stand: April 2019).Ford reintroduces E85 FFVs to Sweden auf bioenergyinternational.com In Brasilien wurden 2017 über zwei Millionen FFV produziert. Diese Fahrzeuge sind speziell für den Betrieb mit E85 konzipiert, das in Brasilien flächendeckend verfügbar ist. Die FFV verbrauchen bei Betrieb mit E85 rund 35 Vol.-% mehr Kraftstoff gegenüber dem Standardbenzinmodell bei Leistungssteigerungen bis etwa 20 % (Herstellerangaben). FFV können mit jeglicher Ethanol-Benzin-Mischung von 0 bis 85 % Ethanol betrieben werden. Bedingt durch die vom Benzin abweichenden (Verbrennungs-)Eigenschaften des Ethanols werden diese Motoren jedoch mit veränderten Werkstoffen hergestellt. In Deutschland werden keine FFV-Fahrzeuge mehr angeboten.Marktübersicht: Flexible Fuel Vehicle (FFV) für Bioethanol E85 auf greengear.de Ein spezieller Sensor stellt im Betrieb fortlaufend das Mischungsverhältnis fest und regelt den Verbrennungsvorgang.

hochkant=1.6|mini|Vier typische brasilianische full-flex-fuel Modelle von verschiedenen Herstellern, umgangssprachlich als Flex-Auto bekannt. Diese Fahrzeuge laufen in beliebigem Gemisch mit Ethanol und Benzin.

In Brasilien bieten beinahe alle Hersteller ethanol-taugliche Fahrzeuge an. Sie haben bei Volkswagen den Zusatz Totalflex oder bei Chevrolet (Opel/GM) Flexpower und haben teilweise sehr ökonomische Motoren (1.0 City Totalflex oder 1.0 VHC Flexpower).

Additiv ETBE (Bio-)Ethanol ist Rohstoff für die Herstellung des Benzinadditivs Ethyl-tert-butylether (ETBE). Das Benzin-Additiv ETBE erhöht u. a. die Oktanzahl und die Klopffestigkeit von Benzin. Es wird dem Benzin durch deutsche Mineralölunternehmen bis zu einem Anteil von 15 % beigemischt.

2005 machte der deutsche Automobilentwickler und -hersteller AtTrack erstmals Versuche mit einer Piloteinspritzung, die gezielt an Stellen im Fahrprofil, an denen erhöhte Klopffestigkeit erforderlich ist, Bioethanol beimengt. Ziel war es, bei gleicher positiver Wirkung auf Motor und Verbrennung mit weniger Einsatz von Bioethanol als bei der Nutzung als Additiv auszukommen. AtTrack setzte 2006 erstmals einen Subaru WRX STI beim 24-Stunden-Rennen auf dem Nürburgring mit einem Bioethanol-Kraftstoffgemisch ein.

Brennstoffzellen mini|hochkant|Mit Alkohol betriebene Brennstoffzelle

Wasserstoff wird ebenfalls als ein alternativer Treibstoff für Verbrennungsmotoren und Brennstoffzellen betrachtet. Wasserstoff ist jedoch schwer zu transportieren und zu speichern. Eine mögliche Lösung besteht darin, Ethanol für den Transport zu benutzen, dann katalytisch in Wasserstoff und Kohlendioxid zu trennen und den Wasserstoff in eine Brennstoffzelle zu übertragen. Alternativ dazu können einige Brennstoffzellen direkt mit Ethanol oder Methanol betrieben werden.

Anfang des Jahres 2004 zeigten Forscher der University of Minnesota einen einfachen Ethanol-Reaktor, der Ethanol in Wasserstoff mit Hilfe von Katalysatoren umwandelt. Das Gerät benutzt einen Rhodium-Cer-Katalysator für die erste Reaktion, die bei einer Temperatur von etwa 700 °C stattfindet. In dieser Reaktion werden Ethanol, Wasserdampf und Sauerstoff vermischt und große Mengen Wasserstoff produziert. Dabei entsteht jedoch auch giftiges Kohlenmonoxid, das für die meisten Brennstoffzellen störend ist und durch einen weiteren Katalysator zu Kohlendioxid oxidiert werden muss.

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