Was ist Bioethanol-Kraftstoff und was sind seine Vorteile?
Was ist Bioethanol-Kraftstoff und was sind seine Vorteile?
Vielleicht haben Sie in den letzten Jahren Nachrichtenberichte über Autos gesehen, die mit Alkohol statt mit Benzin fahren. Die Idee, Ethanol als Kraftstoff für Fahrzeuge zu verwenden, gibt es schon seit einiger Zeit, aber erst seit kurzem wird das Konzept ernsthaft erforscht. Durch den Ersatz von Benzinkraftstoff durch Alkohol könnten wir den schädlichen Abgasen ein Ende setzen, die jedes Auto bei der Verwendung von Benzin als Kraftstoff produziert.
Bioethanol ist ein spannender alternativer Kraftstoff, der bei Forschern, Verbrauchern und Automobilherstellern auf zunehmendes Interesse stößt. Aber was ist Bioethanol, und warum gilt es als so vielversprechend?
Was ist Bioethanol-Kraftstoff?
Ethanol ist seit langem eine der vielseitigsten und wichtigsten Substanzen, die uns zur Verfügung stehen. Die meisten Menschen kennen Ethanol als den in alkoholischen Getränken enthaltenen Alkohol. Für Chemiker ist Ethanol jedoch viel mehr als eine psychoaktive Droge; es ist ein Lösungsmittel mit einer endlosen Reihe von industriellen und chemischen Anwendungen. In den letzten Jahren hat sich Ethanol auch als potenzieller erneuerbarer Kraftstoff für Autos und als praktikable Alternative zu erdölbasiertem Benzin erwiesen.
Bioethanol bezieht sich einfach auf Ethanol, das aus Biomasse hergestellt wird. Wenn Sie sich fragen, woraus Bioethanol-Kraftstoff besteht, finden Sie hier die Antwort. Biomasse ist ein weit gefasster Begriff, der jedes Material umfasst, das von lebenden oder kürzlich verstorbenen Organismen stammt. Holz ist das häufigste Beispiel für Biomasse. Durch die Verbrennung von Holz können wir die darin enthaltene Energie direkt freisetzen und als Brennstoff nutzen. Andere gängige Kategorien von Biomasse sind landwirtschaftliche Rückstände und Dung, Lebensmittel- und Industrieabfälle sowie Energiepflanzen.
Wie wird Bioethanol-Kraftstoff hergestellt?
Aus Biomasse, in der Regel in Form von Energiepflanzen, kann Bioethanol durch einen Prozess namens Gärung hergestellt werden, den gleichen Prozess, bei dem Schwefelsäure zur Herstellung von alkoholischen Getränken verwendet wird. Mais, Zuckerrohr, Algen und eine ganze Reihe anderer weit verbreiteter Pflanzen können zur Herstellung von Bioethanol durch Fermentation verwendet werden. Während des Gärungsprozesses verzehren bestimmte Hefearten den Zucker in der Biomasse. Bei deren Verdauung entstehen Ethanol und Kohlendioxid (CO2) als Nebenprodukte.
Biomasse enthält in der Regel eine Reihe komplexer Kohlenhydratpolymere namens Zellulose, die in den Zellwänden von Pflanzen vorkommt. Um genügend Zucker für die Fermentation zu produzieren, muss die Biomasse mit speziellen Säuren oder Enzymen behandelt werden. Diese brechen einige der widerstandsfähigeren Pflanzenzellen auf und legen ihre innere Struktur durch einen weiteren Prozess, die Hydrolyse, frei. Bei der Hydrolyse von Zellulose entsteht Saccharosezucker, der anschließend zur Herstellung von Ethanol vergoren werden kann. Es gibt drei Hauptmethoden, um Zucker aus einer Biomasseprobe zu extrahieren: enzymatische Hydrolyse, verdünnte saure Hydrolyse und konzentrierte saure Hydrolyse.
Enzymatische Hydrolyse: Der Biomasseprobe werden spezielle Enzyme zugesetzt. Diese Enzyme spalten die Pflanzenzellen auf und hydrolysieren die Zellulose, um Saccharose zu erzeugen. Diese Methode ist eine neue Innovation und derzeit sehr teuer. Es wird jedoch erwartet, dass das Verfahren mit der Zeit immer wirtschaftlicher wird.
Hydrolyse mit verdünnter Säure: Diese Methode ist die älteste und einfachste. Außerdem ist dies derzeit die effizienteste Art der Nutzung von Biomasse für die Ethanolproduktion, obwohl sich dies in Zukunft ändern könnte. Das Verfahren besteht aus zwei Stufen, in denen der Biomasse jeweils Schwefelsäure zugesetzt wird, die auf weniger als 1 % verdünnt und auf 190 bis 215 Grad Celsius erhitzt wird. Die schwache Säure und die große Hitze hydrolysieren die Zellulose. Die entstehende Flüssigkeit kann dann zurückgewonnen und verarbeitet werden.
Konzentrierte Säurehydrolyse: Bei der konzentrierten Säurehydrolyse wird eine viel stärkere (70-77 %) Schwefelsäurekonzentration verwendet, die der getrockneten Biomasse zugesetzt und auf eine Temperatur von 50 Celsius gebracht wird. Das Gemisch wird dann mit Wasser verdünnt, bis die Konzentration zwischen 20 und 30 % Grad Celsius liegt, bevor es eine Stunde lang auf 100 Grad Celsius erhitzt wird. Das Ergebnis dieses Prozesses ist ein Gel, das gepresst werden kann, um eine Mischung aus Zucker und Säure freizusetzen. Das Gemisch wird über eine Chromatographiesäule getrennt.
Was sind die Vorteile von Bioethanol-Kraftstoff?
Bioethanol bietet zahlreiche Vorteile gegenüber älteren Kraftstoffarten. Einer der Hauptgründe dafür ist jedoch, dass jede Pflanze, die Zucker und Stärke enthält, zur Herstellung von Zucker verwendet werden kann. Mit dem Fortschreiten der Forschung und der Verfeinerung der Verfahren zur Extraktion und Fermentierung des Zuckers können wir mit höheren Erträgen rechnen. Eine Handvoll Pflanzen gilt derzeit als weit überlegen für die Bioethanolproduktion, aber das könnte sich mit der Zeit ändern.
Die Herstellung von Bioethanol-Kraftstoff ist wesentlich umweltfreundlicher als die anderer herkömmlicher Kraftstoffe, und es werden weitere Anstrengungen unternommen, um den Kohlenstoff-Fußabdruck weiter zu verringern. Im Prinzip sollte die Bioethanolproduktion kohlenstoffneutral sein, denn es wird nur das CO2 in die Atmosphäre abgegeben, das die Pflanze durch die Photosynthese aufgenommen hat.
Die Herstellung von Bioethanol ist nicht nur umweltfreundlicher als andere Arten der Kraftstoffherstellung, sondern erzeugt bei der Verwendung des Kraftstoffs auch viel sauberere Abgase. Ethanol verbrennt vollständig; es entstehen keine schädlichen Nebenprodukte wie bei anderen Kraftstoffarten. Wenn Bioethanol als Kraftstoff für Verbrennungsmotoren in Autos verwendet wird, sind die Abgase oft sauberer als die Umgebungsluft, insbesondere in städtischen Gebieten.
Da Ethanol biologisch abbaubar ist, sind auslaufende Kraftstoffe keine potenziellen Umweltkatastrophen, wie dies bei Erdöl der Fall ist. Wenn Ethanol in Wasser gelangt, verdünnt es sich auf eine niedrige, ungiftige Konzentration.
Wozu wird Bioethanol-Kraftstoff verwendet?
Bioethanol-Kraftstoff wird in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt, und es ist zu erwarten, dass mit der Zeit und der Verbesserung der Produktionsmethoden weitere Anwendungen hinzukommen werden. Wenn Sie jedes Jahr fragen, wofür Bioethanol-Kraftstoff verwendet wird, werden Sie feststellen, dass die Liste immer länger wird. Die beiden wichtigsten Verwendungszwecke von Bioethanol-Kraftstoff sind die Verwendung als Zusatz oder Alternative zu Petroleum und als Brennstoff für spezielle Feuerstellen.
Durch die Zugabe von Ethanol zu Benzin wird die Oktanzahl erhöht, wodurch das Benzin widerstandsfähiger gegen Detonation wird. Dies hat zur Folge, dass ein größerer Teil des Kraftstoffs verbrennt, anstatt zu explodieren. Die Erhöhung der Oktanzahl eines Kraftstoffs ist in der Regel ein sehr teurer Prozess; die Zugabe von Ethanol zu minderwertigem Kraftstoff verbessert dessen Leistung, ohne die Kosten wesentlich zu erhöhen. Viele Autohersteller unterstützen inzwischen auch E85, einen Kraftstoff, der zu 85 % aus Ethanol und zu 15 % aus Erdölprodukten besteht.
Auch Bioethanol-Kamine werden immer häufiger eingesetzt und könnten irgendwann herkömmliche Kamine vollständig ersetzen. Da Bioethanol so sauber verbrennt und keine giftigen Verbrennungsprodukte erzeugt, benötigen Bioethanol-Kamine keinen Schornstein zur Ableitung des Rauchs; es gibt keinen Rauch, um den man sich sorgen müsste. Da Bioethanol-Kamine keine zusätzliche Infrastruktur benötigen, können sie freistehend in Situationen verwendet werden, in denen ein herkömmlicher Kamin unmöglich wäre. Wenn Sie sich fragen, wie lange Bioethanol-Brennstoff bei kontinuierlicher Verbrennung in einem Kamin hält, lautet die Antwort 4 bis 8 Stunden. Bei Bioethanol-Kaminöfen kann der Benutzer in der Regel die Verbrennungsgeschwindigkeit des Brennstoffs über verschiedene Heizstufen steuern. Je mehr er produziert, desto schneller verbraucht er Kraftstoff.
Was bedeutet Bioethanol für die Zukunft der Kraftstoffherstellung?
Bioethanol ist nicht der einzige Biokraftstoff, den es gibt. Sie ist jedoch derzeit die bekannteste, und ihre ersten Erfolge waren eine wichtige Triebfeder für die Erforschung anderer verwandter Technologien. Zwei weitere prominente Beispiele für ähnliche Konzepte sind Biodiesel und Wasserstoffkraftstoff. Indem wir untersuchen, wie Biodiesel, Bioethanol und Wasserstoffkraftstoff hergestellt werden, können wir beginnen zu verstehen, wie die Zukunft der sauberen Energietechnologien aussehen wird.
Biodiesel ist ein weiterer vielversprechender alternativer Kraftstoff, der aus Ölen und Fetten hergestellt werden kann. Altspeiseöl, Pflanzenöl und tierische Fette können alle in Biodiesel umgewandelt werden. Wie Bioethanol stößt auch Biodiesel auf Interesse als mögliche Alternative oder Ergänzung zu Benzin. Ein großer Vorteil von Biodiesel ist, dass er aus der Wiederverwertung einer breiten Palette von leicht verfügbaren Produkten hergestellt werden kann. Es kann auch in bestehenden Dieselmotoren verwendet werden, ohne dass Änderungen erforderlich sind.
Wasserstoff ist eine weitere alternative Kraftstoffquelle, die wesentlich umweltfreundlicher ist als Benzin. Obwohl Wasserstoff das häufigste Element im Universum ist, ist es auch das leichteste. Infolgedessen ist freier Wasserstoff auf der Erde selten, da er im Weltraum verweilt. Der meiste industriell erzeugte Wasserstoff wird durch Dampfreformierung hergestellt, wofür fossile Brennstoffe benötigt werden. Es wird jedoch an der Herstellung von Wasserstoff aus Biomasse und der Elektrolyse von Wasser geforscht. Wenn diese Bemühungen zu einer sauberen, effizienten Wasserstoffproduktion führen, könnte dies eine entscheidende Kraftstoffquelle sein.
Da sich die Auswirkungen des vom Menschen verursachten Klimawandels allmählich überall auf der Erde bemerkbar machen, war die Erforschung alternativer Energien noch nie so wichtig wie heute. Keine einzelne Technologie kann uns in die Lage versetzen, die Auswirkungen des Klimawandels abzuschwächen, aber durch die Umstellung auf kohlenstoffneutrale Technologien, wo immer dies möglich ist, können wir beginnen, unsere Auswirkungen auf die Umwelt zu verringern.
Biokraftstoffe wie Bioethanol geben uns einen Eindruck davon, wie eine saubere Energiezukunft aussehen könnte. Biomasse ist auf unserem Planeten reichlich vorhanden, und wir können sie zur Deckung unseres Energiebedarfs nutzen, ohne die mit der Verbrennung fossiler Brennstoffe verbundenen Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. In den kommenden Jahrzehnten werden Bioethanol und andere Biokraftstoffe sicherlich eine wichtige Rolle dabei spielen, unseren Kohlenstoff-Fußabdruck als Zivilisation zu verringern.