Glossar Brennstoffforschung

Biokraftstoff

Als Biokraftstoffe werden flüssige und gasförmige Kraftstoffe bezeichnet, die aus Biomasse hergestellt werden. Sie kommen als Betriebsstoffe für Verbrennungsmotoren in mobilen Anwendungen wie Kraftfahrzeugen und stationären Anwendungen, beispielsweise Blockheizkraftwerken, zum Einsatz. Das Präfix „Bio“ verweist auf die Verwendung von Biomasse zur Herstellung der Kraftstoffe.

Biokraftstoffe der 1. Generation

Dazu zählen beispielsweise 

Pflanzenöl in Reinform, unbehandelt oder raffiniert,Biodiesel: aus Pflanzenöl hergestellter Fettsäuremethylester (FAME)Bioethanol: hergestellt auf Basis von Zucker- und Stärkepflanzen. Hydriertes Pflanzenöl

Für die Produktion dieser Biokraftstoffe werden Anbaupflanzen eingesetzt, aus denen Öl, Zucker oder Stärke gewonnen werden können. Dabei werden nur die Teile der Pflanzen genutzt, die einen relevanten Öl-, Zucker- oder Stärkegehalt haben. Der Großteil der Pflanze wird für andere Zwecke genutzt. 

Biokraftstoffe der 2. Generation:

Dazu zählen beispielsweise

  • Biogas, das auf Erdgasqualität aufbereitet werden kann,
  • Biomass-to-Liquid (BtL): synthetische Kraftstoffe auf Basis von Biomasse, wie zum Beispiel hydriertes Bioöl, Bioethanol, Biomethanol, Biodimethylether, Biooxmethylether

Biokraftstoffe der zweiten Generation zeichnen sich dadurch aus, dass für ihre Herstellung alle Teile einer Pflanze oder auch und Biomassereststoffe verwendet werden. Die Produktionsverfahren sind technischen erheblich aufwändiger als jene zur Herstellung der Biokraftstoffe der ersten Generation. Sie befinden sich noch im Entwicklungsstadium. BtL-Kraftstoffe können auf die spezifischen Anforderungen moderner Motoren zugeschnitten und je nach Design in Otto- oder Dieselmotoren eingesetzt werden.

Biokraftstoffe der 3. Generation:

Zu den Biokraftstoffen der dritten Generation zählen Kraftstoffe aus Algen, die in Aquakulturen gezüchtet und anschließend verarbeitet werden. Ihre Vorteile gegenüber den Biokraftstoffen der zweiten Generation sind, dass sie ein besseres Kraftstoffmenge-pro-Anbaufläche-Potential aufweisen und in geringerem Umfang zu Landnutzungsänderungen führen sollen.

An der Züchtung von Algen und der Herstellung von Algenkraftstoffen wird noch geforscht, auch die Suche nach möglichst ertragreichen Algenarten ist noch nicht abgeschlossen. In Algenkraftstoffe setzt vor allem die Luftfahrt Hoffnungen, weil ihre Eigenschaften denen von Diesel und dem damit verwandten Flugkraftstoff Kerosin nahe kommen.

Biomass-to-Liquid (BtL)

Biomass-to-liquid, die Verflüssigung von Biomasse, bezeichnet eine Prozesskette, die Biomasse  zunächst in Synthesegas und anschließend in flüssige Kohlenwasserstoffe umwandelt. Die so erzeugten biogenen Kohlenwasserstoffe können mit bekannten Prozessen der Erdölraffination zu marktfähigen Kraftstoffen wie Diesel oder Benzin aufgearbeitet werden.

Crude (Blue Crude, Biosyncrude, Biocrude)

In Anlehnung an „crude oil“, den englischen Begriff für Rohöl, geben die Hersteller von synthetischen und biologischen Brenn- und Kraftstoffen ihren Roh-Produkten Namen wie „Blue Crude“, „Biosyncrude“ oder „Biocrude“. Die Wortschöpfungen verweisen darauf, dass der Rohstoff aus nicht fossilen Quellen stammt und es sich dabei noch um ein Rohprodukt handelt, das für den Einsatz als Brenn- oder Kraftstoff weiterverarbeitet werden muss.

Depolymerisation, katalytisch

Die Depolymerisation kann bei der Herstellung von biogenen Brenn- und Kraftstoffen als ein Prozessschritt zur Vorbehandlung von biogenen Rohstoffen eingesetzt werden. Bei der Depolymerisation handelt es sich um eine Sequenz von chemischen Reaktionen in denen ein Polymer (chemische Verbindung, die aus Ketten- oder verzweigten Molekülen (Makromolekül) besteht) in seine Monomere bzw. geeignete Bausteine zerlegt wird. Anschließend können sie wieder zu Makromolekülen zusammengesetzt werden.

Die Depolymerisation kann unter Einwirkung eines Katalysators erfolgen, um chemische Reaktionen zu beschleunigen. Bei Biopolymeren kann die Depolymerisation auch unter dem Einfluss von Enzymen eintreten und ist häufig als Hydrolyse (Reaktion mit Wasser) klassifizierbar.

Elektrolyse

Die Elektrolyse (griech.: „mittels Elektrizität trennen“) ist ein technisches Verfahren zur Aufspaltung einer chemischen Verbindung unter Einwirkung von elektrischem Strom. Sie wird beispielsweise zur Gewinnung von Wasserstoff verwendet, indem Wasser (H2O) in seine Bestandteile Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O2) aufgespalten wird.

Fermentation

Fermentation ist ein Verfahren zur enzymatischen Umwandlung (Vergärung) organischer Stoffe wie Stroh in Säuren, Gase oder Alkohole. Während die Gärung unter Ausschluss von Luft abläuft, ist die Fermentation sowohl mit als auch ohne Sauerstoffzufuhr möglich. In manchen Verfahren zur Herstellung von Biokraftstoffen ist die Fermentation ein wesentlicher Prozessschritt zur Verarbeitung des organischen Materials.

Fettsäuremethylester (FAME)

Fettsäuremethylester (Fatty Acid Methyl Ester, FAME) wird durch die Umesterung pflanzlicher oder tierischer Fette und Öle mit einwertigen Alkoholen wie Methanol oder Ethanol gewonnen. So wird beispielsweise Rapsmethylester aus Rapsöl hergestellt. FAME hat ähnliche Eigenschaften wie Biodiesel und wird daher in Deutschland dem Dieselkraftstoff flächendeckend und Heizöl teilweise als Biokomponente beigemischt.

Fischer-Tropsch-Synthese

Die Fischer-Tropsch-Synthese ist ein großtechnisches Verfahren zur Umwandlung von Synthesegas (CO/H2) in flüssige Kohlenwasserstoffe. Das Synthesegas kann auf Basis von Biomasse, Erdgas, Erdöl oder Kohle erzeugt werden.

Flugstrom-Vergasung

Als Flugstrom-Vergasung wird ein spezielles Verfahren zur Vergasung von Kohle, Erdgas, Erdöl oder Biomasse bezeichnet, bei dem ein Synthesegas entsteht. 

Gas-to-Liquid (GtL)

Im Gas-to-Liquid-Verfahren wird Erdgas durch die Zufuhr von Sauerstoff und Wasserdampf zu Synthesegas und dieses anschließend in einer Fischer-Tropsch-Synthese zu flüssigen Kohlenwasserstoffen umgewandelt. Daraus kann unter anderem ein hochwertiger Kraftstoff für Diesel- und Ottomotoren gewonnen werden.

Hydrierung

Hydrierung ist ein Verfahren zur Addition von Wasserstoff an andere chemische Elemente oder Verbindungen. Mit mehrstufigen Hydrierungsverfahren kann beispielsweise Pyrolyseöl, das nicht ohne weiteres in Ölheizungen einsetzbar ist, zu einem Brennstoff weiterverarbeitet werden, der ähnliche Eigenschaften wie Heizöl aufweist.

Hydrolyse

Unter Hydrolyse versteht man die Aufspaltung einer chemischen Verbindung durch die Anlagerung eines Wassermoleküls (H2O). Mit Hilfe der Hydrolyse können auch viele Biomoleküle (z. B. Proteine, Disaccharide, Polysaccharide oder Fette) im Stoffwechsel in ihre Bausteine (Monomere) zerlegt werden. Bei der Herstellung von biogenen Brenn- und Kraftstoffen kann die Hydrolyse auch als ein Prozessschritt zur Vorbehandlung von biogenen Rohstoffen eingesetzt werden.

Hydrothermale Verflüssigung

Die hydrothermale Verflüssigung (HTL) ist eine thermochemische Biomasse-Spaltungsreaktion, die mit Hilfe von Wasser bei Temperaturen zwischen 280 und 370 °C und Drücken zwischen 10 und 25 MPa (Megapascal) stattfindet. Dabei entsteht Biocrude, ein Bio-Rohöl, analog etwa zu Flash-Pyrolyse-Öl, sowie Nebenprodukte wie zum Beispiel Gas (vor allem CO2).

Kohlenwasserstoffe

Kohlenwasserstoffe sind eine Stoffgruppe chemischer Verbindungen, die nur aus Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H) bestehen. Die Stoffgruppe ist vielfältig. Zu den Kohlenwasserstoffen zählen beispielsweise Erdöl, Kohle und Erdgas. Kohlenwasserstoffe befinden sich aber auch in vielen Pflanzen.

Konversion

Cracken (engl. crack „spalten“), selten auch Kracken, ist ein Verfahren zur Konversion (Stoffumwandlung) in der Erdölverarbeitung, mit dem mittel- und langkettige Kohlenwasserstoffe in kurzkettige Kohlenwasserstoffe gespalten werden. Dies ist notwendig, da für Mineralölprodukte wie Benzin, Diesel oder leichtes Heizöl mehr kurzkettige Kohlenwasserstoffe benötigt werden als im Erdöl enthalten sind. Diese Produkte werden deutlich stärker nachgefragt als langkettige Kohlenwasserstoff-Produkte wie schweres Heizöl.

Lignocellulose

Die Lignocellulose bildet die Zellwand verholzter Pflanzen, wie Getreide, Stroh, Schilfrohr oder Holz, und dient ihnen als Strukturgerüst. Der Begriff wird auch als Oberbegriff für alle diese Stoffe verwendet. Die Nutzung von Lignocellulose als Rohstoff für Biokraftstoffe wird zum Beispiel bei der Produktion von Ethanol angestrebt.

Oxidation, partiale

Die Oxidation ist eine chemische Reaktion, bei der ein Atom, Ion oder Molekül Elektronen abgibt. Als Oxidation im ursprünglichen Sinn bezeichnet man die chemische Reaktion eines Stoffes mit Sauerstoff. Klassische Beispiele für die Oxidation durch Sauerstoff sind alle Arten der Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Stoffen unter Luftsauerstoff, also beispielsweise die Verbrennung von Kohle, Holz, Erdgas, Benzin im Motor, Kerzen usw.

Pfad, Herstellungspfad

Im Zusammenhang mit der Herstellung von alternativen Kraftstoffen wird auch von Herstellungspfaden gesprochen. Unter Berücksichtigung der eingesetzten Rohstoffe und der Prozessschritte innerhalb der technischen Herstellungsverfahren werden im Wesentlichen die Pfade PtL (Power-to-Liquid), BtL (Biomass-to-Liquid) und GtL (Gas-to-Liquid) unterschieden.

Power-to-Liquid (PtL)

Power-to-Liquid bezeichnet Technologien für die Erzeugung flüssiger Brenn- oder Kraftstoffe mithilfe von elektrischer Energie – vorzugsweise aus erneuerbaren Quellen. Wenn das Angebot erneuerbaren Stroms weiter wächst, könnten künftig zum Beispiel auch erneuerbar erzeugter Wasserstoff und CO2 zur Brennstoff-Herstellung genutzt werden.

Pyrolyse, Schnell-Pyrolyse

Die Schnell-Pyrolyse (Flash-Pyrolyse) ist ein Prozess, in dem organisches Material wie Holz oder Stroh unter Ausschluss von Sauerstoff innerhalb von wenigen Sekunden auf etwa 500 °C erhitzt wird. Dabei entsteht so genanntes Pyrolyseöl (Flash-Pyrolyseöl). Die Schnell-Pyrolyse ist auf die Wandlung von Biomasse in Flüssigkeiten optimiert und soll dabei möglichst hohe Ausbeuten erzielen. Neben der Schnell-Pyrolyse gibt es noch das Verfahren der langsamen Pyrolyse, das aber hauptsächlich auf die Herstellung von Holzkohle ausgerichtet ist.

Pyrolyseöl

Bei dem technischen Verfahren der Schnell-Pyrolyse entsteht so genanntes Pyrolyseöl, Pyrolyseflüssigkeit oder Schnell-Pyrolyse-Bio-Öl (fast pyrolysis bio-oil, FPBO). Pyrolyseöl besitzt etwa 70 Prozent des Energiegehalts der Biomasse und hat etwa einen halb so hohen Heizwert wie mineralölstämmiges Heizöl.

Reaktivdestillation

Zahlreiche chemische Produkte werden durch eine chemische Reaktion und eine anschließende Destillation hergestellt. Die Reaktivdestillation kombiniert die beiden Verfahrensschritte miteinander. Vorteile sind zum Beispiel eine höhere Ausbeute, geringerer apparativer Aufwand oder weniger Energieeinsatz. Die Reaktivdestillation findet beispielsweise Anwendung bei Veresterungen und in der Produktion von MTBE (Methyl-tert-butylether), einem Additiv für Ottokraftstoffe.

Synthese

Als Synthese wird in der Chemie ein Vorgang bezeichnet, bei dem aus verschiedenen Elementen eine Verbindung hergestellt wird. Oder aus einfach gebauten Verbindungen ein komplizierter zusammengesetzter neuer Stoff entsteht.

Synthesegas

Synthesegas bezeichnet im weitesten Sinne ein Gasgemisch, das für eine Synthese verwendet wird. Im engeren Sinn versteht man unter Synthesegas industriell hergestellte Gasgemische, die hauptsächlich Kohlenstoffmonoxid (CO) und Wasserstoff (H) sowie wechselnde Mengen weiterer Gase enthalten. Synthesegas kann beispielsweise mit der Fischer-Tropsch-Synthese in flüssige Kohlenwasserstoffe, also benzin- oder dieselähnliche Kraftstoffe, gewandelt werden. 

Solvolyse/ organische Solvolyse

Die Solvolyse ist ein Verfahren, bei dem chemische Verbindungen eines (organischen) Materials durch die Reaktion mit einem Lösungsmittel aufgebrochen werden. Diese Aufschließung kann ein Prozessschritt für die weitere Verarbeitung des Materials zur Herstellung von Biokraftstoffen sein.

Tallöl

Tallöl ist ein Nebenprodukt, das bei der Herstellung von Zellstoff vor allem aus Kiefernholz anfällt. Die schwarz-gelbe Flüssigkeit hat eine ölige Konsistenz und besteht überwiegend aus Fett- und Harzsäuren. Der Energiegehalt von Tallöl ist für die Herstellung von Brenn- und Kraftstoffen durch Hydrierung interessant.

Technologischer Reifegrad (Technology Readiness Level, TRL)

Grundlagenforschung:

  • TRL 1 - Grundprinzipien beobachte
  • TRL 2 - Technologiekonzept formuliert
  • TRL 3 - Experimenteller Nachweis des Konzepts
  • TRL 4 - Technologie im Labor überprüft

Anwendungsforschung:

  • TRL 5 - Technologie in relevanter Umgebung überprüft (bei Schlüsseltechnologien im industrieorientierten Umfeld)
  • TRL 6 - Technologie in relevanter Umgebung getestet (bei Schlüsseltechnologien im industrieorientierten Umfeld)
  • TRL 7 -Test eines System-Prototyps im realen Einsatz
  • TRL 8 - System ist komplett und qualifiziert

Testphase

  • TRL 9 - System funktioniert in operationeller Umgebung (bei Schlüsseltechnologien oder Raumfahrt wettbewerbsfähige Fertigung)

Torrefizierung

Torrefizierung, auch Torrefikation (von lateinisch „torrere“ = rösten, dörren), bezeichnet die thermische Behandlung von Biomasse unter Ausschluss von Sauerstoff, was zu einer pyrolytischen Zersetzung und Trocknung führt. Ziel ist es, ähnlich wie bei einer Verkokung, die massen- und volumenbezogene Energiedichte und damit den Heizwert des Rohmaterials zu erhöhen, die Transportwürdigkeit zu steigern oder den Aufwand bei einem nachfolgenden Zermahlen der Biomasse zu reduzieren

Umesterung

Eine Umesterung ist eine chemische Reaktion, bei der ein Ester in einen anderen übergeführt wird. Bei der Umesterung wird der Alkoholrest eines Esters durch einen anderen Alkoholrest ersetzt. Die Umesterung wird unter anderem als Verfahren zur Herstellung von Fettsäuremethylester (Biodiesel) aus pflanzlichen Fetten oder Ölen eingesetzt.

Veresterung

Eine Veresterung (auch Esterbildung) ist eine chemische Reaktion, bei der aus einer organischen oder anorganischen Oxosäure und einem Alkohol ein sogenannter Ester gebildet wird.

Wasserdampfvergasung

Als Wasserdampfvergasung wird eine Biomassevergasung bezeichnet, bei der Wasserdampf als Vergasungsmittel eingesetzt wird, um Biomasse durch Verschwelung in ein Produkt- oder Brenngas zu wandeln. Da dabei vor allem Holz als Biomasse zum Einsatz kommt, spricht man in der Regel auch von Holzvergasung. Das entstehende Produktgas kann als Synthesegas für die Herstellung von Kraftstoffen für Benzin- und Dieselmotoren genutzt werden.

Waste-to-Liquid (WtL)

Waste-to-Liquid bezeichnet Technologien, die Abfälle aus Haushalten, Industrie, etc. zur Erzeugung flüssiger Brenn- oder Kraftstoffe nutzen.

X-to-Liquid (XtL)

Durch die Umwandlung eines festen oder gasförmigen Energieträgers entstehen kohlenstoffhaltige Kraftstoffe, die bei normaler Temperatur und normalem Druck flüssig sind. Sie werden als synthetische Kraftstoffe oder XtL-Kraftstoffe bezeichnet. XtL-Kraftstoffe können auf die jeweiligen Anforderungen unterschiedlicher moderner Motoren zugeschnitten werden und je nach „Design“ Otto- oder Dieselkraftstoff ersetzen.

Das „X“ steht als Variable und wird durch das Kürzel des ursprünglichen Energieträgers ersetzt – etwa „B“ für Biomass (Biomasse), „P“ für Power (Strom), „G“ für Gas oder „W“ für Waste (Müll). Das „tL“ steht für das englische „to Liquid“.

Unabhängig von den verwendeten Rohstoffen setzt sich der XtL-Prozess immer aus vier Phasen zusammen:

  • Vergasung: Der ursprüngliche Energieträger wird zu einem verwertbaren Synthesegas umgewandelt.
  • Gasreinigung und Gaskonditionierung: Aufbereitung des Synthesegases für die nachfolgende Synthese.
  • Kohlenwasserstoffsynthese: Weiterverarbeitung des aufbereiteten Synthesegases in einer Fischer-Tropsch-Synthese zu komplexeren Kohlenwasserstoffen, die als Kraftstoffrohprodukte dienen. Dabei entstehen Paraffine, Oleofine und Sauerstoffverbindungen.
  • Aufbereitung: Die Kohlenwasserstoffe werden zum fertigen Kraftstoff aufbereitet, wobei sie als synthetische Kraftstoffe den späteren Ansprüchen angepasst werden können.