Unter Bäumen...

Abbildungen fehlen, aber eigentlich müsste sich trotzdem alles logisch erschließen.
Wozu habe ich diese Arbeit geschrieben, wenn ich sie nicht zeigen kann?
Bedenkt aber bitte, dass es sich hierbei um eine eigenständige Leistung des Schülers Peter Jopke handelt, die NICHT für schulische Zwecke oder anderer Veröffentlichung freigegeben ist!
Danke -.-

1. Einführung


Wir schreiben das Jahr 2006: Ressourcenverknappung und die mittlerweile erwiesene Klimaveränderung auf der Erde zwingen die Menschen zu alternativer Energiegewinnung.
Besonders Fahrzeuge, die zum größten Teil durch fossile Brennstoffe angetrieben werden, sind dafür verantwortlich und doch wird zunehmend von einem Brennstoff berichtet, der imstande sein soll, beide Probleme zu lösen – Biodiesel.
Dieses, in Deutschland zum größten Teil aus Rapsöl hergestellte, Stoffgemisch soll in vielen Dingen ökologischer sein als herkömmlicher Diesel oder Benzin.
Beispielsweise soll bei der Verbrennung nur soviel Kohlenstoffdioxid entstehen wie die Rapspflanze eigens, als Produktionsfaktor für die Photosynthese, fixiert hat.
Bei den Bauern ist der neue Treibstoff sowieso schon gut angekommen. Er sichert Arbeitsplätze und man käme auf diese Weise ein Stück weit von der „jährlichen Überproduktion der Landwirtschaft in Deutschland“ weg.
Trotzdem ist Biodiesel sehr umstritten. Selbst der Umweltschutz-Verband „Greenpeace“ ist sich offensichtlich nicht einig in dieser Angelegenheit. Wie wäre es sonst möglich, dass man in Schottland den Biodiesel kostenlos zum tanken anbietet , man jedoch auf der anderen Seite in Deutschland von einer „Mogelpackung auf Kosten der Umwelt“ redet?
Dies ist Grund genug, sich genauer mit dem Stoffgemisch Biodiesel zu befassen, sowie der Frage nachzugehen, ob es nun ein Kraftstoff der Zukunft ist oder nicht.


2. Grundlagen


2.1 Diesel als Mineralöl


Herkömmlicher Diesel zählt wie Benzin zu den Mineralölen. Diese Kohlenwasserstoffgemische, größtenteils aus Alkanen bestehend, werden aus Erdöl oder Kohle gewonnen und sind somit Überreste von Pflanzen und Tieren, die sich seit Millionen von Jahren, unter Luftabschluss, immer weiter zersetzten, weshalb auch von fossilen Brennstoffen die Rede ist . Folglich handelt es sich dabei nicht um reine Kohlenwasserstoffverbindungen, da z.B. auch geringe Mengen von Schwefel oder Stickstoff darin enthalten sind .


2.2 Rapsöl als Pflanzenöl


Pflanzenöle sind fette Öle, die eigens von einer Pflanze produziert wurden. Das Rapsöl wird durch das Heißpressen, bei dem die Rapssamen ausgepresst und das gewünschte Öl mittels chemischer Extraktion (durch Hexan als Lösungsmittel) herausgelöst wird, gewonnen. Es handelt sich hierbei um ein natürliches Fett, also ein Fettgemisch, das als Nebenbestandteile z.B. freie Fettsäuren, Phospholipide, Wachse oder wie beim Diesel Schwefel und Stickstoff aufweist . Tatsache ist, dass sich die verschiedenen Fettmoleküle wie alle natürlichen Öle aus Glycerin und drei angelagerten Fettsäuren zu einem Glycerintriester zusammensetzen. Zu durchschnittlich ca. 3% treten auch Glycerindi- und Glycerinester auf . Die angelagerten Fettsäuren sind zum größten Teil Ölsäure (ca. 60%), Linolsäure (ca. 20%) und Linolensäure (ca. 10%) – drei ungesättigte Fettsäuren, die durch ihre Mehrfachbindungen und dem damit verbundenen Knick in jeder Kette geringere Van-der-Waals-Kräfte zulassen, womit der Aggregatzustand flüssig ist . Rapsöl wird sowohl als Nahrungsmittel, als auch als Treibstoff für dafür geeignete Motoren verwendet .


3. Herstellung


3.1 Umesterung


Wenn das Rapsöl umgeestert wird, spricht man von „Biodiesel“. Dabei reagieren die Rapsölglycerintriester bei 40-80 °C mit Methanol (auch Ethanol ist möglich), unter Einwirkung eines Katalysators, zu jeweils drei Rapsölmethylestern (RME). Dabei verbinden sich die Methylreste mit den Estergruppen der Fettsäuren. . Als Katalysatoren können sowohl Laugen (Natron-, Kalilauge), als auch Alkoholat-Lösungen wie z.B. eine 30%ige Natrium-Methylat-Lösung (NM30) dienen . Das entstehende Stoffgemisch setzt sich aus langen Kohlenwasserstoffketten zusammen, die denen des fossilen Diesels sehr ähnlich sind.
Nach einer bestimmten Reaktionszeit der Umesterung wird das entstandene RME mit destilliertem Wasser gereinigt . Dabei können nicht alle Nebenbestandteile gelöst werden wie z.B. Fettsäuren, veresterte- und unveresterte Öle .
Das abgespaltene, verunreinigte Glycerin (ca.11% der Reaktionsprodukte ) muss unter weiterem Energieaufwand gereinigt werden und findet unter anderem in der Kosmetikindustrie Verwendung .


3.2 Gründe für die Umesterung


Ziel der Umesterung ist die Reduktion der Viskosität („Zähigkeit“, „Innere Reibung“), die sonst den herkömmlichen Dieselmotoren schadet und zudem ein Fahrzeug kälteuntauglich macht . Das damit verbundene schlechte Zerstäubungsverhalten (Erzeugung feinster Flüssigkeitstropfen) führt zu einer stark inhomogenen Gemischaufbereitung, die wiederum zu unvollständiger Verbrennung und erhöhten Abgasemissionen führt . Beispielsweise kommt es durch den, bei der unvollständigen Verbrennung entstandenen, elementaren Kohlenstoff zu einer erhöhten Emission der Partikel.
Bei Minustemperaturen kommt es beim Dieselkraftstoff zur Verflockung, einer Bildung von Kristallen, die Rohrleitungen und Filter verstopfen können . Aufgrund der höheren Viskosität verstärkt sich dieser Effekt beim Rapsöl . Um die Viskosität der des Diesels anzupassen, gleicht man die Moleküle des Rapsöls durch Umesterung denen des Mineralöls Diesel an. Abb.1 zeigt die Ähnlichkeit zwischen zwei Fettsäuremethylester-Molekülen, symbolisch für Biodiesel, und einem Alkan, symbolisch für Diesel.


Abb.1 (von oben nach unten): 1./2. Ölsäuremethylester, 3. Heptadecan


4. Eigenschaften


4.1 Stoffgemisch Biodiesel


Biodiesel ist eine gelb-braune Flüssigkeit mit einem „pommes-frites-artigen“ Geruch.
In Deutschland besteht er zum größten Teil aus RME oder ersatzweise aus Sonnenblumenmethylester. In anderen Ländern sind z.B. Sojamethylester oder verschiedene Palmölmethylester üblich .
Wie aus den Punkten 2.2 und 3.1 hervorgeht, enthält Biodiesel außer RME Begleitstoffe die, ohne einen zusätzlichen, wirtschaftlich nicht tragbaren Energieaufwand, unvermeidbar sind. Diese, die Beimischung anderer Treibstoffe und die Hinzufügung von Additiven beeinflussen die Eigenschaften des Biodiesels. Dies kann sich negativ auf die Elastomerverträglichkeit , Betriebssicherheit und Emission auswirken. Aus diesem Grund wurden Normen festgeschrieben, die den Produkten der verschiedenen Hersteller eine Qualitätsstufe verleihen . Beigemischte Treibstoffe können z.B. Pflanzenöle , Altfettmethylester oder Alkohole sein. Schon bei geringer Beimischung von Pflanzenöl (5-10%) treten die in 3.2 angesprochenen Probleme fast ebenso stark in Kraft wie bei reinem Pflanzenölbetrieb . Die umgeesterten Altfette, die aus Gastronomie oder Schlachterei kommen, haben teilweise eine so schlechte Qualität, dass sie nicht mehr verwertet werden können . Die Beimischung von Alkoholen senkt zwar die Viskosität, kann aber den Kraftstoff zum Gefahrgut machen, weil es den Flammpunkt erniedrigt. Außerdem bringt Alkohol als Kraftstoff Verkokung mit sich und greift die Kolben an .
Reiner Biodiesel gehört mit einem relativ hohen Flammpunkt von mindestens 110 °C nicht zu den Gefahrstoffen und gilt, durch seine leichte biologische Abbaubarkeit, als umweltfreundlich hinsichtlich dessen, dass flüssige Kraftstoffe oft ungewollt austreten und Boden, sowie Grundwasser belasten . Die Viskosität sollte höchstens 5 mm/s² betragen, sonst könnte es zu den besagten Kraftstoffförderproblemen kommen (sh. 3.2). Des Weiteren muss in verschieden Zeiträumen des Jahres einer bestimmter Grenzwert der Filtrierbarkeit (CFPP) eingehalten werden , damit der Kraftstoff kältetauglich ist (sh.3.2). Dies kann durch Beimischung von Additiven passieren, die dafür sorgen, dass die auftretenden Kristalle klein bleiben .
Auch der Anteil an Begleitstoffen, die während der Produktion nicht abgetrennt wurden, ist genormt: Ein zu hoher Wassergehalt führt zu Verbrennungs- und vor allem zu Korrosionsproblemen; Verkokung bzw. Koksrückstände treten durch Glycerin und Glyceride auf; Asche beschädigt besonders die Abgasbehandlungssysteme; Auftretende Alkali- und Erdalkalimetalle (Na, K, Ca, Mg) fördern den Aschegehalt und sind Ursache für Seifenablagerungen (Abb.2); Ist die Iodzahl zu groß, nimmt die Oxidationsstabilität ab. Eine zu hohe Menge an Iod wirkt sich auch negativ auf den CFPP aus .


Abb.2 : Seifenablagerungen im Bereich der Einspritzpumpen


4.2 Vergleich: Biodiesel und Diesel als Kraftstoffe


Biodiesel ist dem Diesel von der Form des molekularen Aufbaus ähnlich. Bei den meisten Dieselmotoren, die auf dem Markt erhältlich sind, kann inzwischen weitgehend problemlos auf Biodiesel umgestellt oder Biodiesel zu Diesel beigemischt werden . Schläuche und Dichtungen müssen RME-beständig sein, denn die darin enthaltenen, relativ niedermolekularen Ester lösen diverse Kunststoffe (sh.4.3). Ersatzweise können z.B. Fluorkautschukmaterialien eingesetzt werden .
Zudem haben die beiden Kraftstoffe trotz ihrer Ähnlichkeit unterschiedliche Eigenschaften, die sich auch auf die Verbrennung auswirken. Darauf muss der Motor abgestimmt sein, damit er nicht geschädigt wird oder Emissionsgrenzwerte überschreitet . Motorenöl ist für die Schmierung von Verbrennungskraftmaschinen unverzichtbar und der Biodiesel schwer verdampfbar. Das führt zur Anreicherung des Biodiesels im Motorenöl, weshalb aufgrund des Verschleißes des Motors verkürzte Ölwechselintervalle nötig sind .
Bei Fahrzeugen, die zuvor mit Mineralöldiesel betrieben wurden, sollten einmalig die Kraftstofffilter gewechselt werden. Dessen Altablagerungen sind dem Biodiesel fremd und blockieren den Filter .
Auch Tankstellen müssen für den Vertrieb von Biodiesel, aufgrund dessen Eigenschaften, gerüstet sein. Beispielsweise sollte der Kraftstoff möglichst nicht mit Zink oder Kupfer in Verbindung treten, weil dies zur Seifenbildung beiträgt. Die beiden Metalle treten unter anderem als Legierungen in Bauteilen von Zapfsäulen oder Tanks auf .
Bei der Verbrennung gibt Mineralöldiesel deutlich mehr Energie ab . Dies zeigt der um ca. 16% höhere Heizwert . Dieser Leistungsnachteil fordert normalerweise einen ebenso höheren Verbrauch, gäbe es nicht andere Kennwerte, die für den Biodiesel stehen. Somit entsteht einen Leistungsnachteil von höchstens 0-5% .
Weiteres spricht für den Einsatz von Biodiesel. Er hat von Natur aus eine höhere Zündwilligkeit und somit eine bis zu 16% höhere Cetanzahl als Mineralöldiesel , der dem Fahrzeug somit weniger Laufruhe verleiht und den Motor mehr verschleißt .
Größten Anteil an der ca. 60%igen Verschleißminderung des Biodiesels gegenüber Mineralöldiesel hat dessen hohe Eigenschmierfähigkeit, die er trotz eines sehr geringen Schwefelanteils besitzt. Würde man herkömmlichen Diesel aus ökologischen Gründen auf eine ebenso große Menge entschwefeln, würde der Unterschied noch größer sein . Was beim Mineralöldiesel nur durch Additive möglich ist, hat Biodiesel aufgrund seines molekularen Aufbaus und Sauerstoffgehaltes. Es kann sogar selbst in die Rolle des Additivs springen, denn schon geringe Mengen RMEs lassen die Eigenschmierfähigkeit des Mineralöls exponentiell steigen (Abb.3) .


Abb.3 : Eigenschmierfähigkeit in Abhängigkeit

Der geringe Anteil an Schwefel ermöglicht auch den Einsatz von Oxidationskatalysatoren , die Produkte der unvollständigen Oxidation wie z.B. Partikel oder Kohlenmonoxid vollständig oxidieren lassen.


4.3 Experiment: Wirkung von Rapsmethylester auf Kunststoffe


In 4.2 (S.11) zitierte ich die Wirkung des RMEs auf Kunststoffe. Die weichen Kunststoffschläuche und Dichtungen, durch die Biodiesel dem Tank zugeführt wird, sollen vom RME gelöst werden. Um dies nachzuweisen legte ich zwei handelsübliche Benzinschläuche in jeweils ein Glas, das eine gefüllt mit Biodiesel, das andere mit herkömmlichem Diesel.


Abb.4: Diesel (links) und Biodiesel (rechts)

Nachdem die Schläuche drei Monate lang einem Kraftstoff ausgesetzt waren, zeigten sich keinerlei Auflösungserscheinungen oder sonstige Veränderungen.


Abb.5: Die beiden Versuchsschläuche (links: Biodiesel / rechts: Diesel)

Aufgrund der zu kurzen Dauer des Experiments im Vergleich zu der Nutzungsdauer eines Autos, kann die These weder unterstützt, noch widerlegt werden. Es gibt jedoch Experimente, die die Auflösungserscheinungen bereits nachweisen konnten .


5. Chemische Abläufe bei der Verbrennung von Biodiesel


Biodiesel ist ein Dieselkraftstoffsubstitut und wird bei der motorischen Energieumwandlung auf die gleiche Art und Weise wie herkömmlicher Diesel verbrannt. Der größte und entscheidende Vorgang ist die Oxidation des RME durch den Sauerstoff der zugeführten Umgebungsluft. Im Idealfall ist genügend Sauerstoff vorhanden, um die Elemente Kohlenstoff und Wasserstoff bis zur höchstmöglichen Stufe, also zu Kohlenstoffdioxid bzw. Wasser, vollständig zu oxidieren .
Beispielsweise würde die Reaktionsgleichung für Ölsäuremethylester wie folgt aussehen: C17H33-COO-CH3 + 26O2  18CO2 + 18H2O + Wärme.
Dieselmotoren arbeiten als Selbstzünder . Biodiesel entzündet sich also durch das Erreichen einer bestimmten Temperatur und somit eines erhöhten Drucks . Obwohl Selbstzünder mit einem relativ hohen Luftüberschuss arbeiten, ist die vollständige Verbrennung in der Praxis nur begrenzt realisierbar, denn in der Verbrennungsphase herrschen keine Gleichgewichtsbedingungen. Durch inhomogene Gasgemische mit teilweise dissoziierten Komponenten (z.B. Radikale ) kommt es zu Sekundärreaktionen und den typischen Reaktionsprodukten der unvollständigen Verbrennung: Dem giftigen Kohlenstoffmonooxid oder dem elementaren Kohlenstoff , dessen Anteile durch Oxidationskatalysatoren verringert werden können (sh. 4.2, S.12).
Die Reaktivität der Substanzen mit ungepaarten, radikalischen Elektronen ruft Kettenreaktionen hervor, bei denen bemerkenswerter Weise keine Kohlenwasserstoffe mehr beteiligt sind . Bei der charakteristischen Kettenreaktion wird zunächst ein Wasserstoffatom von einer Kohlenwasserstoffkette abgespalten (Homolyse), woraus ein Kohlenwasserstoffradikal (•CR1R2R3) und ein Wasserstoffradikal (H•) hervorgehen. Das Letztere reagiert mit molekularem Luftsauerstoff zu einem Hydroxylradikal (HO•) und einem atomaren Sauerstoffradikal (•O•). Die Kettenreaktion wird geschlossen, indem das sehr reaktive Hydroxylradikal mit Kohlenmonoxid wieder zu einem Wasserstoffradikal und Kohlenstoffdioxid reagiert:

R1R2R3 – C – H  R1R2R3 – C• + H•
H• + O2  HO• + •O•
HO• + CO  CO2 + H

Das eigentliche Problem daran, ist die Tatsache, dass die entstehenden Radikale auch andere Reaktionspartner angreifen.
Beispielsweise können die atomaren Sauerstoffradikale mit genügend Aktivierungsenergie auch mit molekularem Stickstoff zu einem Stickstoffoxidradikal (•NO) und einem Stickstoffradikal (N•) reagieren. Dieses reagiert mit molekularem Sauerstoff wieder zu einem Sauerstoffradikal und zu einem Stickstoffoxidradikal:

•O• + N2  •NO + N•
N• + O2  •NO + •O•

Auch energiereiche Kohlenwasserstoffe können die Dreifachbindung des molekularen Stickstoffs spalten . Verschiedene Kohlenwasserstoffe und Partikel gehen ebenfalls größtenteils aus komplexen Kettenreaktionen hervor . Im Gegensatz zum Mineralöldiesel treten beim Biodiesel keinerlei Emissionen von Aromaten auf .


6. Ökologische Bilanz


Was in Abb.4 so deutlich scheint, ist unter Wissenschaftlern nach wie vor umstritten: Ist Biodiesel ökologischer als Mineralöldiesel? Gerade der Einsatz von Oxidationskatalysatoren bringt Biodiesel hinsichtlich der Emissionen, die bei der motorischen Verbrennung entstehen, einen Vorteil.


Abb.6 : Limitierte Emissionen von Biodiesel im Vergleich zu Diesel

Das giftige Kohlenstoffmonooxid tritt dort bis zu 95% geringer auf. Ebenso verhält es sich bei der Emission der gesundheitsschädigenden Kohlenwasserstoffe, dessen gefährlichste Stoffe für den Menschen, die Aromate , im Biodiesel gar nicht auftreten. Gerade in Zeiten, wo der Grenzwert des Feinstaubes in der Luft vielerorts überschritten wird, bietet sich Biodiesel mit bis zu 70% niedrigeren Emissionen von Partikeln und Ruß an. Bei der motorischen Verbrennung tritt nicht mehr Kohlenstoffdioxid aus, als die Pflanze vorher eigens fixiert hat. Der vor tausenden von Jahren aus dem ökologischen Kreislauf ausgeschlossene, fossile Diesel setzt hingegen „neuen“ Kohlenstoff frei, der dann oxidiert. Hinzu kommen die fast erreichte Schwefelfreiheit und die biologische Abbaubarkeit, die besonders in der Forstwirtschaft und bei der Schifffahrt zum Tragen kommt.
Einleuchtend ist aber auch die Meinung der Gegenseite. Die Emission der Stickstoffoxide, eines der Hauptprobleme des Fahrzeugbetriebs, steigt beim Gebrauch von Biodiesel um bis zu 10%. Das größtenteils entstehende Stickstoffmonooxid oxidiert in der Atmosphäre zu Stickstoffdioxid , einem bedeutendem Treibhausgas, das zusätzlich an der bodennahen Ozonbildung, sowie am Waldsterben beteiligt ist . Speziell die praktische Umsetzung bringt viele Nachteile. Ein, aus wirtschaftlicher Sicht erforderlicher, intensiver Rapsanbau kommt um den Einsatz erheblicher Mengen an Dünge- und Pflanzenschutzmitteln nicht herum. Diese schaden nicht nur dem natürlichen Gleichgewicht, genauso wie die zahlreich benötigten Landmaschinen erhöhen sie die Emission von Kohlenstoffdioxid und Schadstoffen. Der von einigen Seiten z.B. vorgeschlagene Klärschlamm als Düngemittel belastet die Umwelt mit einem meist zu großem Anteil an Schwermetallen und toxischen organischen Chemikalien, die auch die Gesundheit des Menschen gefährden .


7. Zusammenfassung


Die Chemie-Industrie hat mit der Umesterung von Pflanzenöl die nötigen Vorraussetzungen geschaffen, Biodiesel als Kraftstoff für Dieselmotoren zu verbreiten. Durch verschiedenste Qualitätsnormen und natürliche Eigenschaften, wie z.B. der hohen Eigenschmierfähigkeit, kann Biodiesel im Vertrieb und Betrieb mit Mineralöldiesel mithalten. Die Unterschiede bei der Gewinnung und Verarbeitung, der Verwertung anfallender Nebenprodukte, des Transports und auch unterschiedliche Eigenschaften, wie z.B. die biologische Abbaubarkeit, erschweren es im ökologischen Vergleich eine eindeutige Bilanz zu ziehen. Beide Kraftstoffe haben dort ihre Vor- und Nachteile, aber ich meine, sie stehen insgesamt nicht weit voneinander entfernt. Der Rapsanbau wird in Deutschland, realistisch gesehen, nie den gesamten Kraftstoffbedarf decken können . Für mich ist Biodiesel trotzdem ein alternativer und nachhaltig gewonnener Treibstoff, der seinen Marktanteil leisten kann und nicht zuletzt als Beimischung für Mineralöldiesel wertvoll werden könnte. Ich vermute, dass die allgemeine Wertschätzung „der Mogelpackung auf Kosten der Umwelt“, die nicht direkt vom globalen Ölmarkt abhängig ist, bei dem zukünftig steigenden Ölpreis, sich noch erhöhen wird.