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Erneuerbare Energien: Treibstoff oder Nahrungsmittel?

geschrieben von Ole

Im letzten Blogbeitrag habe ich über die Treibstoffe gesprochen, die wir an den Tankstellen zur Zeit tanken können. Dabei haben wir den ersten Biotreibstoff, Biodiesel, schon kennengelernt.

Biodiesel ernetet aber jede Menge Kritik, da die benötigten Rapspflanzen auf Flächen angebaut werden, die einst der Lebensmittelproduktion dienten. Es gibt eine Konkurrenz zwischen Treibstoff und Nahrungsmittel. Wie soll man sich dort entscheiden? Rein wirtschaftlich baut man natürlich immer die Pflanze an, die den größten Ertrag pro Fläche verpsricht. Auf Grund von starken Subventionen war bzw. ist das der Fall für Raps. Wenn aber Raps angebaut wird fehlt an anderer Stelle Mais und Getreide.

Eine Frage der Generation

Dieser Konflikt ist weder der Politik noch der Wissenschaft entgangen. Spricht man heutzutage von Biotreibstoffen, wird häufig von Biotreibstoffen erster und zweiter Generation gesprochen. Biotreibstoffe erster Generation ist eben genau Biodiesel, aber auch jeder andere Treibstoff bei dem der Rohstoff in Konkurrenz mit Nahrungsmitteln produziert wird.

Im Allgemeinen wird bei der Verwendung von den drei Rohstoffen Zucker, Stärke und Pflanzenöl von Biotreibstoffen erster Generation gesprochen.

Biotreibstoffe zweiter Generation werden aus Rohstoffen hergestellt, die nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion stehen. Sie werden deshalb als die einzige sinnvolle Alternative zu fossilen Treibstoffen gesehen. Als Rohstoffe kann theoretisch jede Quelle von Biomasse genutzt werden, die nicht essbar ist. Primär wird aber für Biotreibstoffe zweiter Generation der Rohstoff Lignocellulose ins Auge gefasst.

Ligno..cellu..was?

Lignocellulose ist ein Sammelbegriff für jenen Bestandteil einer Pflanze, der nicht zur Nahrungsmittelproduktion genutzt werden kann und aus den drei Bestandteilen Cellulose, Hemicellulose und Lignin besteht. Wir sprechen hier beispielsweise über den Teil einer Maispflanze, der im Abfall landet, oder aber auch über Holz. Lignocellulose bildet die Zellwand bei verholzten Pflanzen.

Im Grunde ist es eine super Idee auf solche Rohstoffe zu setzen, aber was wäre die Natur ohne ein großes “aber”.

Lignocellulose selbst ist ein äußerst inertes Stoffgemisch. Die erste Schwierigkeit ergibt sich so schon für die Auftrennung in die drei Hauptbestandteile Cellulose, Hemicellulose und Lignin. Bevor wir weitere Probleme besprechen sollte ich erst erklären, wobei es sich bei diesen drei Bestandteilen handelt.

Cellulose. Dargestellt als n Monomereinheiten von Glucose. (Public Domain)

Cellulose. Dargestellt als n Monomereinheiten von Glucose. (Public Domain)

Cellulose ist ein Polymer, welches aus Zuckern mit sechs Kohlenstoffatomen besteht. Hemicellulose ist ebenfalls ein Polymer, das aus Zuckern besteht. Jedoch kommen in der Hemicellulose auch Zucker aus 5 Kohlenstoffatomen vor. Diese beiden Komponenten machen je nach Lignocellulose-Ursprung zwischen 60wt% und 90wt% aus. Lignin, als dritte Komponente, wird häufig als der “Kleber” bezeichnet, der alles zusammenhält. Es handelt sich bei Lignin um ein hochkomplexes Polymer aus Phenolen.

Beispielhafte Ligninstruktur. (Von Karol Głąb, CC-BY-SA 3.0)

Beispielhafte Ligninstruktur. (Von Karol Głąb, CC-BY-SA 3.0)

Was tun mit den Polymeren?

Mit den Polymeren selbst können jedoch keine Treibstoffe oder Feinchemikalien produziert werden. Vorher müssen die Polymere in ihre Bestandteile (Monomere) aufgespalten werden. Bei diesem Vorgang häufen sich aber die Probleme, denn eine Depolymerisation ist immer mit einem hohen Energieaufwand gekoppelt, da zahlreiche Einfachbindungen gespalten werden müssen. Unter den eingesetzten Bedingungen finden aber auch noch allerlei weitere Reaktionen mit den gebildeten Monomeren statt. Sie zersetzen sich oder werden zu anderen Substanzen umgewandelt. In allen Fällen gehen diese neuen Substanzen aber wieder Polymerisationsreaktionen ein und bilden die Humine.

Humus, Human, Humin?

Als Humine werden unlösliche Feststoffe bezeichnet, welche typischerweise bei der Umsetzung von biobasierten Molekülen auftauchen. Unter “biobasierten Molekülen” werden eben jene Moleküle verstanden, welche bei der Umsetzung von Biomasse entstehen, gewollt sowie ungewollt.

Humine sind immer unerwünscht, da man mit ihnen nichts anfangen kann. Es ist uns Chemiker noch nicht einmal möglich diese Humine gezielt zu analysieren und die Struktur zu entschlüsseln. Dass heißt auch, dass wir auf molekularer Ebene nicht genau verstehen, wie sich diese Polymere bilden.

Damit haben wir jetzt die unterschiedlichen Rohstoffströme für die Verwendung in der Produktion von Biotreibstoffen besprochen und einen ersten kurzen Blick in die Aufarbeitung von Lignocellulose gewagt. Wie wir von Biomasse hin zu Eduktströmen für die chemische Industrie kommen wird Thema des nächsten Blogbeitrags sein.

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Ole

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