Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 23.11.15


Nachwachsende Rohstoffe

Vortrag von Sebastian Arand im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - OC", SS 14    unter Verwendung der Publikationen von Philipp Ziegenfuß und Christina Seitz jeweils im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - OC", SS 08


Gliederung:


Einstieg 1: Die Liste der dem Menschen bekannten Pflanzenarten ist lang, die durch ihn genutzten auch. Betrachtet man allerdings jene Arten, die die großflächig angebaut werden, ändert sich dies. Von landwirtschaftlichem Nutzen dagegen scheinen nur einige wenige wie z.B. Weizen, Soja oder Kartoffeln zu sein. Es kommt also folglich zum Anbau von Monokulturen mit entsprechenden Konsequenzen. Darin unterscheiden sich auch Nachwachsende Rohstoffen nicht, jedoch können sie trotzdem helfen das Weltklima zu schützen und zu verbessern. Wie, soll nachfolgend am Beispiel von Kraftstoffen, Tensiden und Klebstoffen kurz erläutert werden.

Nachwachsende Rohstoffe sind Stoffe, die aus lebender Materie stammen und von Menschen zielgerichtet für Zwecke außerhalb des Nahrungs- und Futterbereiches verwendet werden.

Sie werden also stofflich oder energetisch genutzt. Die Gesamtanbaufläche für Nachwachsende Rohstoffe in Deutschland beträgt ca. 17 Mio. Hektar (ha) und teilt sich folgendermaßen auf:

Pflanze (genutzter Bestandteil) Fläche in ha Fläche in %
(Gesamtanbaufläche BRD) 17.000.000 100,00
Raps 1.100.000 6,47
Mais, … (Energie) 295.000 1,74
Kartoffeln (Stärke) 128.000 0,75
Zuckerrübe 18.000 0,01
Heilpflanzen 10.000 0,01
Sonnenblumen 5.000 < 0,01
Lein (Öl) 3.000 < 0,01
Hanf (Fasern) 2.000 < 0,01
gesamt   ca. 10

Einstieg 2: Bei der Frage, wie man Erdöl bzw. fossile Brennstoffe durch Biokraftstoffe ersetzen kann, kommt es zum Konflikt zwischen Klimaschutz und Flächenkonkurrenz zwischen Energiepflanzenanbau und Nahrungsmittelproduktion. Steigende Erdölpreise, sinkende Funde und Förderung schufen Ende des 20. Jahrhunderts das Verlangen nach Rohstoffalternativen.

Abb. 1: Erdölfunde und Förderung [27]


1 Kraftstoffe

„Die langfristig massiv steigenden Energiepreise für Benzin, Diesel, Gas, Heizöl und Elektrizität sind die Zeichen der beginnenden weltweiten Energiekrise.“ Belege dafür sind u.a. „The Limits To Growth“ (Club of Rome) oder die statistischen Reichweiten von Erdöl (41 a), Erdgas (67 a), Kohle (192 a) und Uran  (50 a ohne Brutreaktoren) [4].

Solche existentiellen und finanziellen Bedrohungen, wie eine zu erwartende Energiekrise, motivieren den Menschen erfahrungsgemäß in besonderer Weise zur Handlung. So gibt es in diesem Bereich ständig neue Innovationen, wie z.B. Ethanol aus Zellulose oder Algen.

Die Hauptproduktionsländer sind dabei:

Position Land Energiepflanze Ertrag in Liter
1 USA Mais (Zea mays) 18,4 Mrd.
2 Brasilien Zuckerrohr (Saccharum officinarum) 15,0 Mrd.
Deutschland Raps (Brassica napus) 1,8 Mrd.

 

1.1 Bio-Ethanol

Die Gewinnung von Ethanol aus Zuckerrohr findet vorrangig in Brasilien Anwendung. Die Produktions- kosten liegen hier bei etwa 0,17 € pro Liter, was unter anderem durch staatliche Subventionen Förderung und billige Arbeitskräfte ermöglicht wird. So verdient ein Arbeiter, der etwa zehn Tonnen Zuckerrohr pro Tag erntet, etwa 180 € pro Woche. Reines Ethanol verfügt über 113 Oktan (Benzin: 91) und einen Energiegehalt im Vergleich zu Benzin von ca. 67 %.


Abb. 2: Vergärung im Überblick [15]

1.2 Bio-Diesel

Der in Deutschland hergestellte Bio-Kraftstoff stammt fast vollständig aus den ölhaltigen Samen des Raps. Die Produktionskosten liegen bei 0,88 € und der Energiegehalt im Vergleich zu herkömmlichen Diesel bei 91 %, was zu geringem Mehrverbrauch führt. Prinzipiell kann jedoch jedes Pflanzenöl oder Tierfett als Ausgangsstoff verwendet werden. Wirtschaftlich relevant sind neben Raps- noch Soja- und Palmöl. Vor allem letzteres steht in direkter Konkurrenz zur Agrarproduktion und führt u.a. zu Brandrodungen im tropischen Regenwald.

Die Hauptreaktion ist die Umesterung des Pflanzenöls mit Methanol. Es entsteht der so genannte Biodiesel - ein Gemisch verschiedener Fettsäuremethylester (Abk.: FAME - "fatty acid methyl ester").


Abb. 3: Hauptreaktion der Biodiesel-Herstellung. [10]

Die Umesterung kann sowohl alkalisch als auch sauer katalysiert werden. Im Folgenden ist der Mechanismus für die basische Variante zu sehen. Zunächst wird der Alkohol deprotoniert. Dann greift das Methanolat-Anion das positiv polarisierte Carbonyl-Kohlenstoffatom des Esters an:


Abb. 4: Mechanismus der basisch katalysierten Umesterung [7]

Nach der eigentlichen Reaktion erfolgen weitere, eher technische Schritte zur Aufreinigung (u.a. Entfernen von Glycerin, Methanol und NaOH durch Waschung und Filterprozesse).

Die Viskosität, Brennbarkeit und das Kälteverhalten von Biodiesel sind denen von herkömmlichem Dieselkraftstoff nun sehr ähnlich, sodass die Verwendung im Automotor prinzipiell ohne Umrüstung möglich ist. Jedoch sind Fettsäuremethylester chemisch leicht aggressiv und greifen Dichtungen und Schläuche aus bestimmten Kunststoffen an, sodass die Verwendung nicht für jedes Automodell geeignet ist.

Biodiesel ist seit 2013 nicht mehr als 100%-Mischung an deutschen Tankstellen im Verkauf, jedoch als 7%-Beimischung (sog. Blends) im normalen Dieselkraftstoff enthalten - Tendenz steigend. Jedoch ist schon diese geringe Beimischung nicht allein aus deutschem Anbau erwirtschaftbar, sodass bereits aus anderen Ländern importiert werden muss.

1.3 Biogas

Biogas kann aus Klärschlamm, Gülle, Essensresten oder nicht verbrauchten Pflanzenteilen bestehen. Die Zusammensetzung des Gases ähnelt sehr dem Faulgas. Es besteht zum größten Teil aus Methan. Weitere Bestandteile sind Kohlenstoffdioxid, Wasser, Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Ammoniak und Schwefelwasserstoff. Der gesamte Prozess wird mit Hilfe von Mikroorganismen geleitet und gliedert sich in 4 Schritte:

  1. Hydrolyse: Mittels hydrolytischer Reaktionen findet die Aufspaltung von Biopolymeren statt. Sie werden in ihre Grundbausteine zerlegt

  2. Fermentation: Die einzelnen Grundbausteine können mit Hilfe von Bakterien-, Pilz- und Zellkulturen oder durch den Zusatz künstlicher Enzyme zu CO2, H2, Fettsäuren und Carbonsäuren umgesetzt werden

  3. Acetogenese: Die gebildeten Carbonsäuren werden durch acetogene Mikroorganismen zur Essigsäure umgesetzt.

  4. Metanogenese: Es gibt zwei Möglichkeiten Methan zu gewinnen. Die Produkte der Acetogenese können entweder durch Methanbildner (methanbildende Lebewesen) oder durch Oxidation von Wasserstoff.

Anschließend muss noch eine Reinigung des Produkts erfolgen. 3,56 Liter Biogas entsprechen ca. 1,4 Liter Benzin.


Abb. 5: Mechanismus der Biogasherstellung [12]

1.4 Vor- und Nachteile

Vorteile Nachteile
Teils geringere CO2-Emission Konkurrenz zur Nahrungsmittelindustrie
Nachwachsend geringer Mehrverbrauch
Regionale Wertschöpfung Biodiesel chemisch leicht aggressiv
Weniger Abhängigkeit von pol. Krisen Brandrohdung im Regenwald

2 Tenside und Klebstoffe

Tenside sind Substanzen, welche die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit bzw. die Grenzflächenspannung herabsetzen. Dies geschieht im Falle eines Waschvorgangs zwischen Wasser und z.B. einem Fettfleck, sodass dieser aus der Kleidung entfernt werden kann. Waschaktive Substanzen werden dabei auch als Detergentien bezeichnet und bestehen aus einer lipophilen Kette und einem hydrophilen Köpfchen (Abb. 3). Im Falle der Kette kommen Reste (R) von C11 bis C15 in Frage, welche aus Fossilen oder Nachwachsenden Rohstoffen (v.a. Palmöl) gewonnen werden können.


Abb. 6: Kalottenmodell eines Seifenmoleküls (Graue Kugel z.B. Na-Kation)

Die Gewinnung von Seife geschieht dabei durch Verseifung (Hydrolyse) von Fetten im Alkalischen wie in 2.1 dargestellt.

2.1 Die Verseifungsreaktion

1. Nukleophiler Angriff des Hydroxid-Ions 


Abb. 7: Verseifung 1

2. Abspaltung des Alkoholat-Ions und Bildung der Carbonsäure


Abb. 8: Verseifung 2

3. Protonenübergang vom Carbonsäuremolekül auf das Alkoholat-Ion (irreversibel)


Abb. 9: Verseifung 3

2.2 Tenside

Bei vielen Waschmitteln liegt das Hauptanliegen bei der Verringerung der Dosiermengen z.B. bei "Persil" auf ca. 2/3 der Ausgangsmengen. Verwendet werden hier zusätzlich noch nachhaltige Ausgangsstoffe wie z.B. Palmkernöl- und Fette zu 35 % i. Tr.. Dieser Trend setzt sich auch bei Haarpflegeprodukten fort. So sind beispielsweise die Ausgangsstoffe von "Schauma" bereits rein pflanzlich. Das Shampoo verdient sogar das „Bio“-Logo, da besonders bodenschonende Methoden angewandt werden und weder Pflanzenschutzmittel noch Wachstumsförderer eingesetzt werden.

2.3 Klebstoffe und Stylingprodukte

Auch in diesem Bereich finden Nachwachsende Rohstoffe immer mehr Verwendung. So besteht der Klebestift eines namhaften deutschen Herstellers seit 2000 zu 90% aus regenerativen Ressourcen. Zurückgegriffen wird dabei hauptsächlich auf Stärke, Cellulose und Proteine. Bei Stylingprodukten wie z.B. „OSiS+“ werden mineralölbasierte Verdickersysteme (Polyacrylate) auf stärke- und cellulosebasierte Rezepturen umgestellt. Der Anteil Nachwachsender Rohstoffen beträgt hier 33 %.


Zusammenfassung. Die Anbaufläche in Deutschland beträgt rund 17 Mrd. Hektar. Zehn Prozent davon werden mit Nachwachsenden Rohstoffen bewirtschaftet. Im Falle der BRD handelt es sich vornehmlich um Raps, welcher etwa 6,47 % der Gesamtanbaufläche einnimmt und wie alle anderen, wenigen Nutzpflanzen, in Monokulturen angebaut wird. Darin unterscheidet der Kreuzblütler sich nicht von Mais, Weizen und Kartoffeln mit denen er in Konkurrenz zur begrenzten Anbaufläche steht. So kommt es, dass immer mehr Flächen aus der Stilllegung genommen werden, was sich negativ auf die Artenvielfalt auswirkt. Die Folgen in anderen Ländern sind diesbezüglich ähnlich. In Brasilien fällt beispielsweise Regenwald dem Zuckerrohr- und Palmölanbau zum Opfer und das, obwohl der Weltbedarf an Kraftstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen niemals gedeckt werden kann. Der Anbau von Ölpflanzen für Energiezwecke verlängert also das Zeitfenster, bis Erdöl zur Neige geht, jedoch ist eine grundlegende Substitution von Heizöl und Diesel durch Biokraftstoffe nicht möglich.

Fest steht hingegen, dass es mittlerweile möglich ist, Tenside und Klebstoffe auch ohne Erdöl herzustellen um den Bedarf auch in Zukunft decken zu können.

So stellt sich für die Zukunft wohl nicht nur die Frage nach den möglichen Mengen an regenerativen Rohstoffen sondern wohl immer mehr auch danach, ob es ökologisch sinnvoll ist diese zu nutzen.


Quellen

  1. National Geographic, 10/07, S. 96ff
  2. Friedrich Fischer/ Achim Lack, Biokraftstoffe, 1. Auflage, Vogel Buchverlag 2007
  3. PdN-Ch. 6/45. Jg. 1996
  4. bund-rvso.de/energievorraete-energiereserven (26.11.2015)
  5. wikipedia.org/wiki/Rapsmethylester (26.11.2015)
  6. messerschmid-energiesysteme.de/nachwachsende-brennstoffe (26.11.2015)
  7. de.wikipedia.org/wiki/Umesterung (26.11.2015)
  8. de.wikipedia.org/wiki/Biodiesel (26.11.2015)
  9. de.wikipedia.org/wiki/Fettsäuremethylester (26.11.2015)
  10. marlene-walter.de/chemie/klasse12/rapsoel/v3_biodiesel (26.11.2015)
  11. chemistryland.com/Biodiesel/SmallScale/
    SmallScaleProductionBiodiesel (26.11.2015)
  12. de.wikipedia.org/wiki/Biogas (26.11.2015)
  13. de.wikipedia.org/wiki/Biokraftstoff (26.11.2015)
  14. bio-kraftstoffe.info (26.11.2015)
  15. de.wikipedia.org/wiki/Bioethanol (26.11.2015)
  16. de.wikipedia.org/wiki/Cellulose-Ethanol (26.11.2015)
  17. de.wikipedia.org/wiki/BtL-Kraftstoff (26.11.2015)
  18. tfz.bayern.de/biokraftstoffe (26.11.2015)
  19. ufop.de (26.11.2015)
  20. carmen-ev.de (26.11.2015)
  21. de.wikipedia.org/wiki/Fermentation (26.11.2015)
  22. de.wikipedia.org/wiki/Hydrolyse (26.11.2015)
  23. de.wikipedia.org/wiki/Acetogenese (26.11.2015)
  24. de.wikipedia.org/wiki/Methanbildung (26.11.2015)
  25. umweltlexikon.de/bioenergie (26.11.2015)
  26. http://www.umweltbundesamt.de (26.11.2015)
  27. de.wikipedia.org/wiki/Erdöl (26.11.2015)

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