BtL-Kraftstoff

Die Herstellung von BtL beginnt meist damit, die stark wasserhaltige Biomasse zu trocknen. Als Ausgangsmaterial können sowohl Biomasseabfälle wie Stroh oder Restholz als auch speziell für die Kraftstofferzeugung angebaute Nutzpflanzen (Energiepflanzen, z. B. in Kurzumtriebsplantagen) Verwendung finden. Nach einer je nach Verfahren und Anlagentechnik erforderlichen Zerkleinerung und Reinigung der Pflanzenteile erfolgt die Vergasung. Zu beachten ist dabei, dass oftmals nur die Heizwerte der eingesetzten Stoffe betrachtet werden. Da diese Heizwerte aber massebezogen ermittelt werden, bleibt die unterschiedliche Dichte der Stoffe, die beispielsweise bei Stroh zu deutlich größeren zu transportierenden und zu verarbeitenden Stoffvolumen führt, bei der Betrachtung meist unberücksichtigt. So haben Buche und Fichte zwar fast den gleichen Heizwert von etwa 15 MJ/kg, die Dichte (das Gewicht pro Volumen) unterscheidet sich aber deutlich: 0,77 bzw. 0,44 kg/dm³. Unter Berücksichtigung der großen notwendigerweise zu transportierenden und zu verarbeitenden Volumina ist auch die Verarbeitung von Reststoffen, schnellwachsender Biomasse oder Stroh kritisch zu betrachten.

Der erste Schritt ist bei den hier behandelten Syntheseverfahren eine verschieden stark vollendete thermische Spaltung, die Pyrolyse. Bei Temperaturen von ca. 200 °C bis über 1000 °C wird die physische und chemische Struktur der Biomasse umgewandelt. Lange Molekülketten werden durch den Wärmeeinfluss gespalten. Es entstehen zahlreiche unterschiedliche flüssige und gasförmige Kohlenwasserstoffe mit kürzerer Kettenlänge sowie mit fortschreitendem Verlauf auch vermehrt Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Kohlenstoff und Wasser. Während durch (Luft-)Sauerstoffmangel die vollständige Oxidation zu Kohlendioxid und Wasser verhindert wird, lässt sich die weitere Beschaffenheit der Pyrolyseprodukte neben den primären Prozessbedingungen Temperatur, Druck und Verweilzeit im Reaktor auch durch zugeführte chemische Reaktanten und Katalysatoren beeinflussen. Weitere Varianten der Vergasung sind möglich. Wenn die Reaktion in einer flüssigen Lösung durchgeführt wird, die gleichzeitig Reaktionspartner ist, spricht man auch von einer Solvolyse, bei einer Wasserstoffatmosphäre dagegen von einer Hydrogenolyse.

Dieses spezielle Verfahren beruht auf einem zweistufigen Prozess, wobei zuerst bei 400–500 °C die stückige Biomasse in Koks (Biokoks) und teerhaltiges Schwelgas zerlegt wird. Während der Biokoks ausgeschleust wird, erfolgt bei ca. 1500 °C eine Flugstromvergasung des Schwelgases, so dass die längerkettigen Kohlenwasserstoffe in einfache Moleküle und damit in ein teerfreies Synthesegas zerlegt werden können. Die hohe Temperatur dieses Gases wird anschließend benutzt, um den ausgeschleusten und zermahlenen Biokoks bei nun 900 °C ebenfalls zu vergasen. Der Rohstoff kann dadurch ausgiebiger genutzt werden als bei anderen Verfahren. Das damit entstandene Rohgas ist teerfrei und nach dem Entstauben und Waschen von ähnlicher Qualität wie aus Erdgas erzeugtes Synthesegas.

Wird die Pyrolyse weniger vollständig durchgeführt, entsteht statt eines Gases ein flüssiges Produkt, das auch als Pyrolyseöl bezeichnet wird. Dieses Verfahren könnte z. B. eingesetzt werden, um bei Rohstoffen mit geringer Dichte, wie z. B. Stroh, die Transportwürdigkeit zu erhöhen. Anschließend kann eine Vergasung an der BtL-Produktionsanlage erfolgen.

Der nachfolgende Schritt ist der Syntheseschritt, bei dem die Spaltprodukte im Synthesegas durch chemische Reaktion zum BtL-Kraftstoff aufbereitet werden. Meist findet eine an das Fischer-Tropsch-Verfahren angelehnte Synthese zur Erzeugung der BtL-Kraftstoffe statt.

Dieses Verfahren wurde in der Pilotanlage der Choren Industries GmbH angewandt. Dabei wurde das Carbo-V-Verfahren zur Produktion von Biogas mit der von Shell entwickelten Shell Middle Distillate Synthesis, einem weiterentwickelten Fischer-Tropsch-Verfahren, kombiniert. Shell erzeugt damit im großindustriellen Maßstab im malaysischen Bintulu schon GtL-Kraftstoff aus Erdgas und mischt ihn seinem „V-Power“-Kraftstoff bei.

Eine weitere Anlage im vorläufig kleineren Maßstab ist die Anlage in Güssing (Österreich).[4] Eine zentrale Rolle spielt hier die Umwandlung von Biomasse in ein Produktgas mit Hilfe der „Wirbelschicht – Dampfvergasung“. Derzeit (Stand: 2023) wird dieses Produktgas in Wärme und Strom umgewandelt und versorgt so die Stadt Güssing mit umweltfreundlicher, erneuerbarer Energie.

Das Produkt der Synthese ist ein Gemisch verschiedener Kohlenwasserstoffe. Um eine Nutzung als Kraftstoff zu ermöglichen ist eine Aufbereitung notwendig, die z. B. auf Verfahren aus der Erdölraffination zurückgreift (z. B. Destillation, Rektifikation). So erfolgt z. B. die Gewinnung von BtL-Benzin und BtL-Diesel aus dem Syntheseprodukt. In einem begrenzten Rahmen lässt sich die Synthese steuern, so dass z. B. eine bevorzugte Herstellung von BtL-Diesel möglich ist.

Eine Herstellung von BtL-Kraftstoff kann auch mit anderen Verfahren erfolgen, die aber zur Unterscheidung meist eine eigene Bezeichnung haben. Teilweise liegt als Zwischenprodukt kein Synthesegas, sondern eine Flüssigkeit (Pyrolyseöl) vor:

• Flash-Pyrolyse mit sehr kurzen Verweilzeiten im Reaktor[5], der
• Katalytischen Direktverflüssigung, bei der die Pyrolyse in einem Ölsumpf mit Katalysatorbeimengung erfolgt[6], und der
• Hydrierenden Direktverflüssigung, bei der durch (Druck-)Wasserstoff während der Pyrolyse stabile Produktkohlenwasserstoffe entstehen.

Bei diesen Verfahren entsteht eine Produktflüssigkeit (Biorohöl oder Biocrude Oil genannt) die hauptsächlich lipophile (wasserunlösliche) Stoffe enthalten kann. In einem weiteren Schritt erfolgt die Verarbeitung zu Biokraftstoff mit Hilfe gängiger petrochemischer Verfahren.

Entsprechende Anlagen existieren derzeit an verschiedenen Standorten in Deutschland, u. a. beim „Departement Verfahrenstechnik“ der HAW Hamburg (Technikumsmaßstab), sowie bei einigen kommerziellen Betreibern („HP-DoS“-Verfahren, Produktionsvorstufe).

Auch an anderen Instituten wird an der Entwicklung von Herstellungsverfahren gearbeitet, wie z. B. am Forschungszentrum Karlsruhe mit dem bioliq-Verfahren.[7]

Auch mikrobiologisch ist eine Herstellung denkbar. So haben Forscher an der Universität Exeter das Bakterium Escherichia coli gentechnisch so manipuliert, dass diese durch Zugabe von Fettsäuren je nach Genausstattung Alkane und Alkene verschiedener Längen herstellen kann.[8] Je nach Zusammensetzung können dann Kraftstoffreplika erzeugt werden.

Die Umweltauswirkungen der Herstellung von BtL-Treibstoff hängen vor allem von der Art der eingesetzten Biomasse ab. Wie bei anderen Biotreibstoffen auch führt die Verwendung von Abfällen oder Waldholz zu eher geringeren Umweltbelastungen. Bei Verwendung von Energiepflanzen sind die Umweltbelastungen hingegen höher und die Treibhausgaseinsparungen geringer. Ein weiteres wichtiges Kriterium ist der Umwandlungsgrad, der auch davon abhängt, ob im Verfahren noch Strom und Wärme produziert werden.[1] Es besteht also ein Zielkonflikt zwischen hohen Treibstofferträgen pro Fläche auf der einen Seite und möglichst geringen Umweltbelastungen auf der anderen Seite.

Etwa 5 bis 10 Kilogramm Holz sind notwendig, um 1 kg BtL zu produzieren.[11] Ersten optimistischen Schätzungen zufolge soll sich auf einem Hektar Ackerland so viel Biomasse anbauen lassen, dass daraus jährlich ca. 4000 Liter BtL-Kraftstoff hergestellt werden können.[12] Neuere Berechnungen in einem europäischen Forschungsprojekt ergaben maximal 2300 kg BtL-Kraftstoff pro Hektar bei der Nutzung von Kurzumtriebsholz. Die Umwandlungsgrade und Flächenerträge schwanken dabei je nach Verfahren und Art der Biomasse.[11]

Theoretisch kann jeder Dieselmotor auch mit BtL-Kraftstoff betrieben werden. In ersten Praxismessungen ergab sich ein verringerter Ausstoß von (unverbrannten) Kohlenwasserstoffen (um 40 %) sowie von Kohlenmonoxid und Rußpartikeln bei der Verbrennung. Grund ist das, im Gegensatz zu fossilen Kraftstoffen, Fehlen von aromatischen Verbindungen. Da auch keine Schwefelverbindungen enthalten sind, werden auch hier Emissionen verringert. Allerdings musste auch ein leichter Leistungsverlust hingenommen werden. Für eine vollständige Beurteilung müssen jedoch auch die zusätzlichen Emissionen dieser Schadstoffe bei der Treibstoffherstellung berücksichtigt werden, die diese Minderemissionen bei der Verbrennung teilweise aufwiegen.[1]

• Verbesserung der Außenhandelsbilanz in vielen von Erdölimporten abhängigen Ländern, durch Verringerung der Erdölimporte.
• BtL-Kraftstoffe haben ähnliche Vorteile wie andere erneuerbare Energien, wie
  • Reduktion von fossilen CO₂-Emissionen
  • Schonung fossiler Ressourcen
  • größere Unabhängigkeit von Energieimporten
  • Stärkung der regionalen Wirtschaft
• Für die BtL-Herstellung kann theoretisch jede verfügbare pflanzliche Biomasse verwendet werden, wie Pflanzenabfälle, Laub, Restholz und andere, bisher ungenutzte Biomasse. Damit wird auch eine Nutzungs- (z. B. zur Nutzung von Rohstoffen zur Nahrungsmittelproduktion) und Flächenkonkurrenz vermieden. Allerdings wird dadurch auch das Potential der BtL-Kraftstoffe begrenzt.
• Der jährliche Holzzuwachs in Deutschland beträgt etwa 65 Mio. m³, was 4 % Massenzunahme entspricht. Rund ein Viertel des jährlichen Dieselbedarfs in Deutschland könnte damit theoretisch gedeckt werden. Allerdings besteht eine Nutzungskonkurrenz z. B. zur stofflichen Nutzung (Nutzholz) und zur Herstellung von Holzpellets oder Cellulose-Ethanol.
• Die gängigen Diesel- bzw. Ottomotoren können die entsprechenden BtL-Kraftstoffe ohne Umrüstung nutzen, während andere Biokraftstoffe (Ethanol, Pflanzenöl) eine Anpassung erfordern können.
• Die vorhandene Infrastruktur (Tankstellen, Lager und Transporteinrichtungen) ist weiterhin nutzbar.

• Das Potential an bisher ungenutzter Biomasse ist begrenzt. Ein umfassender Ausbau der BtL-Herstellung würde somit auch zu einer verstärkten Flächen- und Nutzungskonkurrenz führen, da landwirtschaftliche und forstwirtschaftliche Flächen verstärkt hierfür genutzt werden müssten.
• Die Herstellungskosten für BtL werden hoch eingeschätzt, so dass mit den derzeitigen (Jahr 2020) Herstellungsverfahren eine Konkurrenzfähigkeit mit konventionellen Kraftstoffen nur bei finanzieller Förderung möglich erscheint.
• Ein weiterer Biokraftstoff, der sich in der Entwicklung befindet, ist Cellulose-Ethanol. Für seine Herstellung würden ähnliche Rohstoffe wie für BtL benötigt. Unklar ist, welches Verfahren geeigneter ist.
• Bei der thermischen Umwandlung gehen je nach Verfahren und Nebenprodukten (Strom, Wärme, Naphtha) 30 bis 60 % der in der Biomasse gespeicherten Energie verloren. Der Treibstoffertrag pro Hektar ist damit nicht zwingend höher als bei anderen Biotreibstoffen und kann je nach Ausgangsmaterial und Verfahren stark schwanken.[1] Zudem ist der Aufwand für Ernte, Transport, Schreddern und anderes zu berücksichtigen.
• Da die Energiedichte der geplanten Ausgangsstoffe (Stroh, Schilf, Bambus, schnellwachsende Hölzer, …) gering ist, sind die zu verarbeitenden Volumen im Vergleich zu fossilen Energieträgern, aber auch zu langsam wachsenden Harthölzern deutlich größer.
• Die begrenzten Einzugsgebiete für die großvolumigen Ausgangsstoffe (Transportkosten) bedingen kleinere Erzeugereinheiten mit dadurch geringerer Effizienz.