Biotreibstoffe (Biofuels)

Deswegen werden wir zuerst von der Bestimmung der Biotreibstoffe als eine erneuerbare Energiequelle ausgehen und danach wird etwas über die grundlegenden Merkmale, zwei häufigste Arten (Ethanol und Biodiesel) und die Teilung der Biotreibstoffe in zwei Generationen gesagt. Am Ende der Arbeit werden die negativen Konsequenzen der Produktion dieser Energiequelle in Betracht gezogen, deren Grundlage die Forschungen und Meinungen der vielen Experten sind. Provoziert durch die Meinungen der Mehrheit der Menschheit über die Biotreibstoffe als eine neue Hoffnung zur Reduzierung der Abhängigkeit von schädlichen und fast ausgenutzten fossilen Treibstoffen, widersprechen sie der immer größeren Produktion, weil sie noch einen größeren Abgrund zwischen den entwickelten und unentwickelten Teilen der Welt schaffen wird.

Biomasse – Die Grundlage der Produktion der Biotreibstoffe

Dieser Begriff ist eigentlich die Abkürzung des Begriffs der biologische Masse und bezeichnet die Quantität des vor nicht so langer Zeit Materials der lebenden Herkunft (Pflanzen, Tiere und ihre Produkte), das sich auf dem bestimmten Gebiet der Erdoberfläche befindet. Am meisten ist es aus den verschiedenen Diskussionen über die Energie der Biomasse, d. h. über die direkt oder indirekt aus den biologischen Quellen produzierten Treibstoffe bekannt. Biomasse ist eine erneuerbare Energiequelle, die auf den Kohlenstoffzyklus basiert, im Unterschied zu anderen Naturquellen, wie das Erdöl, die Kohle oder nukleare Treibstoffe. Eine der Bestimmungen der Biomasse akzeptier von dem Kroatischen Parlament ist: „Biomasse ist der biozerfallene Teil der Produkte, des Abfalls und der Reste aus der Landwirtschaft (inklusiv die Substanzen der vegetativen und animalischen Herkunft), Forstwirtschaft und ähnlichen Industrien, wie auch der biozerfallene Teil des industriellen und kommunalen Abfalls“. Die Energie der Biomasse aus dem Holz, den Erntenreste und dem Dünger sind primäre Energiequellen in den entwickelten Gebieten. In einigen Gebieten ist die Biomasse auch die größte Energiequelle, wie z. B. in Brasilien, wo aus dem Zuckerrohr das Ethanol produziert wird oder in der chinesischen Provinz Sichuan, wo der Treibstoff aus dem Dünger produziert wird. Für einige Gebieten in der Welt ist die Anwendung der bestimmten Quellen der Biomasse in der Produktion der Treibstoffe typisch, was auch aus den oben erwähnten Beispielen zu sehen ist. In den USA werden im Moment am meisten der Mais, das hohe Gras der Prairie und die Soja verwendet, Europa benutzt in ihrer Produktion der Biotreibstoffe am meisten die Rübe, der Weizen und die Zuckerrübe. Im südöstlichen Asien ist das Palmenöl im Vordergrund, in China das Sorghum und die Maniok. Viele Forschungen mit dem Zweck der Verbesserung der Produktion von der Energie der Biomasse werden durchgeführt, aber der ökonomische Gegner, das Erdöl verlangsamt diese Versuche und hält sie auf dem frühen Niveau der Entwicklung fest.

Biotreibstoffe – Die Bestimmung und die Teilung

Nach der Bestimmung der Biomasse als der Quelle für die Produktion der Biotreibstoffe sollte man auch die Biotreibstoffe als solche definieren. Die einfachste Definition lautet: „Biotreibstoffe sind aus der Biomasse produzierte liquide oder gasartige Treibstoffe für den Bedarf des Transports“. Biotreibstoffe können direkt aus den Pflanzen oder indirekt aus dem industriellen, kommerziellen, häuslichen und landwirtschaftlichen Abfall produziert werden. Es gibt drei grundlegende Methoden der Produktion der Biotreibstoffe. Die erste Methode basiert auf der Verbrennung des trockenen organischen Abfalls (aus dem häuslichen, industriellen und landwirtschaftlichen Abfall, aus Stroh, Holz und Torf). Die Fermentierung des nassen Abfalls (des Dünger der animalischen Herkunft) ohne den Sauerstoff, um den Biotreibstoff mit sogar 60 % des Methans zu produzieren zusammen mit der Fermentierung des Zuckerrohres oder des Maises (Produktion des Alkohols und Esters) ist die zweite Methode der Produktion der Biotreibstoffe. Am Ende kann man auch über die durch die Forstwirtschaft gewonnene Energie sprechen. Sie basiert auf die Züchtung der schnell wachsenden Bäume für die Produktion der Treibstoffe. Fermentierung ist die meist bekannte Methode, deren Produkte zwei bekannteste Biotreibstoffarten sind: der Alkohol und der Ester. Sie könnten theoretisch die fossilen Treibstoffe ersetzen, aber weil dann man die Maschinen anpassen werden müsste, werden sie in der Mischung mit den fossilen Treibstoffen gebraucht.

Biotreibstoffe besitzen das Potential zur Reduzierung der Produktion des Kohlendioxyds CO₂. Das basiert auf der Tatsache, dass die Pflanzen, aus denen Biotreibstoffe produzier werden, während ihres Wuchses das CO2 absorbieren und es wird während der Verbrennung der Biotreibstoffe wieder ausgelassen. Aber weil die Energie für den Wuchs und die Züchtung der Pflanzen und auch ihre Transformation in die Treibstoffe und die Distribution nötig ist, muss auch eine zusätzliche Quantität des CO₂ freigelassen wird. Emissionen des CO₂, das während der Produktion und Distribution der Biotreibstoffe freigelassen wird, kann mit Hilfe von der Technik "Life Cycle Analysis (LCA)" berechnet werden. Sie basiert auf der Beobachtung und Berechnung der Emission des CO₂ von dem Anfang des Wuchses der Pflanze (Pflanzung des Samens in die Erde) bis zur Emission des Gases während der Verbrennung im Motor. Viele Studien für verschiedene Biotreibstoffe wurden durchgeführt und ihre Resultate waren auch sehr unterschiedlich differenziert. Die Mehrheit der LCA Studien zeigten, dass die Biotreibstoffe im Vergleich zu fossilen Treibstoffen viel weniger Quantitäten der schädlichen Treibhausgase produzieren und ihre Anwendung, d. h. das Ersetzen der fossilen Treibstoffe wurde den Treibhauseffekt erheblich reduzieren.

Es gibt verschiedene Arten der Biotreibstoffe, die auf die erste und die zweite Generation abhängig von der Materialquelle für die Produktion, den Produktionskosten, dem Preis und der Emission des CO₂ aufgeteilt sind. Die erste Generation der Biotreibstoffe basiert auf der Produktion aus dem Zucker, Stärkemehl, den Pflanzenölen oder animalischen Fetten und die zweite auf dem landwirtschaftlichen Abfall und Waldabfall.

Die erste Generation der Biotreibstoffe

Es wurde schon erwähnt, dass die erste Generation aus den verschiedenen vegetativen und animalischen Substanzen produziert wird. Die bekanntesten Arten der ersten Generation der Biotreibstoffe sind Ethanol, Biodiesel und Biogas.

• Ethanol

  Verschiedene Biotreibstoffe auf den Pumpen.

  Ethylalkohol oder Ethanol, C₂H₅OH, ist transparente, farblose Flüssigkeit spezifisches Geschmacks und charakteristisch angenehmes Duftes. Es befindet sich meistens in den alkoholischen Getränken wie das Bier, der Wein und das Cognac. Wegen der niedrigen Temperatur des Frierens wird Ethanol als Flüssigkeit in den Thermometern auf der Temperatur unter -40 °C (-40 °F) und als Antifris in Automobilen benutzt.

  Ethanol wird meistens mit Hilfe von der Destillation der verdünnen Lösung konzentriert. Ethanol, das in kommerziellen Zwecken benutzt wird, beinhaltet 95% des Ethanols und 5% des Wassers. Diese Quantität des Wassers kann mit Hilfe von einem bestimmten Enzym entfernt werden und auf dieser Weise entstehen das absolute Ethanol. Die Temperatur der Schmelzung des Ethanol ist -114.1 °C (-173.4 °F) und die Temperatur des Siedens beträgt 78.5 °C (173.3 °F). Die älteste Art der Produktion des Ethanols ist die Fermentierung des Zuckers. Alle alkoholischen Getränke und mehr als die Hälfte des industriellen Ethanols wird auf die gleiche Weise produziert. Das Stärkemehl in dem Kartoffel, Mais und anderen Getreiden wird mit Hilfe vom Hefeenzym und anderen Enzymen in das Ethanol und Kohlendioxid transformiert.

  C₆H₁₂O₆→ 2C₂H₅OH + 2CO₂

  Diese Formel ist eigentlich die einfache Beschreibung des Prozesses, in dem viele andere Produkte produziert werden. Auf solche Weise gewonnene Flüssigkeit mit dem Anteil des Ethanols von 7 bis 12 % wird durch viele Destillationen in das 95 % konzentrierte Ethanol transformiert. Große Quantitäten des Ethanols, das nicht für die Produktion der Getränke bestimmt ist, werden synthetisch aus dem Azetaldehyd produziert, das aus dem Acetylen oder Ethylen (indirekt aus dem Erdöl) gewonnen wird. Ethanol kann zuerst in den Acetaldehyd und danach in die Essigsäure oxydieren. Durch den Prozess der Dehydrierung entsteht der Äther. Andere Produkte, die aus dem Ethanol entstehen, sind Butadiene, die für die Herstellung des synthetischen Gummis, danach das Ethylchlorid (lokales Betäubungsmittel) und viele andere organische Verbindungen. Die Mischung des Ethanols und Benzins wird Gasohol genannt und als Treibstoff in Automobilen verwendet. Ethanol kann mit dem Wasser und vielen organischen Lösungen in allen Proportionen gemischt werden. Es ist ein ausgezeichnetes Lösungsmittel und wird auch in der Produktion der Parfüme, Lacke, des Zelluloids und Explosivstoffs gebraucht. Alkoholische Lösungen nicht verdünstbarer Substanzen werden Tinkturen genannt. Im Fall, wenn die Lösung der Verdunstung freiliegt, wird sie Spiritus genannt.

  Die Mehrheit des industriellen Ethanols ist denaturiert, um seinen Verbrauch als Alkohol zu vermeiden. Dieser Prozess enthält das Mischen des Ethanols mit giftigen oder unangenehmen Substanzen, die das Ethanol untrinkbar machen. Die Entfernung dieser Substanzen würde eine Serie von Behandlungen teurer als das Steuer auf die alkoholischen Getränke.

• Biodiesel

  Biodiesel ist ein der ersten alternativen Treibstoffen, die der Öffentlichkeit bekannt wurde und ist der meist ausgebreitete Biotreibstoff in Europa. Es wird aus dem Öl oder Fett durch den Prozess der Transesterifikation produziert und ist in seiner Struktur dem mineralen Diesel ähnlich. Die Öle werden mit dem Sodiumhydroxid und Methanol oder Ethanol gemischt und die Produkte dieser chemischen Reaktion sind Biodiesel und Glyzerol. Auf 10 Teile des Biodiesels entsteht ein Teil des Glyzerols. Biodiesel kann in jedem Dieselmotor im der Mischung mit dem mineralen Diesel verwendet werden. In einigen Ländern geben die Hersteller eine Garantie auf den Motor, falls sogar nur reines Biodiesel ohne Zusätze verwendet wird, obwohl Volkswagen seinen Fahrern empfiehlt, dass sie sich mit der Volkswagens Abteilung für den Umweltschutz vor der Anwendung konsultieren.

• Biogas

  Substanz %   Methan, CH4 50 – 75     Kohlendioxid, CO2 25 - 50     Nitrogen, N2 0 - 10     Hydrogen (Wasserstoff), H2 0 - 1     Hydrogensulfid, H2S 0 - 3     Sauerstoff, O2 0 - 1

  Biogas entsteht durch den Prozess der anaeroben Transformation der organischen Materialien (biozerfallener Abfall, energetische Substanze) mit Hilfe von anaeroben Organismen und beinhaltet Methan und Kohlendioxid. Es kann als eine Stromquelle und für die Aufwärmung der Räume und des Wassers gebraucht werden. Als Treibstoff findet Biogas seinen Verbrauch in den Motoren mit innerlicher Verbrennung. Typische Struktur des Biogases ist in der Tabelle präsentiert.

Die zweite Generation der Biotreibstoffe

Die zweite Generation der Biotreibstoffe ist durch die Verarbeitung des landwirtschaftlichen Abfalls und Waldabfalls gewonnen. Im Vergleich zu der ersten Generation könnten Biotreibstoffe dieser Generation die Emission des CO₂ erheblich reduzieren. Sie benutzen auch nicht die Nahrungsquellen als die Produktionbasis und einige Arten versichern bessere Arbeit der Motore. Biotreibstoffe der zweiten Generation, die im Moment produziert werden sind: Biohydrogen, Bio-DME, Biomethanol, DMH, HTU Diesel, Fischer – Tropsch Diesel und Alkoholmischungen.

• Biohydrogen

  Diese Art der Biotreibstoffe könnte die meist repräsentative sein, weil dieses Biotreibstoff erneuerbar ist, keine Emission der Treibhausgase bei der Verbrennung verursacht, sondern die Energie befreit und wird leicht in die elektrische Energie mit Hilfe von Treibstoffzellen transformiert. Bei der Produktion des Biohydrogens mit Hilfe von fotosynthetischen Mikroorganismen braucht man einen einfachen solaren Reaktor, wie eine transparente Kiste und eine geringe Energiequelle. Elektrochemische Produktion des Biohydrogens mit Hilfe von der solaren Batterie verlangt jedoch starke Energiequellen. Es gibt verschiedene Prozesse der Produktion des Biohydrogens. Einige von ihnen sind: Biophotolysis des Wassers mit Hilfe von Mikroalgen oder Cyanobakterien, die Produktion des biohydrogens mit Hilfe von bestimmten Enzymen (Hydrogenase, Nitrogenase), die Produktion mit Hilfe von fotosynthetischen Bakterien, Kombination der fotosynthetischen und anaeroben Bakterien bei der Produktion. Die eigentliche Produktion hängt nicht nur von den Verbesserungen aufgrund der Forschungen, sondern auch von ökonomischen Forderungen, von der gesellschaftlichen Anpassung und der Entwicklung des energetischen Systems.

• Bio – DME

  Bio – DME oder Biodimethyläther ist dem Biomethanol sehr ähnlich, vom dem später gesprochen wird. Bio – DME kann direkt aus dem synthetischen Gas, das immer noch in der Entwicklung ist, produziert werden. Jedoch, in der chemischen Industrie wird DME aus dem reinen Methanol durch den Prozess der katalytischen Dehydrierung (chemische Teilung des Wassers von dem Methanol) produziert. Solches Methanol kann aus der Kohle, dem Erdgas oder aus der Biomasse gewonnen werden. Oft werden Methanol und DME in dem gleichen Prozess produziert. Neulich hat man begonnen, das DME als eine mögliche Treibstoffquelle zu betrachten. In der Vergangenheit wurde es als Ersatz für das Chlorofluorokarbon in Spreys benutzt. Wegen seiner niedrigen Temperatur der Verbrennung und der hohen Oktannummer ist es als Treibstoff in Dieselmotoren sehr passend. Obwohl DME keine Korrosion des Metalls (wie Bioethanol und Biomethanol) verursacht, beeinflusst es nach einiger Zeit bestimmte Plastik- und Reifenarten. Auf der Zimmertemperatur ist DME im gasartigen Zustand. Falls der Druck mehr als 5 Bar oder die Temperatur weniger als -25 °C beträgt, wird DME flüssig.

• Biomethanol

  Dieser Biotreibstoff kann auch aus dem synthetischen Gas, das aus der Biomasse erzeugt wird, produziert werden. Es kann als Ersatz für das Erdöl in der Entzündung des Motors wegen der hohen Oktannummer. Wie auch beim Bioethanol, beim Verbrauch dieses Treibstoffes sollten der niedrige Druck der Verdunstung, niedrige Energie der Dichte und Unvereinbarkeit mit den Materialien im Motor in Betracht gezogen werden. 10-20% des Biomethanols gemischt mit dem Erdöl kann in Motoren ohne irgendwelche Modifikationen benutzt werden. Da die Flamme bei der Verbrennung des Biomethanols unsichtbar ist und dieser Treibstoff selbst giftig ist, soll man bei der Anwendung strenge Sicherheitsmaßnahmen einführen.

• DMF

  DMF oder Dimethylformamid ist eine organische Verbindung mit der Formel (CH₃)₂NC(O)H. Diese farblose Flüssigkeit kann mit dem Wasser und meisten organischen Verbindungen gemischt werden. Es wird oft als die Lösung in den chemischen Reaktionen verwendet. DMF wird durch den Prozess der Reaktion des Dimethylamins und Kohlendioxids bei dem niedrigen Druck und bei der niedrigen Temperatur produziert. Seine Anwendung, außer als der Treibstoff, findet es in der Pharmazie, in der Produktion der Pestizide, synthetischer Fasern und ähnlichen Materialien. Es wird behauptet, dass DMF den Krebs und einige Mangeln bei der Geburt verursacht.

• HTU Diesel

  HydroThermalUpgrading (HTU) ist die Technologie der Transformation der Biotreibstoffe aus den Quellen wie nasse Biomasse der animalischen Herkunft. Auf der Temperatur von 300 - 350 °C und beim hohen Druck transformiert die Biomasse in die organische Flüssigkeit, die die Mischung der Kohlenwasserstoffe enthält. Nach dem Prozess der katalytischen Hydrodeoxigenation (HDO) kann der liquide Treibstoff, ähnlich den fossilen Treibstoffen, produziert werden. Im Moment wird diese Technologie nur in den Niederlanden benutzt, wo sich auch der experimentale HTU Betrieb befindet.

• Fischer – Tropsch Diesel

  Fischer – Tropsch Prozess ist katalytische Reaktion während der sich das Kohlenmonoxyd und der Wasserstoff in das liquide Kohlenwasserstoffe verschiedener Formen transformieren. Dabei werden typische Katalysatoren wie das Eisen oder das Kobalt benutzt. Die Formel lautet: (2n+1)H₂ + nCO → C_nH_(2n+2) + nH₂O. Das grundlegende Ziel dieses Prozesses ist die Produktion des synthetischen Ersatzes für das Erdöl aus der Kohle oder dem Erdgas, um als synthetischem Öl für die Schmierung oder als synthetischer Treibstoff benutzt zu werden.

• Alkoholmischungen

  Synthetisches Gas, die Mischung des Kohlenmonoxyds und Wasserstoffs kann aus der Biomasse durch viele thermale Prozesse, wie Verdunstung, produziert werden. Katalytische Reaktionen transformieren es in den Treibstoff, wie Ethanol und in die chemischen Substanzen großes Wertes, wie Propanol und Butanol. Momentane Katalysatoren für die Synthese der „Alkoholmischungen“ sind für das synthetische Gas produziert, das aus der Kohle oder dem Methandampf gewonnen wird. Jedoch sind sie nicht die beste Lösung und deshalb versucht man, Katalysatoren, die die Produktion dieser Biotreibstoffe verbessern würden, zu produzieren.

Der Einfluss der Biotreibstoffe

Biotreibstoffe als der Ersatz der fossilen Treibstoffe tragen eine positive Note, was den Einfluss auf die Umwelt betriff, weil im Vergleich zu fossilen schon fast ausgenutzten Treibstoffen sie erheblich die negativen Konsequenzen der Anwendung der fossilen Treibstoffe reduzieren. Aber nehmen wir in Betracht die Produktion der Biotreibstoffe, müssen wir eine Frage stellen: Sind Biotreibstoffe wirklich eine gute Lösung für die gesamte Weltbevölkerung?

Nahrung oder Treibstoff?

Heutzutage werden Biotreibstoffe meistens aus dem Zuckerrohr, Meise, der Soja und Rübe produziert, währen in diesem Augenblick ungefähr 850 Millionen Menschen unter Hunger leiden. Wenn man die Tendenz der Umwandlung der Nahrung in die Biotreibstoffe in den reichen Staaten im Betracht zieht, kann man leichter die folgende Aussage des Jan Zieglers verstehen: „Jedes Kind, das in der heutigen Welt wegen des Hungers stirbt, ist ein getötetes Kind (2006).“ (Every child who dies of hunger in today's world has been murdered - 2006).

Schlussfolgerung

Aufgrund allem was bis jetzt geschrieben wurde, könne wir beschließen, dass die Biotreibstoffe keine Perfektion sind, deren Anwendung so früh wie möglich man ermöglicht soll, sonder man muss auch die negativen Seiten beachten. Natürlich, im Vergleich zu fossilen Treibstoffe, die immer weniger gibt und deren Ressourcen zu Ende gehen, scheinen Biotreibstoffe wirklich eine Lösung zu sein. Aber ist alles so märchenhaft?

Viele Wissenschaftler und Experte sind der Meinung, dass trotz aller Vorteile der Biotreibstoffe man auch die anderen Seiten erforschen soll, wie z. B. die Verbesserung des Prozesses der Produktion der Biotreibstoffe und die Behebung ihrer schädlichen Konsequenzen. Ist das aber möglich? Die Wissenschaftler kämpfen schon seit Jahrzehnten mit dem schädlichen Einfluss der fossilen Treibstoffe. Wie können sie sich dann mit einem neuen nicht noch komplett entwickelten Treibstoff konfrontieren und die Konsequenzen ihrer Anwendung bestimmen?

Was die Weltwirtschaft und besonders die armen Ländern angeht, muss eine Lösung gefunden werden, die, wenn nicht eine Verbesserung ihres Zustands bedeutet, dann auch ihre jetzige Lage nicht verschlimmert. Das ist eine Konsequenz der Produktion der Biotreibstoffe, deren Basis organische Substanzen, d. h. Nahrungsmittel (Getreide) sind. Ihr Anteil in der Produktion ist am größten. Wegen der schon erwähnten Steigerung der Preise der Nahrung es ist nur die Frage der Zeit, wenn die arme Bevölkerung in unentwickelten Gebieten vollkommen aussterben wird als die Konsequenz der immer wachsenden Kosten der wichtigsten Nahrungsmittel. Deswegen müssen wir im Moment mit der erwähnten Aussage übereinstimmen, dass jedes Kind, das in der heutigen Welt wegen des Hungers stirbt, ein getötetes Kind ist. Wie es aussieht, wird die Produktion der Biotreibstoffe zu dem nur beiführen.