9.1 Welche biobasierten Kraftstoffe gibt es schon?

Bioethanol und Biodiesel gehöhren zu den am weitesten verbreiteten Biokraftstoffen und werden zumeist in Straßenfahrzeugen eingesetzt, bzw. dem herkömmlichen fossilbasierten Kraftstoff beigemischt. Bioethanol wird über einen Fermentationsprozess mit anschließender Destillation hergestellt. Derzeit werden als Rohstoffe vor allem Mais (in den USA) oder Zuckerrohr (in Brasilien) eingesetzt. Bei Biodiesel werden, je nach Herstellungsverfahren und Rohstoffbasis, FAME (fatty acid methyl ester) und HVO (hydrognenated vegetable oil) oder synonym HEFA (Hydroprocessed Esters and Fatty Acids) unterschieden. FAME hat eine andere chemische Zusammensetzung als fossiler Diesel und ist daher nicht in reiner Form für herkömmliche Dieselmotoren geeignet und wird daher nur zugemischt. HVO und HEFA hingegen sind vollständig kompatibel. Wer mehr über die verschiedenen Herstellungsprozesse und Rohstoffe erfahren möchte, kann sich Kapitel 2 des Lehrmaterials zum Thema zukunftsweisenden Kraftstoffe auf der HOOU-Plattform anschauen.

Einordnung von Biokraftstoffen

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 (z.B. Holz, Stroh oder Maisstroh)
• konkurrieren nicht direkt mit der Lebensmittelherstellung, beanspruchen aber dennoch Flächenressourcen
• die Verarbeitungstechnologie 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 
• Biokraftstoffproduktion aus Algen ist im kleinen Maßstab gut etabliert, aber im industriellen Maßstab noch nicht wirtschaftlich umsetzbar

Mittlerweile wird auch von einer 4. Generation von Kraftstoffen gesprochen. Hierbei sind Biokraftstoffe gemeint, die aus gentechnisch veränderten Algen oder 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.

Status Quo Produktion

Im Jahr 2021 wurden 159 Milliarden Liter Biokraftstoffe produziert (IEA, 2022: https://www.iea.org/energy-system/low-emission-fuels/biofuels). Große Mengen der derzeit verwendeten Biokraftstoffe werden aus Pflanzenölen gewonnen. Bioethanol ist der weltweit am häufigsten verwendete Biokraftstoff. Im Jahr 2021 wurden weltweit ca. 103 Mrd. Liter produziert. USA, Brasilien und die Europäische Union sind die größten Erzeugerländer (Renewable Fuels Association 2022: https://ethanolrfa.org/markets-and-statistics/annual-ethanol-production).

Die Weltproduktion von Biodiesel und Biokerosin ist deutlich geringer. Im Jahr 2021 wurden etwa 54 Milliarden Liter produziert. Die Produktion von Biodiesel durch Umesterung (FAME) machte dabei etwa 80 % dieser Menge aus, hydrierte Biodiesel (HVO und HEFA) nur 17 %.

Für die Produktion von SAF wird derzeit in den meisten Fällen die HEFA-Technologie eingesetzt (Shahriar & Khanal 2022: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016236122017471?via%3Dihub). Als Rohstoffe werden Altfetten, -ölen und Tierfette verwendet. Die Biodieselproduktion mithilfe des Alkohol-to-Jet Verfahrens aus Siedlungsabfällen oder forst- und landwirtschaftlichen Reststoffen ist wesentlich geringer (Shahriar & Khanal 2022).

Im Jahr 2021 wurden jedoch lediglich 0,1 % des weltweiten Kerosinbedarfs durch SAF gedeckt. Laut IEA (2022) soll sich der Anteil bis 2030 jedoch auf 5 % erhöhen.

Flugkraftstoffe

Flugkraftstoffe müssen ganz besonderen Anforderungen an Verbrennungsqualität und Sicherheit genügen.

Der Kraftstoff darf:

• sich nicht unkontrolliert entzünden
• keine Ablagerungen bilden
• sich nicht elektrisch aufladen
• bei Temperaturen unter -30 °C nicht vereisen

Natürlich gelten diese Anforderungen auch für biobasierte Flugkraftstoffe.

Die Bezeichnung SAF - Sustainable Aviation Fuel wird seit einiger Zeit von der Luftfahrtindustrie für alternative Kraftstoffe, basierend auf biogenen Rohstoffen verwendet und schließt aber auch strombasierte Kraftstoffe mit ein. Derzeit werden diese SAF aber nicht in reiner Form verwendet, sondern bis zu 50 % fossilem Kerosin beigemischt.