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Bioethanol

Bioethanol ist Ethanol, welches aus biologischen Stoffen (Biomasse) gewonnen wird. Weil es ein agrarwirtschaftliches Produkt ist, spricht man auch von Agro-Ethanol. Es wird z. B. als Biokraftstoff eingesetzt, sowohl in reiner Form (E100) als auch als Beimischung zu Benzin, z. B. in Super E10 mit zehn Volumenprozent Bioethanol. Der Heizwert von reinem Ethanol beträgt ca. 26,6 MJ/kg = 7,4 kWh/kg oder 21 MJ/l = 5,9 kWh/l; bei Bioethanol ist es je nach Reinheit bzw. Ethanolgehalt etwas weniger, jedoch ist eine Reinheit von über 99 % üblich.

Bioethanol wird auch als Bioalkohol bezeichnet, was aber weniger eindeutig ist. Beispielsweise ist auch Methanol aus Holzabfällen ein Bioalkohol.

Herstellung von Bioethanol

Vergärung und weitere Aufbereitung

Grundsätzlich entsteht Ethanol durch Vergärung (Fermentation) von Zuckern in der Biomasse durch Hefe. Häufig wird dabei auch Stärke zunächst durch Enzyme von Mikroorganismen zu Zucker abgebaut, der dann vergoren wird. Geeignete Ausgangsstoffe sind z. B. Zuckerrüben, Kartoffeln, Zuckerrohr, Mais, Getreide (Weizen, Roggen) und Maniok. Hier werden also Stoffe genutzt, die sonst als Nahrungsmittel oder Futtermittel eingesetzt werden könnten.

Deutlich schwieriger ist die Verzuckerung von Cellulose (= Zellulose), da diese eine sehr komplexe Struktur aufweist und durch Mikroorganismen nur sehr langsam abgebaut wird. Für die technische Verzuckerung von Cellulose werden bestimmte Enzyme und Säuren benötigt. Die breite Nutzung von Cellulose als Cellulose-Ethanol wäre sehr attraktiv, da so auch viele Reststoffe von der Nahrungsmittelherstellung verwertet werden könnten, ebenso wie Holzabfälle, Stroh oder auch ganze Pflanzen. Die Holzverzuckerung mit Hilfe von Säuren (Salzsäure, Schwefelsäure oder Flusssäure) wurde schon vor langer Zeit entwickelt und z. B. in Deutschland während des Ersten Weltkriegs praktiziert. Eine wesentliche wirtschaftliche Bedeutung hat sie jedoch nie errungen.

Die bei der Gärung entstehende alkoholische Maische erreicht einen Ethanolanteil von nur ca. 12 %, da die Hefe bei höheren Alkoholkonzentrationen inaktiv wird und abstirbt. Es ist deswegen eine Rektifikation (Gegenstromdestillation) nötig, um das Ethanol auf ca. 95 % aufzukonzentrieren. Der verbliebene Wasseranteil wird z. B. durch Adsorption mit einem Molekularsieb weitestgehend entfernt. Diese Dehydratisierung ist beispielsweise wichtig für Ethanol, das dem Benzin beigemischt wird.

Verbleibende Reststoffe; Energiebilanz

Nach Abtrennung des Ethanols verbleibt von der Maische eine Schlempe, die noch diverse organische Reststoffe mit einem nennenswerten Energiegehalt beinhaltet. Sie ist für die Herstellung von Futter- und Düngemitteln geeignet, zum Teil sogar für Nahrungsmittel. Eine andere Möglichkeit ist die Trocknung und anschließende Verbrennung zur thermischen Nutzung (Wärmeerzeugung). Beispielsweise kann so Dampf für die Ethanolherstellung erzeugt werden. Zum Teil erfolgt auch eine Vergasung zu Biogas. Die Schlempe von Zuckerrohr kann mehr Energie liefern, als für die Ethanolherstellung benötigt wird. Die Energiebilanz von Bioethanol ist also z. B. bei Verwendung von Zuckerrohr relativ gut.

Bei Verwendung von Getreide kann die Energiebilanz allerdings deutlich ungünstiger sein, wie eine Studie der Universität Hohenheim zeigte: Der Energiegehalt der erzeugten Energie-Produkte (einschließlich Biogas aus den Reststoffen und einer Gutschrift für erzeugte Düngemittel) wird zu grob geschätzt 40 % beim Getreideanbau und der Ethanolherstellung verbraucht (mit deutlichen Unterschieden zwischen den Verfahren, die wohl noch weiter optimiert werden können).

Konkurrenz mit der Nahrungsmittelproduktion; Umweltbelastungen

Solange Bioethanol hauptsächlich aus Zuckern und Stärke gewonnen wird, entsteht eine klare Konkurrenz mit der Herstellung von Nahrungsmitteln: Beispielsweise wird viel Mais, der sonst verspeist oder als Tierfutter genutzt würde, zu Alkohol vergoren, und es gibt auch beim Anbau anderer Pflanzen, die nicht für den Verzehr geeignet wären, eine Flächenkonkurrenz. Diese Konkurrenz hat bereits zum deutlichen Anstieg der Preise von Mais und Getreide geführt, was für die Bauern zwar vorteilhaft ist, die bereits prekäre Ernährungslage eines großen Teils der Weltbevölkerung aber weiter verschärft. Der Kern des Problems ist nicht unbedingt, dass global zu wenig Nahrungsmittel hergestellt würden, sondern dass die Preise für den armen Teil der Weltbevölkerung zu hoch sind. Wenn langfristig auch nur ein kleiner Teil der fossilen Energieträger global durch solche Biokraftstoffe ersetzt werden sollte, würde das Hungerproblem wesentlich vergrößert.

In diesem Zusammenhang ist auch zu beachten, dass vor allem auch der Fleischkonsum zu einem massiv höheren Bedarf an Agrarprodukten und damit auch Agrarflächen führt als der Konsum pflanzlicher Nahrung. Dies bedeutet, dass der weltweit zunehmende Fleischkonsum dieselben negativen Auswirkungen auf die Ernährungslage hat, und dass auch eine Konkurrenz zwischen Fleisch und Biokraftstoffen entsteht. Das Schlagwort "Teller oder Tank" müsste also eigentlich zu "Teller oder Fleisch oder Tank" bzw. genauer "Hungerbekämpfung oder mehr Fleisch oder Biokraftstoffe" erweitert werden.

Die genannte Konkurrenz wirkt in beiden Richtungen. So wurde z. B. in Brasilien die Bioethanolherstellung stark reduziert, als in 1990er-Jahren die Weltmarktpreise für Zucker stark stiegen.

Die Umweltbelastungen durch die Bioethanolherstellung resultieren hauptsächlich durch die Landwirtschaft. Sie sind erheblich, wenn synthetische Dünger (etwa energieaufwendig hergestellte Stickstoffdünger) und Pestizide eingesetzt werden, oder wenn gar Regenwälder zur Flächengewinnung gerodet werden. Auch Wasserverschmutzungen z. B. durch ausgeschwemmte Düngemittel und Pestizide sind ein Problem.

Die EU versucht heute, die Herstellung von Biokraftstoffen zu fördern, um die Erdölabhängigkeit zu reduzieren und einen Klimaschutzeffekt zu erzielen. Gleichzeitig versucht man, die Einhaltung von Nachhaltigkeitskriterien (etwa in der EU-Richtlinie 2009/28/EG für Erneuerbare Energie) durchzusetzen, um die negativen Wirkungen zu minimieren. So gibt es Anforderungen z. B. an die Treibhausgasbilanz, Einschränkungen für die landwirtschaftliche Flächennutzung (z. B. Ausschluss von Regenwäldern und Feuchtgebieten) sowie Umwelt- und Sozialstandards. Die lückenlose Überwachung ist freilich schwierig, und die Problematik der Flächenkonkurrenz lässt sich so auch nicht auflösen.

All die genannten Probleme würden wesentlich entschärft, wenn großtechnisch auch Cellulose für die Ethanolherstellung genutzt werden könnte. Man könnte dann z. B. die Maisfrüchte zur Ernährung nutzen und nur die Reststoffe (z. B. Stängel) zur Ethanolherstellung. Es würden also keine zusätzlichen Mengen angebauter Pflanzen benötigt, oder aber die Ausbeute an Energie (die Flächenproduktivität) würde stark erhöht. Entsprechende Forschung ist im Gange, aber soweit scheint ein Durchbruch noch nicht erreicht zu sein. Insbesondere sind die benötigten Enzyme, die gentechnisch herstellt werden, noch sehr teuer, und die Verzuckerung erfolgt recht langsam.

Verwendung

Bioethanol-Öfen

In kleinem Maßstab wird Bioethanol als Brennstoff in kleinen Öfen verwendet, z. B. in Kaminöfen oder kleinen Deko-Öfen. Hier handelt es sich in der Hauptsache um Gemütlichkeitsfeuer, weniger um eine Unterstützung der Heizungsanlage. Der Artikel über Bioethanolöfen enthält weitere Details.

Verwendung als Kraftstoff

In wesentlich größeren Mengen wird Ethanol dem Benzin beigemischt; in Europa beispielsweise zu zehn Volumenprozent im Super E10, aber bei gewöhnlichem Super-Benzin bis zu 5 Volumenprozent. Teils wird auch E85 verkauft mit 85 % Volumenprozent Bioethanol; in Deutschland ist dies jedoch ein verschwindend geringer Anteil. Insbesondere in Brasilien, wo viel Bioethanol hergestellt wird, deckt E85 aber einen erheblichen Teil des Kraftstoffbedarfs; die Fahrzeuge müssen hierfür speziell geeignet sein. Der Artikel über Benzin erläutert die technischen Aspekte ausführlicher.

In Deutschland wird Bioethanol hauptsächlich für die Beimischung zu Benzin (größtenteils zu E10 oder gewöhnlichem Superbenzin E5) hergestellt. Über die Hälfte davon nutzt Futtergetreide als Rohstoff; dazu kommen ein erheblicher Anteil von Industrierüben und in geringerem Maß diverse Reststoffe [1]. Knapp zwei Drittel der für die Beimischung zum Benzin benötigten Menge (in 2015 1,17 Millionen Tonnen) werden im Inland hergestellt, der Rest z. B. aus Brasilien importiert.

Die Hauptvorteile der Verwendung von Ethanol als Kraftstoff sind, dass es sich um erneuerbare Energie (aus nachwachsenden Rohstoffen) handelt, und dass solcher Biokraftstoff theoretisch CO₂-neutral sein könnte: Die beim Verbrennen und bei der Vergärung freigesetzte CO₂-Menge wird beim Wachsen der Pflanzen aus der Atmosphäre aufgenommen. In der Praxis ist Bioethanol aber nicht wirklich CO₂-neutral:

• Es werden Landmaschinen eingesetzt, die z. B. mit Dieselkraftstoff betrieben werden.
• Zusätzlich werden synthetische Dünger und Pestizide verwendet, deren Herstellung nicht erneuerbare Energie verbraucht und CO₂ freisetzt.
• Der Anbau kann zu Emissionen von Distickstoffoxid (N₂O, Lachgas) führen, das besonders klimaschädlich ist.
• Auch bei der Verarbeitung und beim Transport entstehen CO₂-Emissionen.
• Wenn tropischer Regenwald gerodet wird, um Flächen für die Bioethanolherstellung zu gewinnen, wird die CO₂-Bilanz stark belastet.
• Wenn die für die Nahrungsmittelherstellung verfügbare Fläche durch die Bioethanolherstellung abnimmt, kann dies zu einer intensiveren Bewirtschaftung der Felder führen und damit zu höheren CO₂- und Lachgas-Emissionen auch außerhalb der eigentlichen Bioethanolherstellung.

Wie groß die Netto-Emissionen sind, hängt natürlich stark davon ab, wie vor allem die Landwirtschaft betrieben wird.

Durch die bereits oben diskutierte Problematik der Konkurrenz mit dem Nahrungsmittelanbau und auch wegen der oft nicht überzeugenden Treibhausgasbilanz ist die Verwendung von solchen Biokraftstoffen stark in die Kritik geraten. Das Schlagwort "Teller oder Tank" (siehe oben) bringt auf den Punkt, dass mit Bioethanol gefüllte Kraftstofftanks bedeuten können, dass anderswo die Teller leer bleiben, also gehungert wird.

Ethyl-tert-butylether als Anti-Klopf-Mittel

Aus Bioethanol kann auch Ethyl-tert-butylether (ETBE) hergestellt werden. Dieser Stoff dient als Benzin-Additiv zur Erhöhung der Klopffestigkeit (der Oktanzahl). Er ist umweltfreundlicher als andere Anti-Klopf-Mittel wie z. B. Benzen, das grundwassergefährdende Methyl-tert-butylether (MTBE) oder gar das hochgiftige Bleitetraethyl. Es ist für die Erhöhung der Oktanzahl wesentlich wirksamer als die direkte Zumischung von Ethanol.

Verwendung in Brennstoffzellen

Ethanol kann als Quelle von Wasserstoff für Brennstoffzellen dienen, wobei es wesentlich einfacher zu transportieren ist als gasförmiger oder flüssiger Wasserstoff. Das Ethanol wird entweder vor Verwendung katalytisch in Wasserstoff und Kohlendioxid umgesetzt oder direkt in eine entsprechende Brennstoffzelle geleitet. Allerdings geht ein Teil der Energie des Ethanols hier verloren.

Vergleich mit anderen Biokraftstoffen

Ein umfassender Vergleich verschiedener Biokraftstoffe ist aufwendig und hängt stets auch wesentlich von den jeweiligen Bedingungen der Landwirtschaft und den Herstellungsmethoden ab. Jedoch kann gesagt werden, dass die Herstellung von Bioethanol einerseits eine etwas größere Flächenproduktivität ermöglicht als Biodiesel (Rapsmethylester) oder Rapsöl, während andererseits aber Biogas wie auch Verfahren der Biomasseverflüssigung (BtL = Biomass to Liquid) eine mindestens zweimal höhere Flächenproduktivität ergäben. Das heißt, dass der Flächenbedarf für Erdgasfahrzeuge, die mit Biomethan betrieben werden, höchstens halb so hoch ist wie für Fahrzeuge mit Bioethanol.

Siehe auch: Ethanol, Kraftstoff, Biokraftstoff, Bioethanolofen, Benzin, erneuerbare Energie, Klopffestigkeit, Nachhaltigkeit