Herstellung von Biokraftstoffen: Rohstoffe & Verfahren im Überblick

Biokraftstoffe werden aus nachwachsenden Rohstoffen sowie biogenen Rest- und Abfallstoffen produziert. Da diese Ausgangsmaterialien unterschiedliche chemische Eigenschaften besitzen, gibt es keinen einheitlichen Herstellungsweg. Der Rohstoff grenzt die möglichen Produktionswege ein. Das gewünschte Endprodukt entscheidet über das konkrete Verfahren.

So entstehen unterschiedliche Kraftstoffe und Kraftstoffkomponenten wie Biodiesel, Bioethanol, HVO oder fortgeschrittene Biokraftstoffe.

Woraus besteht Biokraftstoff? Die wichtigsten Rohstoffe

Biokraftstoffe besitzen keine einheitliche Rohstoffbasis. Öle und Fette, Zucker und Stärke sowie lignozellulosehaltige Reststoffe unterscheiden sich chemisch grundlegend. Ein Rohstoff kann je nach Verfahren zu unterschiedlichen Produkten führen. Die folgende Übersicht zeigt die zentralen Ausgangsstoffe und ihre typischen Verarbeitungslinien.

Herstellung von Biosprit: die zentrale Verfahren

Die chemische Struktur des Rohstoffs und das gewünschte Produkt bestimmen das genaue Verfahren. Die drei zentralen industriellen Wege umfassen die Umesterung, die Gärung mit anschließender Destillation sowie die Hydrierung.

Biodiesel durch Umesterung herstellen

Um aus pflanzlichen Ölen, Altspeiseölen oder geeigneten Fetten einen nutzbaren Kraftstoff zu gewinnen, müssen die Rohstoffe gereinigt werden. Dabei werden Wasser und störende Bestandteile entfernt. Mithilfe eines Katalysators reagiert das Öl oder Fett danach mit Methanol. Bei dieser chemischen Umesterung werden die Fettmoleküle umgebaut.

Es entstehen zwei neue Stoffe: Fettsäuremethylester und das Nebenprodukt Glycerin. Beide flüssigen Phasen werden im Anschluss voneinander getrennt. Durch diese Umesterung entsteht Biodiesel (FAME), dessen chemische Eigenschaften sich deutlich von unbehandeltem Pflanzenöl unterscheiden. Zucker- und stärkehaltige Rohstoffe verlangen dagegen einen biologischen Umwandlungsweg.

Bioethanol durch Gärung und Destillation gewinnen

Zuckerhaltige Rohstoffe können in der Verarbeitung vergleichsweise direkt genutzt werden. Stärke muss hingegen enzymatisch in vergärbare Zucker gespalten werden. Noch aufwendiger ist die Vorbehandlung bei Zellulose, die vor der Fermentation aufgeschlossen werden muss. Im Kernprozess wandeln Mikroorganismen den gelösten Zucker durch alkoholische Gärung in Ethanol und Kohlendioxid um.

Das entstandene Gemisch enthält zunächst viel Wasser. Eine Destillation erhöht die Ethanolkonzentration deutlich. Durch eine weitere Entwässerung erreicht es die für den Kraftstoffeinsatz erforderliche Qualität. Das so gewonnene Bioethanol kann als Kraftstoffkomponente eingesetzt werden. Im Gegensatz zu FAME ist Bioethanol ein Alkohol und kein Kohlenwasserstoff.

HVO: Hydrierung statt Umesterung

Öle und Fette dienen auch bei diesem Verfahren als Ausgangsbasis. Nach der Reinigung reagieren die Rohstoffe unter geeigneten Bedingungen mit Wasserstoff. Bei dieser katalytischen Hydrierung wird der in den Ausgangsmolekülen enthaltene Sauerstoff entfernt. Die ursprüngliche Molekülstruktur wird dabei in paraffinische, dieselähnliche Kohlenwasserstoffe überführt.

Weitere Verarbeitungsschritte können Eigenschaften wie das Verhalten bei niedrigen Temperaturen beeinflussen. Anders als FAME ist HVO kein Fettsäuremethylester, sondern ein Kraftstoff aus hydrierten Ölen und Fetten. Das aufbereitete Endprodukt kann als HVO100 oder als Bestandteil eines Kraftstoffgemischs eingesetzt werden. Komplexe Pflanzenreste benötigen dagegen andere oder zusätzliche Aufbereitungsschritte.

Fortgeschrittene Biokraftstoffe aus Reststoffen und Biomasse

Stroh, Holzreste und viele landwirtschaftliche Pflanzenreste enthalten gebundene Kohlenhydrate. Diese lignozellulosehaltigen Strukturen sind für die Verarbeitung schwerer zugänglich als gewöhnlicher Zucker oder Stärke. Für die Umwandlung bestehen zwei grundlegende Verfahrenswege:

• Biochemischer Weg: Der Rohstoff wird vorbehandelt, um die Zellulose aufzuschließen und vergärbare Zucker freizusetzen. Diese können anschließend zu Zelluloseethanol fermentiert werden.
• Thermochemischer Weg: Die Biomasse wird unter kontrollierten Bedingungen vergast. Aus dem entstehenden Synthesegas lassen sich flüssige Kraftstoffe herstellen. Dieses Verfahren wird als BtL, kurz für Biomass to Liquid, bezeichnet.

Ein mögliches Einsatzfeld fortgeschrittener biogener Verfahren ist Sustainable Aviation Fuel (SAF) für die Luftfahrt. SAF ist jedoch eine breitere Kraftstoffkategorie. Nicht jedes Sustainable Aviation Fuel ist daher biogenen Ursprungs. Technische Herstellbarkeit allein ist noch kein Beleg für eine günstige Umweltbilanz.

Wie nachhaltig ist die Herstellung von Biokraftstoffen?

 

Biodiesel aus gesammeltem Altspeiseöl kann eine deutlich andere Klimabilanz aufweisen als Biodiesel aus eigens angebautem Raps. Die Umweltbilanz hängt von vielen Faktoren ab. Dazu zählen die Herkunft des Rohstoffs, die Frage, ob Rest- und Abfallstoffe oder Anbaubiomasse verwendet werden, sowie Aspekte der direkten und indirekten Landnutzung.

Ebenso fallen die benötigte Prozessenergie, die Herkunft des eingesetzten Wasserstoffs oder Methanols und die Transportwege ins Gewicht. Auch die sinnvolle Nutzung anfallender Nebenprodukte beeinflusst die Treibhausgasemissionen. Rückverfolgbarkeit und anerkannte Zertifizierungssysteme sind daher zentral. Wie nachhaltig die Herstellung von Biokraftstoffen tatsächlich ist, hängt von Rohstoff, Produktionsweg und Lieferkette ab. Unabhängig von der Umweltbilanz muss das Produkt technische und qualitative Anforderungen erfüllen, bevor es gelagert, transportiert oder eingesetzt werden kann.

Vom Herstellungsprozess zum einsatzfähigen Kraftstoff

 

Nach der eigentlichen chemischen oder biologischen Umwandlung ist das Rohprodukt noch nicht automatisch für den vorgesehenen Einsatz geeignet. Das Produkt muss aufbereitet und geprüft werden. Bevor der Kraftstoff eingesetzt werden kann, sind typischerweise vier Bereiche relevant:

1. Aufbereitung und Reinigung: Verbliebene Reststoffe, Wasser oder unerwünschte Bestandteile werden entfernt.
2. Qualitätsprüfung und Normkonformität: Relevante Kraftstoffeigenschaften werden im Labor untersucht, um die Einhaltung der Produktspezifikation zu prüfen.
3. Beimischung und Anwendung: Der Kraftstoff wird gegebenenfalls mit weiteren Komponenten gemischt. Dabei sind der vorgesehene Einsatz und vorhandene Herstellerfreigaben zu berücksichtigen.
4. Dokumentation, Lagerung und Transport: Rückverfolgbarkeit, geeignete Lagerbedingungen und eine verlässliche Bereitstellung schließen die Prozesskette ab.

Für den praktischen Einsatz müssen Kraftstoffe für Mobilität und Industrie geprüft, gelagert und bedarfsgerecht bereitgestellt werden. MB Energy verbindet dafür definierte Kraftstoffqualitäten mit abgestimmten Liefermodellen und einer verlässlichen Versorgung.