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Advanced Fuels

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    Hier bekommst du alle wichtigen Infos zum Lernangebot Zukunftsweisende Kraftstoffe

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      Dieses Lernmaterial gibt einen Überblick über die Produktionsprozesse von verschiedenen Arten von Kraftstoffen, die bereits verfügbar sind oder in Zukunft eine größere Rolle bei der Substitution von erdölbasierten Kraftstoffen spielen werden. Außerdem werden Informationen zu den Rohstoffen für fortschrittliche Kraftstoffe gegeben.
    • Dieses Lernmaterial gibt einen Überblick über die Produktionsprozesse von verschiedenen Arten von Kraftstoffen, die bereits verfügbar sind oder die bereits verfügbar sind oder in Zukunft eine größere Rolle bei der Substitution von erdölbasierten Kraftstoffen spielen werden. Außerdem werden Informationen zu den Rohstoffen für fortschrittliche Kraftstoffe gegeben.
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    • Definition zukunftsweisende bzw. fortschrittliche Kraftstoffe

      Ein fortschrittlicher Kraftstoff ist ein Kraftstoff, von dem angenommen wird, dass er in der Lage ist, die Treibhausgasemissionen im Vergleich zu erdölbasierten Kraftstoffen um mindestens 50 % zu reduzieren (Lima & Bacchi, 2018). Die meisten der heute bereits produzierten fortschrittlichen Kraftstoffe basieren auf landwirtschaftlichen Biomasseressourcen und werden daher als Biokraftstoffe bezeichnet. In Zukunft werden synthetische Kraftstoffe auf Basis abiotischer erneuerbarer Energiequellen (z. B. erneuerbarer Strom) an Bedeutung gewinnen.

      Biokraftstoffe:
      Im Jahr 2018 wurden 154 Milliarden Liter Biokraftstoffe produziert (IEA, 2019). Große Mengen der derzeit verwendeten Biokraftstoffe werden aus Pflanzenölen gewonnen. Bioethanol ist der weltweit am häufigsten verwendete Biokraftstoff. Im Jahr 2019 wurden weltweit 28,4 Mrd. Gallonen produziert, das sind ca. 107,5 Mrd. Liter (l). 57 % dieser Menge wurden in den USA (60,9 Mrd. l) und 28 % in Brasilien (30,2 Mrd. l) produziert. Die Europäische Union produzierte 5,4 Mrd. l, was 5 % der Gesamtmenge entspricht (Renewable Fuels Association 2020).

      Die Weltproduktion von Biodiesel aus Pflanzenöl ist deutlich geringer. Im Jahr 2018 wurden etwa 5,5 Mrd. l produziert. Die Produktion von fortschrittlichen Biokraftstoffen, d. h. aus Reststoffen, lag bei 13,5 Mrd. l. Dafür wurden vor allem Altfette, -öle und Schmierstoffe verwendet. Die Biokraftstoffproduktion aus Siedlungsabfällen oder forst- und landwirtschaftlichen Reststoffen lag 2018 bei 1,4 Mrd. l (IEA 2019).

      Es gibt viele verschiedene Methoden der Biokraftstoffproduktion. Einige sind bereits ausgereift und im Einsatz, andere befinden sich noch in einem experimentellen Stadium oder in der Versuchsphase. Biokraftstoffe können in 3 Typen eingeteilt werden, die auch als Generationen bezeichnet werden. Die Charakterisierung hängt mit den verwendeten Rohstoffen und dem Stand ihrer technologischen Reife zusammen:

      Kraftstoffe der 1. Generation
      • herkömmliche Biokraftstoffe
      • basieren auf Zucker, Stärke oder Pflanzenöl, d.h. Biomasse, die auch als Lebensmittel verwendet wird
      • das Herstllungsverfahren wird gut beherrscht und ist bereits weit verbreitet und kommerzialisiert

      Kraftstoffe der 2. Generation:
      • basieren auf zellulosehaltiger Biomasse, die nicht für die Lebensmittelherstellung verwendet werden kann (z.B. Stroh oder Maisstroh), die aber dennoch Flächenressourcen beansprucht und damit mit der Nahrungsmittelproduktion konkurriert, da sie ähnliche Anforderungen an Boden, Wasser, Licht und Nährstoffversorgung hat
      • haben meist einen höheren Energieertrag pro Hektar
      • die Verarbeitungstechnologie ist teilweise unausgereift und kostspielig, da zellulosehaltiges Material vor der Umwandlung vorbehandelt werden muss

      Kraftstoffe der 3. Generation
      • nutzen spezielle Mikroorganismen wie Algen als Rohstoffe
      • Algen sind eine große Gruppe photosynthetisierender Organismen mit etwa 30 000 bekannten Arten (Aziz et al. 2019)
      • Biokraftstoffproduktion aus Algen ist im kleinen Maßstab gut etabliert, aber im industriellen Maßstab noch nicht wirtschaftlich umsetzbar
      Buch über Kraftstoffe der 3. Generation (Englisch):
      Baijpai, Patima (2019). Third Generation Biofuels. Springer Singapore.
      https://doi.org/10.1007/978-981-13-2378-2

      Mittlerweile wird auch von einer 4. Generation von Kraftstoffen gesprochen. Hierbei sind Biokraftstoffe gemeint, die aus gentechnisch veränderten Algen (oder anderen Pflanzen) hergestellt werden. Durch die gentechnische Veränderung können die Nachteile “normaler” Pflanzen, wie z.B. ein geringer Fettgehalt oder niedrige Wachstumsraten, behoben werden. In einigen Fällen werden auch Wasserstoff aus erneuerbaren Quellen, Biomethan, synthetische Biokraftstoffe und Kraftstoffe aus erneuerbarem Strom, manchmal in Kombination mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung, als Kraftstoffe der vierten Generation bezeichnet.

      Unter folgendem Link gibt ein englischsprachiges Dokument der Internationalen Energieagentur (IEA) auf Seite 5 Auskunft über den Stand der technologischen Reife verschiedener Prozesse zur Kraftstoffherstellung:
      Ebadian et al (2020). Overview of the maturity of biofuel production processes.
      https://www.ieabioenergy.com/wp-content/uploads/2020/11/Production-Technologies-and-Costs.pdf

      Synthetische Kraftstoffe:
      Kennzeichnend für synthetische Kraftstoffe ist, dass sie (z. B. über Fischer-Tropsch-Sysnthesen) aus anderen Ressourcen als Erdöl synthetisiert werden, welches üblicherweise durch Destillation oder Rektifikation in seine Fraktionen aufgespalten wird. Ressourcen können Biomasse (BtL - Biomass-to-Liquid), aber auch Erdgas (Gas-to-Liquid) oder Kohle (Coal-to-Liquid) sein. Weitere Kraftstoffe können aus Synthesegas gewonnen werden, z. B. Methanol, Dimethylether, synthetisches Erdgas oder Wasserstoff. Daher wird der Begriff "synthetische Kraftstoffe" manchmal auch synonym zu strombasierten Kraftstoffen (E-Fuels) verwendet.

      Strombasierte Kraftstoffe:
      Zur Herstellung von Elektrokraftstoffen wird elektrische Energie, vorzugsweise aus erneuerbaren Quellen, mit Hilfe von Wasser und Kohlendioxid in chemische Energie umgewandelt. Die Produkte sind z.B. Gase wie Wasserstoff, Methan oder Butan oder Flüssigkeiten wie FT-Kraftstoffe (Fischer-Tropsch), Ammoniak, Butanol oder Methanol.

      Themen und Kraftstoffarten, die in diesem Material vorgestellt werden:  

      • Rohstoffe für biobasierte Kraftstoffe
      • Biokraftstoffe der 1. Generation
      • Strombasierte Kraftstoffe
      • Synthetische Kraftstoffe (Biokraftstoffe der 2. Generation)

  • 1. Feedstocks for biofuel production

    Zu den Rohstoffen für die Biokraftstoffproduktion gehören Pflanzen, landwirtschaftliche Rückstände und Abfallstoffe, die zur Herstellung erneuerbarer Biokraftstoffe verwendet werden. Üblicherweise werden pflanzliche Rohstoffe wie Mais und Sojabohnen sowie landwirtschaftliche Rückstände wie Maisstroh verwendet. Abfallstoffe wie Altspeiseöl und forstwirtschaftliche Rückstände dienen ebenfalls als wertvolle Rohstoffe. In diesem Abschnitt erfahren Sie mehr über die verschiedenen Arten von Rohstoffen.

    • Rohstoffe für die Kraftstoffproduktion

      Als nachwachsende Rohstoffe für die Biokraftstoffproduktion stehen verschiedene Rohstoffe aus der Land- und Forstwirtschaft zur Verfügung. Da die verschiedenen Materialien unterschiedliche chemische Eigenschaften haben, erfordern sie unterschiedliche Verfahren zur Umwandlung. Viele der im Folgenden diskutierten Materialien werden primär in der Lebensmittelproduktion eingesetzt. Daher scheint die tatsächliche Verfügbarkeit hoch zu sein, aber nach Berücksichtigung anderer Verwendungen ist das tatsächlich verbleibende Potenzial viel geringer. Wir unterscheiden daher zwischen verschiedenen Arten des Begriffs "Potenzial" (Definition nach Roth et al. 2018)

      Das Geografische Potenzial spiegelt die physikalischen und biologischen Grenzen des Pflanzenwachstums wider, d. h. Land, Wasser, Sonneneinstrahlung und Nährstoffverfügbarkeit. 

      Das Technische Potenzial ist niedriger als das geografische Potenzial und berücksichtigt technische Aspekte, wie Umwandlungswirkungsgrade und andere technische, infrastrukturelle oder rechtliche Einschränkungen für Anbau, Ernte, Transport und Umwandlung von Biomasse. 

      Wirtschaftliches Potenzial: Nicht alles, was technisch machbar ist, ist auch wirtschaftlich sinnvoll. Daher kann das wirtschaftliche Potenzial nur ein Teil des technischen Potenzials sein. 

      Nachhaltiges Potenzial: Wenn nicht bereits in den anderen Kategorien berücksichtigt, sollten auch soziale und ökologische Einschränkungen der Verfügbarkeit berücksichtigt werden. So können z.B. Naturschutzgebiete, Territorien indigener Völker, Erholungsgebiete und Flächen, die für den Anbau von Nahrungs- und Futtermitteln benötigt werden, nicht ohne weiteres für die Ausweitung der Rohstoffproduktion für Biokraftstoffe genutzt werden. 

      Die Ergebnisse von Studien, die Biomassepotenziale für die Biokraftstoffproduktion untersuchen, variieren stark, weil sie auf einem unterschiedlichen Verständnis des Begriffs “Potenzial” beruhen. Im Kapitel von Roth et al. 2018 (siehe Literaturliste) wird eine Abschätzung der potenziell verfügbaren Biomasseressourcen für die Biokraftstoffproduktion vorgestellt. 

      Unter folgendem Link erhalten Sie einen detaillierten Überblick über den aktuellen Wissensstand der Faktoren, die die Konkurrenz der Biomassenutzung für Lebensmittel, Futtermittel und Bioenergie beeinflussen (Muscat et al. 2020). 

      Muscat, A. et al (2020). The battle for biomass: A systematic review of food-feed-fuel competition. Elsevier.
      https://doi.org/10.1016/j.gfs.2019.100330

      Eine Vorstellung von der aktuellen Dimension von Kraftstoffnachfrage und -angebot aus biobasierten Ressourcen zu erhalten, vermitteln die folgenden Zahlen: Im Jahr 2018 wurden weltweit fast 378 EJ an Endenergie verbraucht. Nur etwa 11 % dieser Nachfrage wurde durch Bioenergie gedeckt (IEA 2020). Der größte Anteil der Bioenergie wird zum Kochen und Heizen verwendet. Im Transportsektor wurden 2018 weltweit 121 EJ an Energie verbraucht (IEA 2020). Nur etwa 3 % dieses Bedarfs wurde durch Biokraftstoffe gedeckt (IEA 2019). 3,6 EJ Bioenergie wurden im Verkehrssektor als flüssige Kraftstoffe eingesetzt. Der größte Anteil (62 %) dieser Biokraftstoffe wurde aus zucker- oder stärkereichen Pflanzen (Bioethanol) hergestellt. Eine Studie der Internationalen Energieagentur (IEA 2019) prognostiziert einen Anstieg der Biokraftstoffproduktion um 24 % bis 2024. Der größte Zuwachs wird für Biodiesel und pflanzenölbasierte Kraftstoffe (z.B. HVO) prognostiziert. Hydrotreated vegetable oil (HVO) basiert meist auf Abfallfetten, -ölen oder Schmierstoffen. Neuartige fortschrittliche Kraftstoffe, die aus kommunalen Feststoffabfällen, forstwirtschaftlichen oder landwirtschaftlichen Reststoffen hergestellt werden, haben derzeit einen geringen Marktanteil (1,4 % aller Biokraftstoffe im Jahr 2018), aber es wird erwartet, dass sich ihr Einsatz bis 2024 verdoppelt.

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      1.1 Sugar and starch rich crops Buch

      Das Buch "Sugar and Starch Rich Crops" befasst sich mit Pflanzen mit hohem Zucker- und Stärkegehalt.

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      1.2 Vegetable oils and animal fats Buch

      In diesem Buch lernen Sie verschiedene Arten von Ölen aus Pflanzen und tierischen Fetten kennen.

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      1.3 Lignocellulosic biomass Buch

      In diesem Buch werden lignozellulosehaltige Pflanzen vorgestellt, die sich durch ihr holziges Gewebe aus Zellulose, Hemizellulose und Lignin auszeichnen.

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      1.4 Alternative feedstocks Buch

      In diesem Buch werden Algen und Abfallströme aus Haushalten oder der Industrie wie Siedlungsabfälle, Deponiegase oder Schlämme aus der Abwasserbehandlung vorgestellt.

  • 2. Biofuel production pathways

    In diesem Abschnitt werden die wichtigsten Prozesswege zur Umwandlung der oben beschriebenen Biomasse-Rohstoffe in Biokraftstoffe beschrieben.

    • Herstellungsverfahren für Biokraftstoffe

      In diesem Abschnitt werden die wichtigsten Prozesswege zur Umwandlung der oben beschriebenen Rohstoffe in Biokraftstoffe beschrieben. Abhängig von der chemischen Zusammensetzung der Rohstoffe sind jeweils unterschiedliche Verfahren erforderlich. Aus den verschiedenen Bestandteilen der Biomasse-Rohstoffe (z. B. Kohlenhydrate oder Lipide) können verschiedene Arten von Kraftstoffen hergestellt werden.

      

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      2.1 Bioethanol (sugar or starch-based biofuel) Buch

      In diesem Buch erfahren Sie mehr über den Biokraftstoff Ethanol auf Basis von Zucker, Stärke und heutzutage auch Lignozellulose.

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      2.2 Biodiesel (oil and fat-based biofuel) Buch

      Das Buch über Biodiesel bietet einen umfassenden Überblick über diese erneuerbare Kraftstoffquelle.

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      2.3 Lignocellulosic-based biofuels from synthesis gas Buch

      Das Buch über Biokraftstoffe auf Lignozellulosebasis aus Synthesegas untersucht die Umwandlung von Lignozellulose-Biomasse in Biokraftstoffe.

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      2.4 Algal or waste-based fuels Buch
      Kraftstoffe aus Algen oder organischen Abfällen können mit ähnlichen Verfahren hergestellt werden. Daher werden sie in diesem Buch gemeinsam behandelt.

  • 3. Electrofuels

    Elektrokraftstoffe sind eine Art synthetischer Kraftstoff, der mit Hilfe von erneuerbarem Strom durch die Umwandlung von Kohlendioxid (CO2) und Wasser in flüssige oder gasförmige Kraftstoffe hergestellt wird. Dieser Prozess, der als elektrochemische oder Power-to-Fuel-Umwandlung bekannt ist, hat das Potenzial, kohlenstoffneutrale Alternativen zu herkömmlichen fossilen Kraftstoffen zu bieten und zur Dekarbonisierung des Verkehrssektors beizutragen. In diesem Abschnitt erfahren Sie mehr über die verschiedenen Arten von Elektrokraftstoffen.

    • Strombasierte Kraftstoffe

      Strombasierte Kraftstoffe sind fortschrittliche Kraftstoffe, die auf elektrischem Strom basieren. Der Begriff bezieht sich also eher auf ihren Herstellungsprozess als auf den Kraftstoff selbst. Die Verarbeitung basiert immer auf Wasserstoff, der durch die Elektrolyse von Wasser gewonnen wird. Der Wasserstoff kann dann mit vielen verschiedenen Verfahren in gasförmige oder flüssige Kraftstoffe umgewandelt werden (siehe folgende Abbildung).

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      Technologien zur Herstellung von strombasierten Kraftstoffen sind vorhanden, befinden sich aber meist noch in der Demonstrationsphase. Daher sind die Produktionskosten von Elektrokraftstoffen derzeit sehr hoch, aber es wird erwartet, dass sie sinken, wenn die Technologie in einen größeren Maßstab übertragen wird, wenn die Stromkosten sinken und die Umwandlungseffizienz steigt. Der große Vorteil von Elektrokraftstoffen gegenüber der direkten Nutzung von Elektrizität (z.B. in Elektrofahrzeugen) ist ihre einfache Integration in die bereits bestehende Infrastruktur zur Kraftstoffversorgung und -nutzung. Das heißt, sie können wie erdölbasierte Kraftstoffe als Drop-in-Kraftstoffe eingesetzt werden - es müssen keine zusätzlichen Logistikketten oder Tankstelleninfrastrukturen aufgebaut werden. Zusätzlich ermöglicht die Herstellung von Wasserstoff und Elektrokraftstoffen die Speicherung von schwankendem Angebot an erneuerbarer Energie aus Wind oder Sonne. Der Vorteil von strombasierten Kraftstoffen ist aber vor allem, dass sie sich zum Betreiben von schweren Transportfahrzeugen wie Schiffen, LKWs oder Flugzeugen eignen, die bislang nicht mit batteriebetriebenen Motoren betrieben werden können.
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      3.1 Hydrogen from renewable sources Buch
      Das Buch Hydrogen from Renewable Sources befasst sich mit der Herstellung von Wasserstoff.
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      3.2 Power-based methane and methanol Textseite
      Hier erhalten Sie weitere Informationen über Methan und Methanol auf Energiebasis.
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      3.3 Power-to-liquid (PtL) Buch
      In diesem Buch erfahren Sie alles über die synthetischen Kraftstoffe Ptl und deren Herstellungsverfahren.

  • Wrap up

    Hier siehst Du nochmal, was du gelernt hast, findest das Literaturverzeichnis und hast die Möglichkeit, Feedback zu geben. Außerdem kannst Du hier deine Teilnahmebestätigung herunterladen - auf deutsch oder englisch.

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      Herzlichen Glückwunsch!

      Sie sind am Ende des Lernangebots angekommen und beenden damit Ihre Reise in diesem Thema.

      Toll, dass Du es bis hierher geschafft haben! Ich hoffe, dt konntest aus diesem Lernangebot viele spannende neue Informationen mitnehmen, Deinen Horizont erweitern und etwas Neues lernen.

      Gleichzeitig hoffe ich natürlich auch, dass Du Spaß an der Auseinandersetzung mit den Inhalten hattest.

    • Du hast gelernt...

       
      ... die Produktionsprozesse verschiedener Kraftstoffarten zu erklären

      ... zu wissen, welche Kraftstoffarten bereits verfügbar sind oder in Zukunft eine größere Rolle bei der Substitution von erdölbasierten Kraftstoffen spielen werden

      ... zu wissen, welche Rohstoffe für fortschrittliche Kraftstoffe verwendet werden

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