Auto Technik Lexikon - Technik und Treibstoffe

Biodiesel

Biodiesel ist ein Kraftstoff mit aehnlichen Eigenschaften wie Diesel, wird jedoch nicht aus Erdöl, sondern aus Pflanzenöl gewonnen. Biodiesel ist daher ein erneuerbarer Energieträger. Chemisch handelt es sich um Fettsaeuremethylester (abgekuerzt auch FAME von engl.: fatty acid methylene ester).

Herstellung

Zur Herstellung wird das Pflanzenöl mit ca. 10 % Methanol und verschiedenen Katalysatoren versetzt. Bei Normaldruck und Temperaturen um 60°C werden die Esterbindungen der Triglyzeride des Pflanzenöls getrennt und die Fettsaeuren dann mit dem Methanol verestert. Das dabei entstehende Glycerin muss dann vom Biodiesel getrennt werden.
Durch diese Umrüstung hat das Endprodukt eine deutlich geringere Viskosität als das Pflanzenöl und kann, ohne den Motor anpassen zu müssen, als Ersatz für mineralischen Dieselkraftstoff verwandt werden.

Die uebergreifende Abkürzung aller Methylester auf Pflanzenoelbasis ist
• PME Pflanzliches Methylester nach DIN E 51606

Je nach Art des Grundstoffes wird beispielsweise unterscheiden:
• RME Rapsoelmethylester nach DIN E 51606
• SME Sojaoelmethylester oder Sonnenblumenmethylester

Daneben sind auch Methylester auf Fettbasis erhältlich:
• AME wird für Altfettmethylester verwendet
• FME Fett-Methylester aus sonstigen Pflanzen- und Tierstoffen nach DIN V51606

Für den Betrieb in modernen Dieselfahrzeugen sind - sofern vom Hersteller freigegeben - nur die rein pflanzlichen PME Produkte vorgesehen.
Die Schmiereigenschaften von FAME (auch als 5 % Beimischung) sind deutlich besser als Diesel, wodurch sich der Verschleiss der Einspritzmechaniken vermindert.
Nachteilig für Einspritzmechaniken ist die deutlich höhere Wasserloeslichkeit von Biodiesel. Dies beguenstigt die Korrosion.
Biodiesel stellt als Kompromiss eine Anpassung eines Kraftstoffs an vorhandene Motortechnik dar, wohingegen der technisch wesentlich verbesserte Elsbett-Motor eine Anpassung an den einfachst herstellbaren Kraftstoff Pflanzenöl darstellt.

Wenn man auf Biodiesel umstellen will, kann die Informationspolitik des Fahrzeugherstellers zum grossen Problem werden. Oft erhaelt man erst durch hartnaeckiges und zeitaufwendiges Nachfragen Auskunft, ob für den jeweiligen Fahrzeugtyp eine Freigabe für Biodiesel besteht - und obwohl es Biodiesel nun bereits seit mehr als 10 Jahren auf dem Markt gibt, sind die meisten Autos noch immer nicht serienmaessig RME-tauglich.
Wenn man ein nicht RME-festes Fahrzeug mit Biodiesel betankt, zersetzt dieser in kurzer Zeit die treibstofffuehrenden Schläuche und Gummidichtungen. Der Grund ist, dass Biodiesel chemisch die Eigenschaften eines Weichmachers hat, und Weichmacher ist auch in den Gummischlaeuchen enthalten, damit sie nicht sproede werden. Die Schläuche und Dichtungen werden daher durch den zusaetzlichen Weichmacher Biodiesel regelrecht "durchweicht".
Ein weiteres Problem stellt der Kraftstoffeintrag ins Motoröl bei direkteinspritzenden Dieselmotoren dar. Dieses Problem besteht meist dann, wenn der Motor wärend seiner Betriebsdauer mit langen Leerlauf- und Teillastphasen betrieben wird. Mit sinkender Spritzmenge sinkt auch die Zerstaeubungsqualitaet der Einspritzdüse, wodurch tendenziell mehr unverbrannte Kraftstofftroepfchen an die Zylinderwand und damit in den Schmierkreislauf gelangen. Da RME einen hohen Flammpunkt hat, duenstet es im heissen Motoröl praktisch nicht mehr aus, was zu einer schleichenden Erhöhung der Kraftstoffkonzentration im Motoröl führt. Nun kommt die mangelhafte chemische Stabilitaet des RME zum tragen: Durch hohe örtliche Temperaturen im Schmierkreislauf zersetzt sich RME allmaehlich (siehe auch Cracken, Verkokung, Polymerisation), was zu festen oder schleimartigen Rueckstaenden führt. Dies und die allgemeinen Verschlechterungen der Schmiereigenschaften des Motoroels bei hoher Kraftstoffkonzentration kann zu erhoehtem Motorverschleiss führen. Aufgrund dessen wird bei RME-Betrieb gelegentlich auch ein engerer oelwechselintervall empfohlen.
Ein Vorteil des RME kann sich im praktischen Einsatz in Kraftfahrzeugen auch als Nachteil auswirken: Die gute biologische Abbaubarkeit. Sie geht einher mit einer schlechten Alterungsbestaendigkeit. Bakterienbefall, Oxidation und Wasseranreicherung verschlechtern die Eigenschaften des RME nach langer Lagerung. RME wird deshalb für selten bewegte Fahrzeuge weniger empfohlen. ueberaltertes RME (bzw. RME schlechter Qualität) kann zu Korrosion und/oder erhoehtem Verschleiss an elementaren Teilen der Einspritzpumpe führen. Die Folgen sind Funktionsstoerungen und vorzeitiger Ausfall.
Neuere Motoren, die nicht RME-zertifiziert sind, können darüber hinaus auf Grund der anderen Verbrennung Probleme mit der Motorelektronik bekommen, die ja fest auf normalen Diesel eingestellt ist.
Erfahrungen im Nutzfahrzeugbereich zeigen, dass es nach mehrjaehrigem Verbrauch von Biodiesel zu Schaedigungen der Kraftstoffpumpe kommen kann. Auch Korrosionsschutzschichten wie Verzinkung können von Biodiesel angegriffen werden, das hat 1999 eine Untersuchung der Darmstaedter Materialpruefungsanstalt gezeigt. Kritisch war hierbei, dass Biodiesel leicht hygroskopisch wirkt, und dass in einem eventuellen Wassergehalt freie Fettsaeuren den pH-Wert senken. Durch eine Beimischung konventionellen Diesels wird dieser Effekt allerdings vollstaendig verhindert.
Für eine besser Akzeptanz von Biodiesel in der Bevoelkerung muss auch die Verbraucherinformation verbessert werden. Eine typische Frage ist z.B., ob man Biodiesel und normalen Diesel im Tank mischen kann und darf (technisch ist dies durchaus möglich, allerdings gibt es noch ungeklaerte Fragen bezueglich der Besteuerung). Seit Oktober 2003 ist die Norm für Biodiesel (EN 14214) europaweit in Kraft und hat damit die Vor-Norm V51 606 ersetzt.

Der Rohstoff Raps

Öl- und Fettmolekuele haben stets den gleichen Aufbau. Es sind Fettsaeure-Ester, und sie enthalten den dreiwertigen Alkohol Glycerin. Das Glycerinmolekuel ist auf diese Weise mit drei langen Fettsaeure-Ketten( zu fast 95%- C18-Ketten) verbunden.

Herstellung von Biodiesel aus Raps

Als Rohstoff für Biodiesel stellt sich unter europaeischen Verhaeltnissen Raps als die geeignete Pflanze mit einem oelgehalt von 40 bis 45 % dar. In der oelmuehle wird aus der Rapssaat Öl (Rueboel) gewonnen, der Rueckstand geht als Rapsschrot zu Weltmarktpreisen in die Futtermittelindustrie. Öl- und Fettmolekuele sind vom Aufbau her stets Fettsaeure-Ester, das heisst drei unterschiedlich lange Fettsaeure-Ketten sind mit je einem Glyzerin-Molekuel verbunden.

In der Umesterungsanlage tauschen wärend der einfachen chemischen Reaktion zwischen Rapsöl und Methanol in Gegenwart eines Katalysators das dreiwertige Glyzerin und der einwertige Methanol den Platz, und es entstehen drei einzelne Fettsaeuremethylester-Molekuele und ein Glyzerin -Molekuel.

Vor- und Nachteile für die Umwelt

Vorteile

Dieses Schema zeigt, dass es bei der Produktion von Biodieseln keine Abfallprodukte gibt, da alle Nebenprodukte dieser Reaktion weiterverwertet werden. Der Rapsschrot, der bei der Umwandlung von Rapskorn zu Rapsöl entsteht, wird als Futtermittel benutzt. Das bei der Umrüstung entstehende Glyzerin kann in der chemischen Industrie weiterverwertet werden.

Nachteile

Die Verwendung von Pflanzenschutzmittel für Raps wird zum Teil als problematisch für die Umwelt gesehen.
Raps ist bei der Erzeugung nicht selbstvertraeglich und muss in einem Fruchtwechsel angebaut werden. Das heisst, ein Anbau von Raps ist auf demselben Feld nur alle 3 bis 5 Jahre möglich. Aus diesem Grunde ist eine weitere Steigerung der Rapsproduktion schwierig.
Um mineraloelbasierte Kraftstoffe zu ersetzen, muessten mehrere 10000 Quadratkilometer Ackerland ausschliesslich mit Raps-Monokulturen bepflanzt werden. Eine Verlagerung ins Ausland führt zu einer aehnlichen Import-Abhängigkeit wie beim Mineralöl.

Abwaegung

Dennoch haben Pflanzenöl als Treibstoff deutliche Vorteile gegenüber konventionellen fossilen Treibstoffen. Die CO2-Bilanz ist immer günstiger als die konventionellen Dieseltreibstoffes, der auch erst durch Transport und Verarbeitung in Motoren eingesetzt werden kann. Auch die Problematik der Abhängigkeit von Importen ist bei Pflanzenölen deutlich unkritischer, da diese in weitaus mehr Laendern erzeugt werden können als dies bei Erdöl, das grossteils aus politisch unruhigen Regionen stammt, der Fall ist.

In einem geringern Ausmass gilt das auch für Biodiesel. Weitere Umweltwirkungen und Eigenschaften sind im Diesel-Rapsöl-Biodiesel-Vergleich dargestellt.

• Biodiesel wird aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt.
• Biodiesel ist schwefelfrei (<0,001 %)
• Biodiesel senkt deutlich die Russ-Emission (bis zu ca. 50 %)
• Biodiesel gibt bei der Verbrennung etwa soviel CO2 ab, wie Pflanzen beim Wachstum aufgenommen haben
• Biodiesel enthaelt kein Benzol und keine anderen Aromate
• Biodiesel verringert die Kohlenwasserstoff-Emission (bis zu ca. 40 %)
• Biodiesel ist biologisch leicht abbaubar und gefaehrdet bei Unfaellen nicht Boden oder Grundwasser
• Biodiesel ist kein Gefahrgut (sein Flammpunkt liegt bei mindestens 120°C, verglichen zu 60°C bei Diesel)
• Biodiesel besitzt eine hohe Schmierfaehigkeit und schont den Motor
• Biodiesel ist eine umweltfreundliche Alternative zu herkoemmlichem Diesel

Biodiesel verhält sich - im Vergleich zu herkoemmlichen Dieselkraftstoff - sehr aggressiv gegenüber einigen Motor- und Kraftstoffversorgungsteilen (Dichtungen, Einspritzdüsen, Einspritzpumpen, Schlaeuchen, mechanischen Bauteilen, Beschichtungen etc.). Sind diese Teile nicht auch speziell für die alternative Biodiesel-Verwendung ausgelegt, können sie angegriffen werden und es besteht die Gefahr von (mitunter sehr teuren) Schäden.

Checkliste für den zukuenftigen Anwender

• Beachtung der Freigabe von serienmaessigen Dieselmotoren (Hinweise der Hersteller beachten).
• Kraftstofffilter nach einigen ersten Tankfuellungen mit Biodiesel wechseln, da sich Biodiesel wie ein Loesungsmittel verhält und alte Verschmutzungen von Dieselkraftstoff geloest werden und den Filter so verstopfen können
• Lackflaechen, wie auch bei herkoemmlichem Diesel, sauber halten
• übliche Kontrolle des Kraftstoffsystems auf Leckagen
  

Probleme bei der Biodieselverwendung im Kfz

Es können geringe Leistungseinbussen (5 %) sowie geringfuegig erhoehter Treibstoffverbrauch auftreten (5 %). Dieser Effekt ist auf das geringere Gewicht von Biodiesel zurueckzufuehren, was den 5% in etwa entspricht. Fahrzeuge die zusaetzlich mit kraftstoffgespeisten Aggregaten ausgestattet sind (z. B. Standheizungen) dürfen nicht, oder nur mit Beimengungen (z. B. 50 %) von Biodiesel betankt werden. Biodiesel-Kraftstoffe haben die Eigenschaft, dass sie bei Temperaturen von -6°C Kristalle bilden, die zu einer Truebung führen können, ab -10°C werden diese Kristalle so gross, dass sie die Kraftstofffilter verstopfen können. Doch dieses Problem lässt sich lösen, indem man dem Kraftstoff Additive zugibt, diese sorgen dafuer, dass die gebildeten Kristalle so klein bleiben, dass sie den Kraftstofffilter passieren können. Insbesondere Common Rail Dieselmotore scheinen mit Biodiesel Probleme zu haben.

Marktchancen von Biodiesel

Biodiesel entsteht durch eine sehr einfache chemische Reaktion. Die Vorteile gegenüber dem normalen Diesel für die Umwelt liegen auf der Hand: Biodiesel aus Raps weist deutlich geringere Abgaswerte auf als fossiler Kraftstoff. Der Russausstoss wird halbiert, Kohlenwasserstoffe bis zu 40 Prozent reduziert. Biodiesel enthaelt fast keinerlei Schwefel, ist ungiftig und biologisch leicht abbaubar. Der Biodiesel gilt damit derzeit als einer der umweltvertraeglichsten Kraftstoffe auf dem Markt. Obwohl heutzutage an sehr vielen Tankstellen (1700 Tankstellen deutschlandweit) Biodiesel getankt werden kann, wird dies von viel Konsumenten jedoch nicht genutzt. Dies hat mehrere Gruende: Viele Autofahrer vertrauen dem neuen Kraftstoff nicht, da sie sich mit der Vorstellung, mit einem rein pflanzlichen Kraftstoff zu fahren, nicht anfreunden können. Ein anderes Problem ist, dass viele nicht genau wissen, ob ihr Auto überhaupt mit Biodiesel betankt werden darf, oder ob es für ihren Motor schaedlich ist.

Mangelnde Informationen der Verbraucher duerfte das groesste Problem sein bezueglich einer breiteren Akzeptanz des Biodiesels. Wenn sich der Biodiesel in den naechsten Jahren staerker durchsetzten soll, sollten die Autofahrer über den Biodiesel aufgeklaert werden, denn früher oder später müssen wir auf alternative Rohstoffe zum Erdöl zurueckgreifen, da ja bekannt ist, dass die Vorraete des Erdoels irgendwann zu Ende gehen werden. Doch auch wenn alle Anbauflaechen von Biodiesel ausgenutzt werden wuerden, könnte man lediglich rund 5 bis 10 % des Kraftstoffverbrauchs damit decken. Europaweit ist auch des oefteren von ueberlegungen zu hoeren, dem herkoemmlichen Dieseltreibstoff in Zukunft ca. 3 bis 5 % Biodiesel hinzuzufuegen, da dieser Biodiesel-Anteil auch für nicht vorbereitete Fahrzeuge als unbedenklich gehandelt wird. In Frankreich wird dies seit laengerem praktiziert: dem gewoehnlichen Diesel wird genau diejenige Menge Biodiesel beigemischt, die die franzoesische Landwirtschaft in der Lage ist zu produzieren. Dadurch werden technische Nachteile (Korrosion, Aufweichen s.o.) vermieden und der faktische Marktanteil des Biodiesels ist deutlich höher als in Deutschland. Biodiesel verbessert hier die Eigenschaften des mineralischen Diesels, indem die Cetan-Zahl gesenkt wird, die Schmierfaehigkeit des Kraftstoffs erhöht wird und die Verbrennung aufgrund des Sauerstoffanteils verbessert wird.

Alternativen zu Biodiesel

Dabei ist noch zu erwaehnen, dass es auch eine geeignete Alternative zu Biodiesel gibt. Ohne hohen Aufwand für die Veresterung kann man ebenfalls reines Pflanzenöl, sogenanntes Poel, als Kraftstoff verwenden. Dazu müssen die Motoren mit Hilfe von Umbausaetzen auf diesen Kraftstoff eingestellt werden. Zwar sind alle Dieselmotoren grundsaetzlich auch zur Fettverbrennung geeignet, problematisch war früher aber das physikalische Verhalten der Pflanzenöle wegen ihrer Dickfluessigkeit. Dieses Problem wurde durch Vorwaermemechanismen in der Einspritzpumpe sowie durch Verbreiterung der Kraftstoffzuleitungen bereits geloest. Pflanzenoelfahrzeuge bleiben auch im Winter voll fahrtuechtig, wenn ca. 10% normales Dieseloel zugemischt werden. Wichtig ist die Qualität des verwendeten oels: Es dürfen nur kaltgepresste, reine Pflanzenöle nach der Weihenstephaner Norm verwendet werden. Die Verwendung von minderwertigen oelen, oder Altoel, kann zum Motorschaden führen. Mittlerweile sind in Deutschland und Österreich bereits einige tausend mit Pflanzenöl betriebene Fahrzeuge unterwegs.

Politik

Die Europäische Union hat in ihrer Biokraftstoff- Richtlinie festgelegt, dass alle Mitgliedsstaaten bis zum Jahr 2005 den Kraftstoffen zwei Prozent Biodiesel und bis 2010 5,75 Prozent zumischen sollen. In Deutschland darf normaler Diesel schon seit 2004 mit bis zu 5 Prozent gestreckt werden. Darueber hinaus ist er bis 2009 von der Mineralölsteuer befreit.

Deutschland ist gegenwaertig der weltweit groesste Markt mit einer Erzeugerkapazitaet von zwei Millionen Tonnen in 2005. In Deutschland werden 1,3 Millionen Hektar Raps angebaut und in Zukunft könnte als weitere grosse Quelle für Biodiesel Biomasse dazukommen. Aus Sicht des Umweltschutzes waere das eine Verbesserung, da der Rapsanbau Duenger und Pflanzenschutzmittel benötigt.

Zur Erinnerung an den 10. August 1893, an dem der von Rudolf Diesel in Augsburg entwickelte Dieselmotor zum ersten Mal aus eigener Kraft lief, ist der 10. August der International Biodiesel Day.

Absatzzahlen von Biodiesel in Deutschland:

• 2001 163,2 Mill. Liter
• 2002 189,6 Mill. Liter
• 2003 360,2 Mill. Liter
• 2004 376,6 Mill. Liter (erhältlich an 1900 Tankstellen)

Die Anbauflaeche in Deutschland betrug Ende 2003 700.000 Hektar