Anbau von Ölpflanzen in den Tropen und Subtropen für die Herstellung biogener Kraftstoffe - Am Beispiel des südlichen Afrikas

Masterarbeit , 2008 , 107 Seiten , Note: 1,7

Umweltwissenschaften

1. Einleitung 1.1 Problemstellung Derzeit befinden wir uns im grundlegenden Wandel unserer Energieversorgung. Da der Bedarf stetig steigt, die fossilen Ressourcen schwinden und der globale Klimaschutz eine deutliche Reduktion der Treibhausgasemissionen erfordert, steht die globale Energiepolitik vor einer Umstrukturierung der Energieversorgung. Weltweit betrachtet haben wir heute einen Primärenergieverbrauch von rund 450 EJ, wobei das Erdöl (40,9 % am PEV) der weitaus bedeutendste Energieträger ist, vor allem im Heiz- und im Verkehrssektor, und wie kein anderer im so erheblichem Maße die Geschehnisse auf unserer Erde beeinflusst [86]. Im Bereich Verkehr und Mobilität ist derzeit und wohl auch längerfristig die Biomasse die aussichtsreichste regenerative Energiequelle, die es annäherungsweise vermag die konventionellen fossilen Kraftstoffe wie Diesel, Benzin und Kerosin zu substituieren. Während die so genannten „Kraftstoffe der 2. Generation“ (BTL, Wasserstoff) sich gerade erst in der Einführungsphase befinden und ihre Etablierung noch durch technische sowie wirtschaftliche Defizite erschwert wird, erscheinen vorerst nur die „Kraftstoffe der 1. Generation“ wie Biodiesel und Bioethanol als Kraftstoffsubstitut im großen Maßstab in Frage zu kommen. Hierzu gehören biogene Kraftstoffe auf Basis von Pflanzenölen (Biodiesel) sowie auf Basis von stärke- und zuckerhaltigen Pflanzen (Bioethanol). Der entscheidende Vorteil dieser Kraftstoffe ist, dass sie zum einen CO2-neutral und zum anderen regenerativ sind, im Gegensatz zu fossilen Energieträgern. Das heißt, dass der biogene Treibstoff nicht zusätzlich die Atmosphäre mit CO2 anreichert, weil er bei der Verbrennung nur den Kohlenstoff an die Atmosphäre abgibt, den er zuvor über die Photosynthese aufgenommen hat. Außerdem ist diese Art von Kraftstoff immer wieder erneuerbar und unterliegt keiner Knappheit, sofern immer genug Licht, Wasser, CO2 und Mineralstoffe vorhanden sind.

1. Einleitung

1.1 Problemstellung

Derzeit befinden wir uns im grundlegenden Wandel unserer Energieversorgung. Da der Bedarf stetig steigt, die fossilen Ressourcen schwinden und der globale Klimaschutz eine deutliche Reduktion der Treibhausgasemissionen erfordert, steht die globale Energiepolitik vor einer Umstrukturierung der Energieversorgung. Weltweit betrachtet haben wir heute einen Primärenergieverbrauch von rund 450 EJ, wobei das Erdöl (40,9 % am PEV) der weitaus bedeutendste Energieträger ist, vor allem im Heiz- und im Verkehrssektor, und wie kein anderer im so erheblichem Maße die Geschehnisse auf unserer Erde beeinflusst [86].

Im Bereich Verkehr und Mobilität ist derzeit und wohl auch längerfristig die Biomasse die aussichtsreichste regenerative Energiequelle, die es annäherungsweise vermag die konventionellen fossilen Kraftstoffe wie Diesel, Benzin und Kerosin zu substituieren. Während die so genannten „Kraftstoffe der 2. Generation“ (BTL, Wasserstoff) sich gerade erst in der Einführungsphase befinden und ihre Etablierung noch durch technische sowie wirtschaftliche Defizite erschwert wird, erscheinen vorerst nur die „Kraftstoffe der 1. Generation“ wie Biodiesel und Bioethanol als Kraftstoffsubstitut im großen Maßstab in Frage zu kommen. Hierzu gehören biogene Kraftstoffe auf Basis von Pflanzenölen (Biodiesel) sowie auf Basis von stärke- und zuckerhaltigen Pflanzen (Bioethanol).

Der entscheidende Vorteil dieser Kraftstoffe ist, dass sie zum einen CO2-neutral und zum anderen regenerativ sind, im Gegensatz zu fossilen Energieträgern. Das heißt, dass der biogene Treibstoff nicht zusätzlich die Atmosphäre mit CO2 anreichert, weil er bei der Verbrennung nur den Kohlenstoff an die Atmosphäre abgibt, den er zuvor über die Photosynthese aufgenommen hat. Außerdem ist diese Art von Kraftstoff immer wieder erneuerbar und unterliegt keiner Knappheit, sofern immer genug Licht, Wasser, CO2 und Mineralstoffe vorhanden sind.

Der Anbau von Energiepflanzen hat weltweit gesehen ein sehr hohes Potential, da es vor allem noch in den Schwellen- und Entwicklungsländern große Agrarflächen gibt, die nur zum Teil oder uneffizient bewirtschaftet sind. Folgende Rechnung soll das weltweit energetische Potential von Ölpflanzen verdeutlichen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Setzt man einen durchschnittlichen Ölertrag von rund 2.000 l/ha (Anmerkung: Rapsölertrag bis zu 1.500 l/ha, Palmölertrag bis zu 6.000 l/ha) so kann man die erforderliche Fläche errechnen, die man braucht damit die Menge an Erdöl vollständig substituiert werden kann.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das heißt also, dass man rund 14,4 % der zur Verfügung stehenden Landflächen auf der Erde für den Anbau von Ölpflanzen benötigen würde, sofern sich die Weltbevölkerung und deren Nachfrage nach Erdöl nicht verändern würden. Bezogen auf die Ackerfläche auf der Erde würden wir sogar mehr Fläche benötigen als überhaupt zur Verfügung steht. Dieses Rechenbeispiel ist natürlich rein hypothetisch anzusehen, da ein Großteil der Landflächen (Wälder, Wüsten, Gebirge,...) nicht für agrarwirtschaftliche Zwecke zur Verfügung stehen. Des weiteren können auch nicht alle potentiellen Agrarflächen mit „Energiepflanzen“ angebaut werden, da diese zum Großteil für die Ernährung der Menschheit benötigt werden. Allerdings bekommt man durch dieses Beispiel eine Vorstellung über die Größenordungen über die gesprochen wird.

Aus verschiedenen Gründen gerät heute der Anbau von Energiepflanzen zunehmend in die öffentliche Kritik, die Ursache für verschiedene Missstände auf der Erde zu sein. Zu diesen Missständen zählen vor allem die Lebensmittelknappheit auf unserer Erde und die daraus resultierenden Hungersnöte bzw. die steigenden Rohstoffpreise (Getreide, Fleisch,...) als auch die Abholzung von Regenwäldern und die Dezimierung der Tier- und Pflanzenvielfalt. Hierbei werden allerdings auch viele andere wichtige Aspekte außen vor gelassen, die große wirtschaftliche, ökologische und soziale Auswirkungen haben aber nur selten beim Namen genannt werden. Dies ist zum einem das fortschreitende Bevölkerungswachstum (ca. 80 Mio. Menschen pro Jahr) auf unserer Erde und der damit gekoppelten zusätzlichen Nachfrage nach Ressourcen [84]. Zudem kommen auch die veränderten Lebensweisen und Essgewohnheiten von Menschen aus Schwellenländern wie China und Indien, die vermehrt nach tierischen Lebensmitteln nachfragen. So werden z.B. 30 % der weltweit genutzten Agrarflächen für die Massentierhaltung angebaut. Für die Kultivierung von Energiepflanzen werden noch nicht einmal 2 % der Agrarflächen beansprucht [19]. Weitere Aspekte die ebenfalls große globale Auswirkungen haben sind auch Spekulationen an den Rohstoffbörsen, der Verlauf des Erdölpreises und klimatische Veränderungen und Folgen wie z.B. Wasserknappheit, extreme Dürreperioden und die daraus resultierenden Missernten. Hieraus wird ersichtlich, dass nicht allein bzw. zu einem geringen Anteil der Anbau von Energiepflanzen für diese globalen Entwicklungen verantwortlich ist. Beim derzeitigen Stand und Entwicklung ist ein Flächenkonflikt zwischen Energie- und

Lebensmittelpflanze wohl nicht vermeidbar, wenn auch künftig die Energieversorgung auf etwa gleichem Niveau sichergestellt werden soll. Es ist weniger eine Frage ob „Tank oder Teller“ sondern vielmehr „Tank und Teller“, weil beides benötigt wird. Deshalb erscheint der Anbau von Energiepflanzen, worunter auch die Ölpflanzen zählen, für energetische Zwecke eine Notwenigkeit für die Zukunft.

Gerade im Bereich der Pflanzenöle gibt es eine Fülle an verschieden Pflanzenarten zu geben, die sich in vielen Parametern unterscheiden. Je nach Anwendungszweck, Anbaugebiet, Klima, Bodenqualität, Nebenprodukte, etc. können verschiedenste Pflanzen sinnvoll sein um kultiviert zu werden. In den warmen Ländern unserer Erde, begünstigt durch die hohe Sonneneinstrahlung, werden etwa 85 % der Ölfrüchte produziert [8]. Die Produktion von Pflanzenölen nimmt weltweit eine immer bedeutendere Rolle ein und hat innerhalb des letzten Jahrzehnts um 50 % auf rund 122 Mio. t im Jahr 2006/07 zugenommen. Für diesen Anstieg sind insbesondere Palmöl (+ 96 %) und Sojaöl (+ 47 %) verantwortlich [21].

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Palmöl Sojaöl Rapsöl Sonnenblumenöl Erdnussöl Baumwollsaatöl Palmkernöl Kokosöl

Abb. 1 Weltweite Produktion von Pflanzenölen [21]

Zukünftig ergibt sich nun die Möglichkeit und Chance, das Flächen- und Rohstoffpotential in den Entwicklungsländern mit dem technologischen „Know How“ aus den Industrieländern zu koppeln. Hieraus ergibt sich insbesondere eine große Chance für die Entwicklungs- und Schwellenländer dieser Erde sich aufgrund ihres Potentials weiterzuentwickeln. Schließlich ist die Versorgung mit ausreichender Energie die Grundvoraussetzung einer modernen Gesellschaft. Aufgrund dessen soll in dieser Arbeit herausgearbeitet werden, welche Ölpflanzen geeignet sind, insbesondere in Hinblick auf semiaride und aride Gegenden, angebaut zu werden um aus ihnen biogene Kraft- und Treibstoffe zu gewinnen.

1.2 Zielsetzung

Die folgende Arbeit soll dem Leser einen detaillierten Überblick geben, über die Möglichkeit ölhaltige Pflanzen im südlichen Afrika anzubauen. Diese Pflanzen und deren Öle sollen hauptsächlich auf ihre ökologische und physikalische, und wenn möglich auch auf ihre ökonomische Eignung hin zur Nutzung als biogenen Kraftstoff bewertet werden. Da man auf diesem kontinentalen Abschnitt eine große Spannbreite von verschiedenen Klimazonen vorfindet kann man dieses Modell zugleich auch auf andere Länder übertragen, die sich vor allem im tropischen und subtropischen Raum befinden. Im Hinblick auf die aktuelle Diskussion über den Konflikt von Energie- und Lebensmittelpflanzen soll in folgenden Kapiteln verstärkt auf die Nutzung von Ölpflanzen eingegangen werden, die auch in ariden und semiariden Gebieten wachsen. Da es derzeit schon einige Erfahrungen hinsichtlich des Anbaus der Purgiernuss (Jatropha curcas) gibt, soll hier auch am intensivsten auf die Kultivierung dieser Pflanze eingegangen werden. Des weiteren werden in dieser Ausarbeitung noch andere trockenresistente Ölpflanzen wie Jojoba, Moringa oleifera und Pongamia pinnata betrachtet, wobei es mittlerweile Bemühungen und bereits Erfahrungen gibt diese Pflanzen bzw. deren Öle als Kraftstoffquelle zu nutzen. Außerdem sollen auch der Anbau der Kokospalme, Ölpalme und der Sonnenblume zwecks Biokraftstoffnutzung beschrieben werden, da diese Pflanzen auch im südlichen Afrika vorkommen und kultiviert werden. Als Referenzkraftstoff soll der Raps und sein Öl als erstes in dieser Arbeit beschrieben werden, damit man später die Unterschiede zwischen dem Anbau von Ölpflanzen in den gemäßigten Zonen und in den Tropen und Subtropen besser ersehen kann. Um diese Zielsetzung zu erreichen wird in der vorliegenden Arbeit folgendermaßen vorgegangen.

Nach der einleitenden Einführung und Problemstellung im ersten Kapitel soll im zweiten Kapitel die chemische Struktur von Pflanzenölen sowie ihre physikalischen Eigenschaften untersucht werden. Dies ist sehr wichtig, da nicht jedes Pflanzenöl überall gleich gut geeignet ist, um als Kraftstoff eingesetzt zu werden. Im dritten Abschnitt werden der Referenzkraftstoff bzw. -pflanze, die Ölgewinnungsverfahren, die Biodieselherstellung sowie die Qualitätsanforderungen an den Kraftstoff beschrieben. Zusätzlich werden hier die wichtigsten Qualitätsparameter des Biokraftstoffs aufgeführt und ihre Bedeutung erläutert. Darauf aufbauend werden im vierten Kapitel die verschiedenen Ölpflanzen hinsichtlich ihrer Charakteristik, ihres Anbaus, ihrer Erträge und Ölqualitäten als auch ihrer ökonomischen Eignung beschrieben, sofern dies möglich ist. In diesem Abschnitt soll der Schwerpunkt dieser Arbeit liegen. Im fünften Kapitel wird dann das Projekt „SABIO“ der Alensys AG und die dazugehörige Biodieselanlage sowie dessen Verfahren erläutert. Hieran schließen sich im sechsten Kapitel die Diskussion der wichtigsten Ergebnisse an sowie eine abschließende Zusammenfassung mit einem Ausblick im siebten Kapitel.

2. Chemische Struktur und Eigenschaften von Pflanzenölen

Fette und Öle sind im Grunde genommen das Gleiche, sie unterscheiden sich lediglich in ihrem Aggregatzustand. Fette sind bei den üblichen Außentemperaturen fest, wobei Öle sich immer im flüssigen Zustand befinden. Je nach Klima eines Landes wird die Bezeichnung ausfallen. Beispielsweise wäre in Mitteleuropa das Öl der Kokospalme im festen Zustand, sodass man es hierzulande auch Kokosfett bezeichnet. Fette kommen bei Menschen und Tieren meist im Fettgewebe vor, bei Pflanzen vor allem in Früchten und Samen. Sie entstehen im tierischen und pflanzlichen Organismus durch Umwandlung von Kohlenhydraten [7]. Reine Fette sind farb-, geruch- und geschmacklos, bei längerer Aufbewahrung an der Luft resultieren jedoch chemische Veränderungen und Fette werden ranzig. In dieser Arbeit sollen aber lediglich Öle pflanzlicher Herkunft betrachtet und ausführlich beschrieben werden.

Chemisch gesehen sind Pflanzenöle Carbonsäureester. An einem Alkohol, dem Glycerin, hängen drei Fettsäuren (Triglycerid). Die einzelnen Ölpflanzen haben jeweils ein ganz charakteristisches Fettsäuremuster. Aufgrund der verschiedenen Kettenlängen (Anzahl der Kohlenstoffatome pro Fettsäuremolekül) der Fettsäuren, der Anzahl und Stellung der Doppelbindungen, sowie der Anwesenheit von weiteren Komponenten wie z.B. freie Fettsäuren oder Tocopherolen (Vitamin E), gibt es sehr große Unterschiede zwischen den Pflanzenölen hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften. Die Bindungen zwischen den Kohlenstoffketten können gesättigt sein, d.h. an jedem der vier Bindungsstellen des C-Atoms hängt ein weiteres Atom. Bei ungesättigten Bindungen entstehen Doppelbindungen zwischen den C-Atomen.

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Abb. 2 Darstellung eines Triglycerid [ 3 ]

Interessant ist, dass die Pflanzenöle genetisch bedingt verschiedene Fettsäuren in jeweils charakteristischer Konzentration enthalten. Dieses Fettsäuremuster bestimmt maßgeblich die Kraftstoffeigenschaften und -qualitäten wie z.B. die Viskosität, Dichte, Flammpunkt und Oxidationsstabilität des Pflanzenöls. Fettsäuren werden oft auch als Kurzformel beschrieben. Beispielsweise bedeutet die Bezeichnung C 18:1 (Ölsäure), dass diese Fettsäure 18 Kohlenstoffatome mit einer Doppelbindung (einfach ungesättigt) enthält.

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Tabelle 1 Durchschnittliche Fettsäurezusammensetzung (in Mass.-%) von Pflanzenölen folgender Ölpflanzen [5,6,2]

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- Fettalkohole (Octadeconol, Eicosenol, Docosenol, Tetracosenol)

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Je größer die Zahl der C-Atome, desto höher ist auch der Schmelz- und Siedepunkt. Dies kann man gut am Beispiel einiger Energieträger erkennen. Während Erdgase wie z.B. Methan und Butan (1 bzw. 4 C-Atome im Molekül) einen Siedepunkt < 20 °C aufweisen, so liegt der Siedepunkt von Rohbenzin (C5 - C10) bei 40 - 205 °C sowie der des Diesels (mehr als 12 C-Atome) bei über 275 °C [1]. Je mehr Doppelbindungen die Fettsäuren enthalten, desto tiefer liegt der Schmelzpunkt der Öle bzw. der Fette. Da ungesättigte Fettsäuren immer Z-Doppelbindungen enthalten und solche Moleküle an den Doppelbindungen gebogen sind, ordnen sich die Teilchen im Vergleich zu den stäbchenförmigen gesättigten Fettsäuren erst bei tieferen Temperaturen regelmäßig an [3]. Aus dieser Tatsache erklärt sich auch warum Butter bei kühleren Temperaturen eine immer härtere Konsistenz hat als die Margarine auf Pflanzenölbasis. Die Butter besteht ausschließlich aus tierischen Fetten (Milchrahm), wobei diese wiederum zum Großteil aus kurzkettigen Fettsäuen bestehen, die gesättigt sind.

Zu den wichtigsten großtechnisch durchgeführten Reaktionen in der Fettchemie zählt die so genannte „Fetthärtung“. Darunter versteht man katalytische Hydrierung der olefinischen Doppelbindungen ungesättigter Fettsäuren, z.B. die Hydrierung von Ölsäure zu Stearinsäure. Diese von Wilhelm Normann im Jahre 1902 entdeckte Hydrierung, die in Gegenwart von Nickelkatalysatoren unter ca. 50 bar und bis zu 180 °C in flüssiger Phase durchgeführt wird, hat insbesondere für die Herstellung von Speisefetten große Bedeutung erlangt [4]. Sie ermöglicht die Umwandlung von Ölen, die reich an ungesättigten Fettsären sind, in Fette mit höheren Schmelzpunkt.

Tabelle 2 Korrelation zwischen Sättigungsgrad und Schmelzpunkt des Pflanzenöls [3]

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Für praktische Zwecke unterteilt man Pflanzenöle in sieben Hauptgruppen, die in folgender Tabelle 3 veranschaulicht werden.

Tabelle 3 Unterteilung der Pflanzenölgruppen [2, 8 ]

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Öle bzw. Fette der Laurinsäuregruppe (Gruppe 1) werden wegen des sehr niedrigen Anteils ungesättigter Fettsäuren nicht ranzig. Diese Öle sind deshalb am oxidationsstabilsten, da etwaige Reaktionspartner wie z.B. Sauerstoff keine Möglichkeit haben sich an den Doppelbindungen im Fettsäuremolekül anzulagern. Ihre wichtigste Verwendung finden sie deshalb und wegen ihres hohen Schmelzpunktes in Dauerbackwaren. Die chemische Industrie verwendet ihre kurzkettigen Fettsäuren (C10 - C14) für Detergentien [2]. Detergentien sind organisch-chemische Verbindungen, die die Grenzflächenspannung wässriger Lösungen herabsetzen und deshalb als Bestandteil von z.B. Wasch- und Reinigungsmitteln sind [7]. Diese kurzkettigen Fettsäuren sind auch der Grund, dass Seifen aus Palmkernölen besonders gut reinigen.

Auch die Gruppe 2 (Pflanzenbutter) hat einen hohen Anteil gesättigter Fettsäuren und wird deswegen kaum ranzig. Ihr Schmelzpunkt (32 - 35°C) macht sie geeignet für Konfekt, das im Mund zergehen soll und für pharmazeutische Präparate (Zäpfchen) [8]. Im Welthandel spielt Kakaobutter eine große Rolle, sie ist eines der teuersten Pflanzenfette. Wenn Kakaobutter knapp ist, werden auch andere Fette dieser Gruppe genutzt.

Die Gruppen 3 und 4 stellen die größte Zahl der regelmäßig kommerziell genutzten Pflanzenöle dar. Die Trennung zwischen beiden Gruppen ist nicht ganz einfach, da der Anteil an einzelnen Fettsäuren aufgrund äußerer Bedingungen teilweise stark variieren kann. Sesamöl z.B. enthält in etwa gleiche Mengen Öl- und Linolsäure. Sind jedoch die Temperaturen während der Samenbildung eher kühl, so steigt der Anteil an Linolsäure. Nachdem die gesundheitsfördernde Wirkung mehrfach gesättigter Fettsäuren erkannt war (etwa ab 1950), stieg das Interesse an Ölen der Linolsäuregruppe stark an [8].

Alle Brassicaceenöle enthalten Erucasäure, wie in Gruppe 5 ersichtlich ist. Da Erucasäure jedoch nachteilige Auswirkungen auf die Gesundheit hat, züchtet man heute erucasäurefreie Sorten (Raps 00). Die Öle finden Anwendung als Schmiermittel, Waschmittel („Schaumbremse“), und in der Kunststoffindustrie zur Herstellung von Spaltprodukten der Erucasäure wie z.B. Brassicasäure und Pelargonsäure [2].

Die Öle der Gruppe 6 sind weniger stabil als die der Gruppen 1 bis 4. Von wirtschaftlicher Bedeutung sind lediglich Lein und Soja. Aufgrund des hohen Anteils an Linolensäure (drei Doppelbindungen) ist das Fettsäuremolekül sehr reaktiv, sodass es unter Anwesenheit von Luft sehr schnell trocknet bzw. es zu Oxidationsprodukten (Ablagerungen im Pflanzenöl) kommt. Deshalb verwendet man Lein- und Sojaöl auch gerne für Druck- und Malfarben, Lacke, Anstrichmittel, etc. Für diesen Zweck werden Öle, Fette und Wachse in die Kategorien Nicht-Trocknend (JZ von 75 - 100), Halbtrocknend (JZ von 100 - 150) und Trocknend (JZ von 150 -190) eingestuft [2].

In der Gruppe 7 werden Pflanzenöle beschrieben, die einen hohen Gehalt an Elaeo- stearinsäure enthalten. Dadurch trocknen diese Öle sehr schnell und ergeben harte, wetterbeständige Anstriche. Allerdings können diese Öle ausschließlich für technische Zwecke eingesetzt werden. Je höher der Grad der Ungesättigtheit, desto reaktionsfreudiger ist auch die Fettsäure. Bezüglich einer motorischen Nutzung des Pflanzenöls ist also ein hoher Gehalt an Linol- und Linolensäure zu vermeiden. Als günstiger Kompromiss hat sich für motorische Anwendungen die Ölsäure (18:1) herausgestellt [14].

3. Allgemeine Beschreibung der Biokraftstoffherstellung anhand des Raps

3.1 Kultivierung von Raps

3.1.1 Anbauziele und Charakteristik des Raps

Ölraps (Brassica napus) wird als „Nachwachsender Rohstoff“ hauptsächlich für die Produktion von naturbelassenen Rapsöl und Rapsmethyester (RME), dem so genannten Biodiesel, angebaut. Andere große Anwendungsbereiche sind vor allem die Lebens- mittelindustrie sowie der Einsatz des Rapsöls als Schmierstoff. Derzeit werden in Deutschland etwa 1,5 Mio. ha mit Raps bewirtschaftet, von insgesamt ca. 12 Mio. ha zur Verfügung stehender Ackerfläche [11]. In Deutschland ist fast ausschließlich Winterraps vorzufinden, der Anbau von Sommerraps spielt nur eine sehr untergeordnete Rolle. Der Raps bildet im Laufe der Vegetation mehrere Schoten, in denen sich die ca. 2 mm großen Samen befinden. Der Ölgehalt der Samen beträgt ca. 42 %[2].

Ziel ist ein möglichst hoher Ölgehalt im Rapskorn bei gleichzeitig niedrigem Gehalt an Gamma-Linolensäure (GLS). Ursprünglich enthielt Rapsöl größtenteils Erucasäure und erhöhte Anteile an Glucosinolate [9]. Da diese Komponenten, wie bereits beschrieben, gesundheitsschädliche Auswirkungen für Mensch und Tier zur Folge haben, hat man durch Züchtung andere Sorten erschlossen. Für den heutigen Anbau kommen die Doppelnull-(00)- Sorten in Frage. Die Doppelnull steht für die Nichtanwesenheit von Erucasäure als auch für den geringen Glucosinolatgehalt im Öl. Aufgrund dessen ist somit auch der übrig bleibende Presskuchen bzw. das Extraktionsschrott zur Tierfütterung besser geeignet.

In Deutschland wird der Raps meist als erste Frucht der Herbstbestellung gegen Mitte August ausgesät. Er bildet bis zum Winter eine geschlossene Pflanzendecke und schützt die Bodenoberfläche vor Erosion. Im Boden befindliche Pflanzennährstoffe werden über den Winter in der Pflanze gebunden. Der Raps bildet eine bis zu 1,20 m lange Pfahlwurzel und ist so in der Lage, Nährstoffe auch aus tiefen Bodenschichten aufzunehmen. Im Durchschnitt erwirtschaftet man auf einem Hektar ca. 3 t Rapssamen, 10 t Stroh sowie 3 t Wurzeln und Stoppeln pro Jahr. Aus den 3 t Rapsamen erhält man je nach Ölgewinnungsverfahren um die 1.200 kg Rapsöl [1]. Die daraus resultierenden Rückstände in Form von Rapskuchen und

-extraktionsschrot (ca. 2,6 Mio. t/a in Deutschland) werden überwiegend als Proteinquelle zur Tierfutterbeimischung eingesetzt [12]. Durch die hohe, Blatt- und Strohmasse fördert die Rapspflanze die Strukturbildung und die biologische Aktivität im Boden.

Das erntbare Stroh könnte alternativ auch als Brennstoff dienen. Allerdings würde man so bei nicht regionaler Nutzung die Nährstoffe vom Acker Stück für Stück hinaustragen, wobei man dies später durch teuren Dünger wieder kompensieren müsste. Des weiteren ist dieser

Nutzungspfad in Frage gestellt, da der Raps als Halmgewächs einen relativ hohen Chlorgehalt hat, der bei der Verbrennung teilweise zur Salzsäure oxidiert und dies die Aggregate im Verbrennungsofen angreifen würde.

3.1.2 Standortanforderungen

Damit hohe und qualitativ hochwertige Erträge geerntet werden können, muss der Raps tiefgründige und gut durchwurzelbare Böden mit einer ausreichenden Wasserversorgung über die gesamte Vegetationszeit vorfinden. Für hohe Erträge sind Niederschlagsmengen von 600 - 800 mm/a erforderlich [85]. Besonders geeignet sind Lehmböden. Bei ausreichenden Niederschlägen eignen sich auch schwere Böden und humose Sandböden mit günstiger Nährstoffversorgung. Weniger geeignet sind sehr tonige Böden mit Neigung zur Staunässe, da eine termingerechte Bodenbearbeitung und ein feinkörniges Saatbett oft schwierig zu realisieren sind. Ebenso sind sehr leichte oder flachgründige Böden riskant, da bei Trockenperioden mit Ernteausfällen zu rechnen ist. Moorböden sind wegen der Spätfrostgefahr für den Anbau von Winterraps ungeeignet [9]. Nur mit einer guten Jugendentwicklung verträgt der Raps auch Kahlfröste von - 15 °C bis - 20 °C. Unter einer Schneedecke werden auch noch tiefere Temperaturen toleriert. Abhängig von der Bodenart bevorzugt Raps einen pH-Wert von 6,4 bis 7,5 [9]. Auf mittleren und schweren Böden ist eine Kalkgabe vor dem Rapsanbau empfehlenswert. An dieser Stelle soll ein kurzer Exkurs zum Thema „Boden“ erfolgen um dem Leser einen besseren Überblick über die Verschieden- heiten der Böden zu geben. Auf diese Weise kann im späteren Kapitel 4 besser nachvollzogen werden, welche Ansprüche die Pflanzen für ihre Kultivierung an den Boden stellen bzw. was das im einzelnen bedeutet.

Exkurs zum Thema Boden:

In der folgenden Abbildung 3 ist dargestellt aus welchen Bestandteilen sich ein Boden (gut durchlüftet und feucht) zusammensetzt. Zum Großteil besteht ein Boden aus mineralischen Substanzen wie z.B. Quarzsand. Die organische Substanz macht nur einen sehr geringen Anteil aus und setzt sich wiederum zu 85 % aus Humus, zu 10 % aus pflanzlichen Wurzeln und 5 % aus Edaphon (Organismen wie Regenwürmer, Bakterien, Pilze,...) zusammen [79]. Bezüglich der Bearbeitbarkeit werden Böden in leichte, mittlere und schwere Böden eingeteilt. Leichte Böden haben ein geringes Wasserspeichervermögen und halten auch die Nährstoffe nur in geringem Maße fest. Sie sind gut durchwurzelbar und erwärmen sich schnell, sind aber weniger fruchtbar. Schwere Böden sind gekennzeichnet durch ein hohes Nährstoff- und Wasserfesthaltevermögen, Staunässe, schlechte Durchlüftung und langsame Erwärmung. Mittlere Böden weisen die vorteilhaften Eigenschaften der leichten und schweren Böden auf und eignen sich pflanzenbaulich in hervorragender Weise [79]. Böden lassen sich aber auch nach ihrer Bodentextur (Körnung) in unterschiedliche Bodenarten einteilen, wie in Tabelle 4 dargestellt ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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Als „vierte“ Bodenart kommt Lehm hinzu, der etwa zu gleichen Anteilen aus Sand, Schluff und Ton besteht und somit eine Zwischenstellung einnimmt. Dadurch ist Lehm pflanzenbaulich sehr gut nutzbar. In der Natur kommen selten Böden vor, die nur aus reinem Sand, Schluff und Ton bestehen. In der Regel treten sie als Gemisch auf, in dem alle drei Bodenarten mehr oder weniger stark vorhanden sind. Die Kornfraktion, die im Gemisch am stärksten vertreten ist, ist auch namensgebend. So wird z.B. ein Sandboden mit einem geringen Lehmanteil als „schwach lehmiger Sand“ bezeichnet (I´S).

Tabelle 5 Einteilung des Bodens [79]

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3.1.3 Fruchtfolge

Problematisch bei Raps ist, dass er nicht eigenverträglich ist. Daher sollte eine Anbaupause von mindestens 3 Jahren eingehalten werden. Wegen der Gefahr der Kohlhernie ist eine weite Stellung zu Kohl- und Stoppelrüben wichtig. Unter Kohlhernie versteht man eine Verdickung am Wurzelhals und an der Wurzel der Kohlpflanze (Kreuzblütler), hervorgerufen durch im Boden befindliche Pilze (Plasmodiophora brassicae) [7]. Die Kohlpflanze wird dadurch am Wachstum gehindert. Die häufigste Vorfrucht ist Wintergerste, aber auch andere frühräumende Vorfrüchte wie Frühkartoffeln und Kleegras sind gut geeignet [59]. Raps ist eine sehr gute Vorfrucht, da durch die intensive Durchwurzelung und die langfristige Beschattung für optimale Kultivierungsbedingungen gesorgt wird.

3.1.4 Düngung

In der folgenden Tabelle 6 wird der prozentuale Nährstoffgehalt von Rapskorn und Rapsstroh dargestellt. Während das Stroh nahezu vollständig auf dem Acker bleibt (Normalfall), so wird das Rapskorn mit samt den Nährstoffen aus dem Kultivierungsgebiet ausgetragen und entweder in großindustriellen oder in dezentralen Ölmühlen weiterverarbeitet. Dort fällt neben dem gewonnenen Rapsöl der Press- bzw. Extraktionsrückstand an, welcher reich an elementaren Proteinen (beinhalten Stickstoff in Form von Aminosäuren) ist und in der Regel zum Tierfutter beigemischt wird. Da sich der größte Teil des Stickstoffs im Rapskorn befindet muss insbesondere Stickstoffdünger hinzu gegeben werden. Raps kann Gülle oder Stalldung gut verwerten. Die Startzugabe von Stickstoff lässt sich nach Getreidevorfrucht mit organischem Dünger abdecken. Der N- Sollwert liegt für Winterraps bei ca. 200 kg/ha, wobei die Düngung in zwei bis drei Gaben erfolgt [9].

Tabelle 6 Nährstoffgehalt (in Mass.-%) von Raps und Rapsstroh [ 9 ]

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Die Ausbringung von Phosphat- und Kaliumdüngern sollte nach der Vorfruchternte in die Stoppeln mit anschließender Stoppelbearbeitung erfolgen. Raps hat einen hohen Kaliumbedarf, sodass für die Kultur höher gedüngt und die Kaliumzugabe im Laufe der Fruchtfolge entsprechend niedriger dosiert werden sollte. Raps reagiert empfindlich auf

Schwefelmangel, sodass der Gehalt an Schwefel in einer Tiefe von 0 bis 90 cm nie geringer 60 kg/ha sein sollte. Eine Bordüngung ist in den meisten Fällen zu empfehlen, weil Raps einen hohen Bedarf hat und dem Boden entsprechend viel an Bor entzieht. Bei einem Mangel an Bor werden 500 g/ha als Blattdüngung empfohlen [9].

Tabelle 7 Grunddüngung (kg/ha) von Winterraps in Abhängigkeit der Bodenqualität [ 9 ]

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3.1.5 Aussaat

Nach einer Grundbodenbearbeitung und der Beseitigung von Bodenverdichtungen mit dem Pflug und Krumenpacker oder Tiefengrubber erfolgt schließlich die Aussaat des Raps. Winterraps wird zwischen dem 10. (Vorgebirgslagen) und dem 25. August (Ackerebene) in ein gut abgesetztes, unkrautfreies und feinkrümeliges Saatbett mit Anschluss zur Unterbodenfeuchtigkeit ausgesät. Die Kornablage erfolgt in 1,5 - 2,5 cm Tiefe bei einem Reihenabstand von 15 - 30 cm. Als Richtwert bei der Aussaat gelten ca. 50 Körner/m² für Hybridsorten und 70 Körner/m² für Liniensorten [9].

3.1.6 Ernte und Vorbehandlung

Die Ernte erfolgt in der 2. Julihälfte im Direktdrusch mit dem Mähdrescher, der mit speziellen Rapssieben und Rapsblechen sowie vorzugsweise mit verlängertem Schneidwerk und Seitenmessern ausgerüstet wird. Sobald die Samen schwarz sind und bei Berührung der Schoten rascheln, sind sie erntereif. Die Samen haben dann einen Feuchtegehalt von

< 12 %. Mit platzfesten Sorten wird die verlustärmste Ernte erzielt [9].

Zur Gewinnung der Pflanzenöle müssen die Ölsaaten vorgereinigt werden. Zu den regelmäßig vorkommenden Verunreinigungen gehören Komponenten wie Erde, Sand, kleine Steinchen, Eisenpartikel und fremde Samen. Die Vorreinigung der Ölsaaten geschieht in erster Linie durch Siebapparate. Hierzu eignen sich rotierende Siebtrommeln, so genannte

„Windsichter“, bei denen gegen die frei herabfallenden Samen ein Luftstrom geführt wird. Dieser lenkt die Stoffe je nach ihrem spezifischen Gewicht von ihrer vertikalen Fallstrecke mehr oder weniger stark ab. Gelegentlich haftet der Staub sehr fest an den Samen. Derartig verschmutzte Samen müssen in speziellen Bürstmaschinen gereinigt werden [2].

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Sind die Ölsaaten entsprechend vorgereinigt, werden sie zerkleinert. Die Art der Zerkleinerung ist je nach Ölsaat verschieden. Zur Zerkleinerung harter Samen benötigt man andere Maschinen als für die Zerkleinerung von Ölfrüchten, bei denen das Öl im zarten Zellgewebe eingebettet ist. Die Ölzellen sollen möglichst vollständig geöffnet werden. Dabei sollen sie aber noch ihre Struktur behalten um in der Presse noch eine genügende Porosität und Öldurchlässigkeit zu besitzen [2].

Ölsaaten, die extrahiert werden, erfordern eine andere Art der Zerkleinerung. Dies muss beachtet werden, da es bei der Extraktion unbedingt notwendig ist, dass das zerkleinerte Material gut durchlässig ist und sich nicht fest zusammenballt [2]. Zur Ölgewinnung werden heute zwei Methoden angewandt. Entweder wird die Ölsaat ausgepresst oder mit fettlösenden Flüssigkeiten extrahiert. Nachfolgend werden diese Methoden der Ölgewinnung näher beschrieben.

3.2 Methoden der Ölgewinnung

Zu allererst stellt sich Frage, welche von den beiden Methoden sinnvoller ist. Dies kann pauschal nicht beantwortet werden, da die Auslegung der Ölgewinnungsapparatur von verschiedenen Parametern abhängig ist, wie z.B. von dem Verwendungszweck des Öls, der Art und der Verarbeitungsmenge der Ölsaat.

Durch das Extrahieren gewinnt man einerseits mehr Öl aus der Ölsaat als dies der Fall beim Pressen ist. Andererseits wird der Pressrückstand (Ölkuchen) heute wegen seines hohen Protein- und immer noch beträchtlichen Ölgehalts als wertvolles Viehfutter verwendet. In den Rückständen aus der Extraktion fehlen wichtige Nährstoffe. Aufgrund dessen sind Rückstände aus der Pressung ungleich wertvoller als die aus der Extraktion. Hinzu kommt, dass die letzten Anteile des Lösungsmittels aus den Extraktionsrückständen nur aufwendig entfernt werden können. Des weiteren entzieht das Extraktionsmittel der Ölsaat nicht nur Öl, sondern auch Harze, Farb- und Bitterstoffe, welche die Qualität des Öls beeinträchtigen. Für die Speiseölgewinnung kommt deshalb die Extraktion kaum in Frage [2].

Des Öfteren werden beide Verfahren miteinander kombiniert. Hierbei presst man zuerst die Ölsaat aus und erhält auf diese Weise ein hochwertiges Speiseöl. Anschließend wird das Restöl extrahiert, das für technische Zwecke verwendet wird. In der Regel wird die Extraktion in großtechnischen Ölmühlen angewandt, da sich erst bei größeren Produktionsmengen die aufwendige Apparatur rentiert. Bei dezentralen Anwendungen beschränkt man sich deswegen eher auf die Ölpressung.

Bei der Gewinnung von Pflanzenölen wird die zerkleinerte Saat zunächst mit Wasserdampf vorbehandelt. Dadurch werden sowohl noch intakt gebliebene Zellen aufgeschlossen als auch anwesende Enzyme inaktiviert. Außerdem wird dadurch das im Gewebe eingeschlossene Öl dünnflüssiger, vereinigt sich leichter zu Tropfen und läuft schneller ab. Durch den feuchten Wasserdampf verliert das Samengewebe an seiner fettsaugenden Wirkung, wodurch die Ausbeute höher ausfällt [2]. Allgemein kann man sagen, dass Ölsaaten mit einem niedrigen Ölgehalt wie z.B. die Sojabohne (ca. 18 % Ölgehalt) immer per Extraktion behandelt werden. Ölsaaten mit einem hohen Ölgehalt werden sowohl gepresst als auch extrahiert bzw. miteinander kombiniert. Fruchtfleischfette werden auf andere Weise gewonnen. So werden die Früchte der Ölpalme zerkleinert und mit Wasser ausgekocht, wobei anschließend die leichtere Ölphase von der schwereren Wasserphase separiert wird. Olivenöl erhält man durch Auspressen der Oliven oder durch Zentrifugieren. Während Samen lagerfähig sind müssen Ölfrüchte unmittelbar nach der Ernte verarbeitet werden, da sie sonst schnell verderben.

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3.2.1 Pressung des Pflanzenöls

Wie bereits erwähnt, erfolgt die Ölsaatenverarbeitung bei kleinen, meist im ländlichen Raum gelegenen Anlagen (dezentral) durch eine einstufige mechanische Pressung. Diese Anlagen werden in der Regel von Landwirten aus der Region versorgt, die häufig auch den Pressrückstand in der eigenen Viehhaltung verwerten.

Nach einer vorigen Reinigung, einer evtl. Trocknung (der Wassergehalt der Saat sollte 7 - 8 % nicht überschreiten) und Zerkleinerung wird die Saat bei einer Temperatur zwischen 15 und 25 °C, zumeist in Schneckenpressen gepresst. Je nach Pressgröße können Mengen von 5 kg bis zu 800 kg Ölsaat pro Stunde verarbeitet werden. Durch das Pressen lassen sich ca. 80 % des in der Saat enthaltenden Öls gewinnen. Im Presskuchen befinden sich also noch nennenswerte Ölanteile [1]. Das so gewonnene Öl enthält noch zwischen 2 - 13 % Verunreinigungen, die entfernt werden müssen um eine hohe Produktqualität zu erreichen. Bei kleineren Anlagen geschieht dies häufig mittels großvolumiger Absetztanks, in denen sich die Feststoffe im Laufe von mehreren Tagen am Tankboden absetzten. Anschließend erfolgt eine Filtration mit einem Feinfilter. In größeren Anlagen kommen Filterpressen verschiedener Bauart zum Einsatz [1].

Zusätzlich besteht die Möglichkeit einer temperierten Ölpressung. Während bei der ungewärmten Saat bis zu 20 % des Ölgehalts zurückbleiben, kann die gewärmte Saat auf 5 - 10 % entfettet werden [2]. Bei dieser Pressung gelangen aber Stoffe in das Öl, die die Farbe, den Geruch und Geschmack des Öls ungünstig beeinflussen. Vorteilhaft ist jedoch, dass das Öl dünnflüssiger wird, die Eiweißstoffe gerinnen und Schleimstoffe sowie Pflanzengummi zum größten Teil ausfallen. Die temperierte Pressung ist insbesondere wichtig bei Ölen und Fetten, die einen höheren Schmelzpunkt haben. Ebenso werden viskose Öle durch Wärmezufuhr dünnflüssiger und können somit leichter abgetrennt werden.

Bei der temperierten Pressung ist die Ölausbeute je nach Art des Ausgangsmaterials um 5 - 8 % höher als bei der kalten Pressung.

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Abb. 4 Darstellung einer Schneckenpresse [13]

Die Vorteile der dezentralen Ölgewinnung liegen im geringeren Energieeinsatz, dem Verzicht auf den Einsatz von Lösungsmitteln, dem Nichtanfall produktionsbedingter Abwässer und in einem geringerem Transportaufkommen [1]. Des weiteren ist vorteilhaft zu bewerten, dass die Rohstoffe und Endprodukte aus der Region stammen und zumeist dort verwertet werden. Auf diese Weise wird ein Beitrag geleistet zur Stärkung der regionalen Wirtschaftskraft.

3.2.2 Ölgewinnung durch Extraktion

In den großindustriellen Ölmühlen wird unter hohem energetischen und technischen Aufwand vollraffiniertes Pflanzenöl und Extraktionsschrot gewonnen. Diese großen Anlagen mit Verarbeitungskapazitäten von bis zu 4.000 t Ölsaat pro Tag liegen aus Transportgründen oft an Flüssen [1]. Auch hier wird die Ölsaat zunächst gereinigt, getrocknet, zerkleinert und mit Wasserdampf thermisch vorbehandelt. In einer Vorpressung mittels einer Schneckenpresse wird dann ein Großteil des enthaltenen Öls ausgepresst. Der Pressrückstand hat danach noch einen Restölgehalt von ca. 10 - 25 %. Um die letzten Ölanteile zu gewinnen, wird der Presskuchen mit einem Lösungsmittel chemisch behandelt.

Als Lösungsmittel für die Extraktion wurden früher Schwefelkohlenstoff (Kohlendisulfid), Benzol, Tetrachlorkohlenstoff (Tetrachlormethan), und Trichlorethylen (Trychlorethen) sowie Benzin eingesetzt. Da diese Lösemittel teilweise giftig und krebserregend sind, wird heute fast ausschließlich Leichtbenzin, vor allem Hexan verwendet [2]. Das Lösungsmittel wird nach der Extraktion verdampft, auskondensiert und erneut dem Prozess zur Verfügung gestellt. Die Lösung von Ölen wird als „Miscella“ bezeichnet. Insgesamt erzielt man auf diese Weise (Vorpressung und Extraktion) einen Ölgewinnungsgrad von rund 98 % [1]. Die so gewonnenen Produkte sind rohes, unraffiniertes Pflanzenöl einerseits und Extraktionsschrot andererseits. Da im Extraktionsschrot noch Reste von Hexan vorhanden sind, ist eine

Nachbehandlung erforderlich, bevor es als Viehfutter verwendet werden kann. Für diesen Zweck wird das Extraktionsschrot „getoastet“, das heißt es wird mit überhitztem Wasserdampf behandelt [1].

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Abb. 5 Ölpressung mit anschließender Extraktion [2]

3.2.3 Verwertung des Pressrückstands

Der Presskuchen dient der Landwirtschaft als wertvolles Eiweißfuttermittel. Er ist ein Konkurrenzprodukt für importiertes Sojaschrot, das nicht selten aus Entwicklungsländern stammt, die das Eiweiß selbst dringend für die Nahrungs- und Futtermittelversorgung benötigen. Wenig wirtschaftlich und daher wenig verbreitet ist die energetische Nutzung des Presskuchens durch Verbrennung oder Fermentation in Biogasanlagen. Sie kommt allenfalls bei Pressrückständen von Ölpflanzen in Frage, die gemäß Futtermittelverordnung nicht zugelassen oder als Viehfutter nicht schmackhaft genug sind, wie z.B. in unseren Breiten die Krambe (Erhöhte Gehalte an Erucasäure und Senfölglycosiden) oder der Leindotter [1]. In tropischen und subtropischen Regionen ist beispielsweise der Presskuchen von Ölpflanzen aus der Familie der Wolfsmilchgewächse wie Jatropha curcas oder Rizinus aufgrund ihrer Toxizität ungeeignet um als Viehfutter eingesetzt zu werden.

3.2.4 Ölreinigung in dezentralen Ölmühlen

Da das Pflanzenöl nach der Pressung noch Verunreinigungen enthält, erfolgt hiernach die Reinigung des Truböls, sodass die qualitativen Anforderungen an den Kraftstoff erfüllt werden können. Das Truböl weist einen Feststoffgehalt zwischen 1 bis 13 % auf [15]. Der Feststoffgehalt ist vor allem abhängig von der Bauform und Zustand der Ölpresse, der Durchsatzleistung, der verarbeiteten Ölsaat und dem Wassergehalt des Pressguts [15]. In der Regel werden die im Öl nach der Pressung enthaltenen Feststoffe in zwei Reinigungsstufen abgeschieden. Zuerst durchläuft das Öl die Hauptreinigung, wobei die Grobstoffe entfernt werden. Anschließend durchläuft das Öl eine Sicherheitsfiltration, wobei auch die kleineren Partikel aus dem System getragen werden können. Als Möglichkeiten der Fest-/Flüssig-Trennung bieten sich Sedimentations- und Filtrationsverfahren an [15].

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Abb. 6 Methoden der Ölfilterung [15]

3.2.5 Ölraffination in zentralen Ölmühlen

Durch die thermische Behandlung und die chemische Extraktion in großindustriellen Ölmühlen werden der Ölsaat nicht nur Öl, sondern auch unerwünschte Begleitstoffe wie z.B. Farb- und Bitterstoffe, Metalle, Harze, Kohlenhydrate, Phosphatide und Reste von Pflanzenschutzmitteln entzogen, welche die Qualität des Öls beeinträchtigen [1]. Um die Begleitstoffe zu entfernen, muss es schließlich raffiniert werden. Die Raffination untergliedert sich in verschiedene Schritte, für die meistens mehrere Varianten existieren und die teilweise ineinander übergehen. Deswegen wird nachfolgend die klassische (chemische) Raffination beschrieben, wie sie z.B. für die Rapsölaufbereitung eingesetzt wird. Im wesentlichen durchläuft das Rohpflanzenöl vier Prozessstufen: Die Entschleimung, die Entsäuerung, die Bleichung sowie die Desodorierung.

Entschleimung:

Unter Entschleimung versteht man nicht nur die Entfernung von pflanzlichen Schleimstoffen, sondern auch die Abtrennung von allen Phosphatiden (Lecithin), Eiweiß- und kohlenhydrat- haltigen Stoffen sowie von Kolloiden. Durch zugeführtes Wasser wird ein Teil der Phosphatide und der Schleimstoffe hydratisiert. Es bildet sich ein ölunlöslicher Schlamm, der durch Separatoren vom Öl abgetrennt wird. Der Schlamm wird zum Schrot gegeben oder zum Wertstoff Lecithin verarbeitet [87].

Zusätzlich zu Wasser und Wasserstoff werden häufig Säuren (Phosphor-, Zitronen-, Schwefelsäure) eingesetzt. Nicht-hydratisierte Phosphatide werden auf diese Weise zerstört und hydratisierbar gemacht. Die Säure darf dabei aber nur so stark sein, das ausschließlich die Phosphatide zerstört werden und nicht das Öl. Die Separation erfolgt üblicherweise kontinuierlich über eine Zentrifuge [87].

Entsäuerung (Neutralisation):

Bei der sogenannten Entsäuerung werden die freien Fettsäuren (FFA, free fatty acids) neben weiteren störenden Komponenten wie Phenole, Phosphatidreste und Schwermetalle abgetrennt. Der Gehalt an FFA im extrahierten Rohöl liegt zwischen 0,3 bis 6 %. In Palm-, Oliven- oder Fischöl können jedoch auch FFA-Gehalte von mehr als 20 % vorgefunden werden [87]. Zur Entsäuerung kommen zahlreiche Verfahren zum Einsatz, deren Wahl von den Eigenschaften des Ausgangsprodukts und den Anforderungen des Endprodukts abhängig sind. Zwecks der Biodieselherstellung ist die Neutralisation, unter Zugabe einer Lauge wie Kaliumhydroxid (KOH) oder Natriumhydroxid (NaOH), die gängigste Methode. Hierbei wird zuerst die eingesetzte Säure für die Entschleimung und dann die FFA neutralisiert. Die so entstandene Seife kann anschließend leicht mit Wasser heraus gewaschen werden.

Bleichung (Entfärbung):

Während der Bleichung wird der größte Teil der Farbstoffe und Reste von Schleimstoffen, Seifen, Spurenmetallen und Oxidationsprodukten entfernt. Dadurch wird die Haltbarkeit des Öls erhöht. Die Bleichung kann mit Adsorptionsmitteln, Sauerstoff, Ozon, Wasserstoffperoxid oder durch Wärme (ca. 200 °C) durchgeführt werden. Die größte Bedeutung für die Bleichung haben hierbei die Adsorptionsmittel [13].

Zur adsorptiven Bleichung wird das Öl zunächst im Vakuum auf 80 bis 100 °C erwärmt und getrocknet. Anschließend wird dann Adsorptionsmittel hinzugegeben, welches in der Regel

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Bleicherde (5 - 20 kg pro Tonne Öl) ist. Die Durchmischung erfolgt durch ein Rührwerk oder durch Zugabe von Dampf. Nach Kühlung des Gemischs wird das beladene Bleichmittel durch Filtration vom Öl abgetrennt. Im Filtrat sind noch Ölreste vorhanden, die über Hexan- Extraktion zurück gewonnen werden können und anschließend in den Raffinationsprozess eingespeist werden. Die Ölverluste betragen bei der Bleichung etwa 0,2 % der eingesetzten Ölmenge [13].

Desodorierung (Dämpfung):

In der Desodorierung werden dem Öl die geruchs- und geschmacksintensiven Begleitstoffe (Ketone, Aldehyde) entzogen. Die Desodorierung erfolgt durch Wasserdampfdestillation unter Vakuum. Das zunächst getrocknete Öl wird auf 200 bis 260 °C aufgeheizt. Danach wird Strippdampf in das Öl eingeblasen. Wegen der niedrigen Partialdrücke der zu entfernenden Verbindungen ist viel Wasserdampf erforderlich, so dass dieser Verfahrensschritt energieintensiv und zeitintensiv (20 min bis 6 h) ist. Danach wird das Öl wieder abgekühlt. Bei Temperaturen über 150 °C werden trans-Fettsäuren gebildet (Unterscheidungskriterium zu kaltgepressten Ölen). Es finden vor allem semikontinuierliche Verfahren Einsatz. Die Dämpfung erfordert ein gut vorraffiniertes Öl, da sie Eiweißstoffe, Kohlenhydrate, Phosphatide oder Seifen thermisch zersetzen kann und die Abbauprodukte störend wirken. Insgesamt werden dem Öl etwa 0,2 % an Fettbegleitstoffen entzogen [13].

3.3 Umesterung zum Biodiesel

Biodiesel wird aus Pflanzenöl hergestellt, das hierfür unter Anwesenheit von Methanol und eines Katalysators umgeestert wird. Biodiesel besteht im Vergleich zum fossilen Diesel (Gemisch aus Kohlenwasserstoffen) aus längerkettigen Fettsäuren, die an der Seite von Kohlenstoff und Wasserstoff auch Sauerstoff enthalten. Deswegen ist der Heizwert in Relation zum herkömmlichen Diesel etwas geringer. Dem gegenüber steht jedoch zu Gute, dass Biodiesel andere positive Eigenschaften besitzt [88]:

- Größtenteils CO2-neutral
- Hohe Cetanzahl
- Gute Schmierung > Geringerer Verschleiß in der Einspritzpumpe und im Motor
- Schwefelfrei > kein saurer Regen
- Hoher Sauerstoffanteil > weniger Ruß
- Biologisch abbaubar

Tabelle 8 Physikalische Eigenschaften von Pflanzenöl, Biodiesel und Diesel [ 1 ]

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Chemisch gesehen ist Pflanzenöl ein Triglycerid. Es besteht also aus Glycerin (einem dreiwertigem Alkohol), das jeweils mit drei gleichen oder auch verschiedenen Fettsäureestern durch eine Esterbindung (-OOC-) verknüpft ist. Durch Hinzugabe von Methanol wird die Umesterung in Gang gebracht, wobei die drei Fettsäurereste vom Triglycerid abgespalten werden und sich anschließend mit dem Methanol (einem einwertigen Alkohol) verbinden. Als Endprodukt entsteht Biodiesel (Fettsäuremethylester) zu einem Anteil von ca. 90 % und Glycerin zu einem Anteil von rund 10 % [88].

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Abb. 7 Reaktion bei der Umesterung [16]

Dadurch sinkt der Schmelzpunkt im Vergleich zu Pflanzenöl soweit ab, dass ein auch im Winter gebrauchsfähiger Treibstoff entsteht. Da die Reaktion sehr langsam verläuft, wird sie durch einen Katalysator, herkömmlich meist Kalium- (KOH) oder Natriumhydroxid (NaOH) in Methanol gemischt, beschleunigt.

Aus Kosten- und Sicherheitsgründen läuft die Reaktion meist unter Normaldruck und bei eingeschränkter Zugabe des Katalysators ab, weil dieser den Anteil an Alkali-Ionen und damit die für die Produktreinigung ungünstige Seifenbildung erhöht. Im Gegensatz zum

Biodiesel ist Glycerin polar und wasserlöslich. Seine Moleküle wirken aufgrund der entgegengesetzt verteilten elektrischen Ladungen wie kleine Magnete und haben eine hohe Affinität zu allen anderen polaren Verbindungen. Daher sammeln sich im Glycerin Methanol, Wasser, Seife, anorganische Salze und polare organische Verbindungen an [88].

3.4 Qualitätsbestimmung des Pflanzenöls

Die Nutzung von Pflanzenölen als Kraftstoff in Dieselmotoren ist aufgrund der von Dieselkraftstoff stark abweichenden Eigenschaften (v. a. Viskosität, Siedeverhalten) langfristig in der Regel nicht ohne Störungen möglich. Deshalb muss entweder der Kraftstoff an den Dieselmotor (Umesterung von Pflanzenölen zu Biodiesel), oder der Motor an das Pflanzenöl angepasst werden.

Ein verlässlicher Betrieb von Dieselmotoren ist nur möglich, wenn wichtige Eigenschaften und Inhaltsstoffe des Kraftstoffs definiert sind. Diese müssen in ihrer Schwankungsbreite bestimmte Grenzen einhalten, andernfalls können keine Gewährleistungen für einen dauerhaften Motorenbetrieb oder die Einhaltung bestimmter Emissionsgrenzwerte gegeben werden. Schlussendlich sind definierte Mindestqualitäten eine grundlegende Voraussetzung für den Handel mit Kraftstoffen. Aus diesen Gründen sind Mindestanforderungen für Pflanzenölkraftstoff, Dieselkraftstoff und für Fettsäuremethylester (Biodiesel) durch nationale und internationale Normierung festgelegt worden.

Da für eine vollständige Qualitätsanalyse des Biokraftstoffs eine Vielzahl von teilweise sehr aufwendigen Messungen durchgeführt werden muss, werden diese in der Regel in dafür speziell eingerichteten Laboratorien kostenpflichtig analysiert. Wichtige Parameter (Säurezahl, Wassergehalt,…) sollten allerdings, wenn möglich, auch selber in regelmäßigen Abständen an der jeweiligen Anlage ermittelt werden, sodass bei Qualitätsschwankungen die Betriebsführung entsprechend angepasst werden kann.

Tabelle 9 Qualitätsparameter und Grenzwerte für Rapsöl gemäß E DIN 51605 [ 59 ]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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• Hochschule: HAWK Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst - Fachhochschule Hildesheim, Holzminden, Göttingen
• Veranstaltung: Biogene Kraftstofffe
• Note: 1,7
• Autor: Diplom-Wirtschaftsingenieur Lars Pingel (Autor:in)
• Erscheinungsjahr: 2008
• Seiten: 107
• Katalognummer: V113195
• ISBN (eBook): 9783640137428
• ISBN (Buch): 9783640137497
• Sprache: Deutsch
• Schlagworte: Anbau, Tropen, Subtropen, Herstellung, Kraftstoffe, Beispiel, Afrikas, Biogene, Kraftstofffe