Verflüssigung und Vergasung

In letzter Zeit laufen zahlreiche Versuche, aus stärkehaltigen Pflanzen wie Energiegetreide sowie aus Zuckerrüben flüssige und gasförmige Treibstoffe zu erzeugen.

Durch das Pressen ölhaltiger Pflanzen wie Raps ist die Erzeugung flüssiger Treibstoffe ebenfalls möglich. In der Regel werden technisch anspruchsvolle biologische und chemische Verfahrensschritte benötigt, um Kraftstoffe aus Biomasse bereitzustellen, die mit geringem Anpassungsaufwand in konventionellen Verbrennungsmotoren genutzt werden können.

Erfolgt die Bereitstellung von flüssigen Brennstoffen aus der Verarbeitung von kohlehydrat- und zellulosehaltigen Pflanzen, spricht man von Biosprit. Werden ölhaltige Pflanzen verarbeitet, spricht man von Biodiesel. Andere Verfahren ermöglichen die Herstellung von Holzkohle, Pyrolyseöl, brennbaren Gasen und Alkohol aus Biomasse.

Biosprit (zucker-, stärke und zellulosehaltige Pflanzen)

Biosprit oder Bioalkohol, genauer Bioethanol, wird durch Vergärung von Pflanzensubstraten mithilfe von Hefe, Bakterien oder Pilzen gewonnen. In unseren Breiten bieten sich Zuckerrüben, Hirse, Getreide und Kartoffeln dafür an.

Im Anschluss an den Vergärungsprozess werden durch Destillation Wasser und hochwertiger Bioalkohol getrennt. Zusätzlich kann das bei der Vergärung entstehende Biogas energetisch genutzt werden. In großem Maßstab wird Biosprit insbesondere im zuckerrohrreichen Brasilien als Treibstoff eingesetzt. 1998 liefen dort 5 Millionen Autos mit Ethanol. Aus einem Zuckerrohrfeld von einem Hektar lassen sich 7600 Liter Ethanol erzeugen. In Europa sind allerdings Kostenüberlegungen bei der Herstellung sowie ökologische Gesichtspunkte Hemmnisse für eine breite Nutzung. Pro Liter Ethanol fallen 13 Liter Schlempe, ein außerordentlich stark belastetes Abwasser, an.

Die Erzeugung von Ethanol aus Stroh basiert auf einem österreichischen Verfahren. Stroh wird zur Vorbehandlung enzymatisch hydrolysiert. Die dabei entstehenden Zucker werden im anschließenden Fermentationsprozess zu Ethanol umgewandelt.

Die Konkurrenzfähigkeit der Anlage ist bei den niedrigen Energiepreisen nur bei kostenlosem Strohbezug möglich.

Biodiesel (ölhaltige Pflanzen)

Pflanzenöle, die aus Sonnenblumen und Raps gewonnen werden, lassen sich nach Umesterung zu Methylester ebenfalls als Treibstoff einsetzen. Das Endprodukt wird wegen seiner Ähnlichkeit mit Diesel als Biodiesel bezeichnet.

Die Ölsaat wird nach einer mechanischen und thermischen Aufbereitung gepresst. Das entstehende Pressöl wird unter Druck filtriert. Es entsteht das Rohöl. Durch chemische Extraktion des Kuchens kann das Öl-Hexan-Gemisch, das so genannte Miscella, vom Extraktionsschrot getrennt werden. Anschließend wird das Rohöl aus dem Miscella abdestilliert. Bei der großtechnischen Ölgewinnung sind weitere Verfahrensschritte, z. B. um eine längere Haltbarkeit zu garantieren, notwendig.

Zur Nutzung des so gewonnenen Rohöls in konventionellen Dieselmotoren ist ein chemischer Verfahrensschritt, die so genannte "Umesterung", nötig. Der nach der Umesterung entstehende Pflanzenölester, z. B. Rapsmethylester (RME), ist hinsichtlich einiger Kraftstoffeigenschaften (Viskosität, Zündwilligkeit) dem Dieselkraftstoff sehr ähnlich. Er eignet sich daher auch für konventionelle Dieselmotoren. Der Extraktionsschrot ist ein wertvolles Futtermittel. Er kann aber auch thermisch verwertet werden.

Zur Erzeugung von 1 kg Biodiesel werden 3 kg Raps benötigt. Als Nebenprodukt fällt 1,9 kg Rapskuchenschrot und 0,1 kg Glycerin an. Die genauen Produktionsmengen hängen vom Anlagentyp und vom Produktionsverfahren ab.

Pro Hektar Anbaufläche lassen sich rund 1000 l Biodiesel gewinnen. Die Energie- und Umweltbilanz von Biodiesel ist allerdings umstritten. Außerdem stehen höhere Produktionskosten einem breiteren Einsatz entgegen.

Das bei der Verbrennung von Rapsmethylester freigesetzte Kohlendioxid ist nicht fossilen Ursprungs, sondern von der Rapspflanze zuvor photosynthetisch aus der Atmosphäre fixiert worden, und muss daher bilanzmäßig nicht erfasst werden. Die Emission von fossilem Kohlendioxid liegt dadurch bei 0,68 kg pro Liter und ist somit fünffach geringer als beim Einsatz der etwa gleichen Menge an Dieselkraftstoff.

Biodiesel wird durch mikrobiologische Aktivitäten im Boden schneller zersetzt als fossiler Diesel. Obwohl fossiler (herkömmlicher) Diesel als nicht sehr giftig eingestuft wird, ist seine biologische Abbaubarkeit schlechter als die von Biodiesel, d. h., die verbleibenden (und giftigeren) Substanzen bleiben im Boden länger bestehen.

Nach 21 Tagen wird Biodiesel zu über 95 % und fossiler Diesel zu ca. 72 % mikrobiologisch im Boden zersetzt. Biodiesel eignet sich daher besonders gut zum Antrieb von Motoren, die unmittelbar im Grünland eingesetzt werden.

Verflüssigung und Vergasung von Festbrennstoffen

Bei der chemischen Reduktion wird Zellulose in Wasser gelöst. In diese Lösung wird das Rohgas aus einer Vergasung eingeleitet. Es entsteht ein Öl, das motorisch nicht nutzbar ist. Eine breitere Nutzung wird daher angezweifelt.
Als Pyrolyse (Verkohlung) wird die thermische Spaltung von Biomasse unter Luftabschluss verstanden. Als Hauptprodukt entsteht Holzkohle. Je nach Prozessführung wird neben Holzkohle Pyrolyseöl oder ein brennbares Gas erzeugt.
Bei der Methanolsynthese entsteht aus dem Produktgas der Vergasung ein Alkohol, das Methanol. Aus 3,3 t Holz mit 30 % Wassergehalt kann 1 t reines Methanol (99,5 % Reinheit) hergestellt werden.
Bei der Flash Pyrolyse (schnelle Pyrolyse bei einer Reaktionstemperatur von 500 bis 520 °C, Druck von 1 bar und Aufenthaltszeiten von unter 1 Sekunde) entsteht ein Pyrolyseöl (Ausbeute 80 Massenprozent; Heizwert 18 MJ/Nm³ bei 20 Massenprozent Wassergehalt), das eventuell gemischt mit Heizöl oder direkt in Dieselmotoren verbrannt werden könnte. Das im Pyrolysereaktor erzeugte Öl hat jedoch einige negative physikalische und chemische Eigenschaften: Es ist korrosiv und chemisch instabil. Daher ist ein plasmachemisches Verfahren ("Electronic Upgrading") zur Aufbereitung notwendig. Zudem ist die kanzerogene Wirkung des Pyrolyseöls noch nicht widerlegt.