Innovative Bioethanolerzeugung

Seit dem Jahr 2003 wird das Thema Bioethanolerzeugung als Schwerpunktthema am Lehrstuhl Energietechnik bearbeitet.

Ausgangspunkt und Motivation sind die Bestrebungen einen Beitrag zur Erzeugung von Biokraftstoffen und damit zur Verminderung der Nutzung fossiler Rohstoffe zu leisten. Durch die Verwendung heimischer Rohstoffe zur Bereitstellung von Biokraftstoffen können, neben der Verminderung des CO2-Ausstoßes, positive gesellschaftliche Effekte erzielt werden. Einerseits kann die Landwirtschaft gestärkt und damit ein wesentlicher Arbeitsmarkt erhalten werden. Des Weiteren kann durch die Verwendung von Biokraftstoffen die Abhängigkeit von Rohölimporten zumindest verringert werden.

Ein Vergleich verschiedener Rohstoffe zur Bioethanolerzeugung (Getreide, Mais, Zuckerrübe, etc.) liefert hinsichtlich der hektarbezogenen Erträge ein eindeutiges Ergebnis. Die Zuckerrübe liefert mit etwa 6000 Liter pro Hektar und Jahr die mit Abstand größte Menge Bioethanol. Zwar kann dieser beachtliche Vorteil durch Verzuckerung von Cellulose und damit der Gewinnung von Ethanol aus Faserbestandteilen der Stärkepflanzen abgeschwächt werden. Bedingt durch den sehr guten Energieeinbindungsgrad der Zuckerrübe wird ein Ausbeutevorteil aber erhalten bleiben.

Des Weiteren kann durch Verwendung der Ganzpflanze Zuckerrübe in einem geeigneten Bioethanolprozess mit energetischer Verwertung der anfallenden Reststoffe die Prozessenergie für die Ethanolgewinnung geliefert werden.

Ein zusätzliches Argument für die Verwertung von Zuckerrüben kommt schließlich aus der Landwirtschaft. Einerseits gibt es in Deutschland enorme Anbauerfahrungen und damit verbunden gesicherte Erträge auf einem hohen Ertragsniveau. Andererseits werden durch Umstrukturierungen im Zuckermarkt in Zukunft Kapazitäten auf dem Gebiet des Zuckerrübenanbaus für neue Anwendungsbereiche frei werden.

Auf Basis exergetischer Prozessanalysen konnte nachgewiesen werden, dass eine konventionelle Bioethanolproduktion auf Basis von Zuckerrüben aus energetisch-technischer Sicht sogar Vorteile gegenüber der Verwertung von Zuckerrohr hat. Zwar entsteht auf Grund unterschiedlicher klimatischer Anforderungen keine Konkurrenz zwischen diesen Kulturpflanzen. Dennoch zeigt dieser Vergleich, dass eine kritische Auseinandersetzung mit der Thematik Bioethanol aus Zuckerrüben sehr sinnvoll ist.

Durch systematische Überlegungen hinsichtlich der auftretenden Verluste im konventionellen Zuckerrübenprozess konnten Verbesserungspotenziale aufgezeigt werden. Ein wesentlicher Schritt ist dabei die direkte Verwendung der Zuckerrübe ohne eine Extraktion des Zuckersaftes, wodurch eine Verdünnung sowie der energetische und technische Aufwand der Extraktion vermieden werden. Dabei ist mit direkter Verwendung von Zuckerrüben die Zerkleinerung zu Schnitzeln und direkte Ethanolgärung in einer Feststofffermentation gemeint.

Neben der Feststofffermentation ist die Verwertung der Reststoffe in einer Biogasanlage wesentlicher Bestandteil des ausgearbeiteten Anlagenkonzeptes. Das „Dezentrale Anlagenkonzept“ verfolgt das Ziel einer kleintechnischen Erzeugung von Bioethanol in Anbindung an die Landwirtschaft, wie es im Biogasbereich üblich ist. Dadurch können die Transportwege verkürzt und der Stoffkreislauf geschlossen werden. Die Wertschöpfung bleibt bei der landwirtschaftlichen Bioethanolgewinnung im ländlichen Raum und trägt zum Wandel von der konventionellen Landwirtschaft zur Energielandwirtschaft bei.

Da zur Feststofffermentation nur wenig Erfahrungen und Erkenntnisse vorliegen konzentrieren sich die derzeitigen Arbeiten auf die Untersuchungen dieses Prozessschrittes in der Prozesskette Bioethanolerzeugung.

Hierzu wurde eine Versuchsanlage zur Bestimmung der hydrodynamischen Verhältnisse von Rübenschnitzelschüttungen aufgebaut. Ebenso werden Fermentationsversuche im Labormaßstab mit verschiedenen Mikroorganismen durchgeführt.

Ziel ist die Errichtung einer Feststofffermentationsanlage mit einer Verarbeitungskapazität von 50 kg Rübenfrischmasse.

Exergieflussbild Versuchsanlage
Exergiebilanz einer Bioethanolerzeugung aus Zuckerrüben (GJ) Versuchsanlage zur Untersuchung der Hydrodynamik von Rübenschnitzelschüttungen
Vergärung Zuckerrübe
Vergärung von Rübenschnitzeln in Laborflaschen Rohstoff Zuckerrübe

 

Verantwortliche Wissenschaftler:

Prof. Dr.-Ing. Dietrich Hebecker

Dipl.-Ing. Michael Schulz

 

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