Was Biodiesel ist und warum er eine Rolle spielt
Biodiesel ist ein Kraftstoff, der aus Monoalkylestern langkettiger Fettsäuren besteht, die aus Pflanzenölen, tierischen Fetten oder aufgearbeitetem Altfett gewonnen werden. Wird Methanol als reagierender Alkohol eingesetzt, bezeichnet man das Produkt genauer als Fettsäuremethylester (FAME). Biodiesel kann in Kompressionszündungsmotoren und Heizkesseln verwendet werden, häufig als Mischung mit Dieselkraftstoff oder Heizöl auf Erdölbasis. Die Zahl nach dem „B" in einer Mischungsbezeichnung gibt den Volumenprozentanteil des Biodiesels an, B20 besteht zu 20 % aus Biodiesel nach Volumen, der Rest ist Erdölkraftstoff.
Die grundlegende Chemie: Umesterung
Triglyceride im Öl oder Fett reagieren mit einem Alkohol zu Alkylestern und Glycerol. Die stöchiometrische Reaktion verbraucht drei Mol Alkohol pro Mol Triglycerid und verläuft über Diglycerid- und Monoglycerid-Zwischenstufen. Die Stöchiometrie beschreibt das chemische Mengenverhältnis, nicht die Alkoholdosierung für einen bestimmten Reaktor. Basenkatalysierte Verfahren verwenden Katalysatoren wie Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid oder Methoxidlösungen, um die Reaktion zu fördern. Öl und Methanol mischen sich anfänglich schlecht, daher ist die Kontaktherstellung zwischen den Phasen ebenfalls wichtig. Durchmischung und Katalyse erfüllen unterschiedliche Aufgaben: eine wirksame Kontaktherstellung ersetzt nicht die chemische Wirkung des Katalysators.
Rohstoffe und Überlegungen zu freien Fettsäuren
Zu den wichtigsten Rohstoffen zählen Sojaöl, Raps, Palmöl, tierische Talge und aufgearbeitetes Altfett. Der Gehalt an freien Fettsäuren (FFA) ist eine wichtige prozesschemische Variable. Bei basenkatalysierter Reaktionsführung reagieren freie Fettsäuren mit dem Alkalikatalysator zu Seifen anstelle von Estern, verbrauchen dabei Katalysator und erschweren die nachgelagerte Aufarbeitung. Bei einem basenkatalysierten Verfahren können Rohstoffe mit hohem FFA-Gehalt eine Vorbehandlung erfordern. Die säurekatalysierte Veresterung ist eine Möglichkeit, freie Fettsäuren vor der Umesterung in Ester umzuwandeln. Der Wassergehalt ist gleichermaßen wichtig: bereits geringe Wassermengen begünstigen die Seifenbildung und verringern die Ausbeute der Umesterung.
Aufarbeitung nach der Reaktion und Produktqualität
Nach der Reaktion trennt sich das Gemisch in eine esterreiche Oberphase und eine glycerolreiche Unterphase. Phasentrennung und Methanolrückgewinnung sind eigenständige Verfahrensschritte, deren Reihenfolge vom Anlagenkonzept abhängt. Bei einem Nasswaschverfahren verringern Methanolrückgewinnung und Wasserwäsche den Restgehalt an Alkohol, Katalysator, Seife und Glycerol, auf die Wäsche folgt eine Trocknung. ASTM D6751, die US-amerikanische Norm für B100, legt Grenzwerte für freies Glycerin (maximal 0,020 Masse-%), Gesamtglyceringehalt (maximal 0,240 Masse-%), Wasser und Sediment (maximal 0,050 Vol.-%), Säurezahl (maximal 0,50 mg KOH/g), sulfatierte Asche (maximal 0,020 Masse-%) sowie Flammpunkt (mindestens 93 °C für alle Gütegrade, mit einer zusätzlichen Anforderung zur Alkoholkontrolle, die entweder durch ≤ 0,2 Masse-% Methanol oder einen Mindestflammpunkt von 130 °C erfüllt wird) fest. Die aufgeführten Spezifikationswerte stammen aus der öffentlich zugänglichen AFDC-Zusammenfassung von ASTM D6751.
Materialverträglichkeit und Lagerung
Biodiesel kann vorhandene Ablagerungen in Tanks mobilisieren, die zuvor für Erdölkraftstoff genutzt wurden. Der NREL-Leitfaden zur Handhabung berichtet von verstärkter Sedimentbildung in Kontakt mit Metallen wie Blei, Zinn, Messing, Bronze und Zink. Die Verträglichkeit hängt zudem von den Elastomeren und sonstigen Werkstoffen im Kraftstoffsystem sowie von der verwendeten Mischung ab. Die Eignung von Anlagen und Ausrüstung sollte daher geprüft und nicht allein aufgrund eines niedrigen Mischungsanteils vorausgesetzt werden. Kälteverhalten und Oxidationsstabilität sind wichtige Lagerungsgesichtspunkte, weder ein universeller Temperaturpuffer noch eine einheitliche Lagerdauerzusage gilt für jeden Kraftstoff.
Sicherheitshinweise für Betreiber
Prozesschemische Gefahren und die Eigenschaften des Fertigkraftstoffs sind unterschiedliche Betrachtungsgegenstände. Alkalische Katalysatoren können bei der Lagerung Feuchtigkeit aufnehmen, was ihre Wirksamkeit und die Produktqualität beeinträchtigt. Eine Flammpunktanforderung für den Fertigkraftstoff macht diesen nicht ungefährlich, und Mischungen erfordern eine eigene Bewertung hinsichtlich der Handhabung. Mit Biodiesel getränkte Putzlappen können eine Brandgefahr darstellen, einschließlich Selbsterhitzung, es sind die im Betrieb vorgesehenen Handhabungs- und Entsorgungsverfahren zu verwenden, anstatt eigenständig Wasch- oder Trocknungsverfahren zu improvisieren. Das Personal muss in den verwendeten Chemikalien, den Notfallmaßnahmen und dem ordnungsgemäßen Betrieb der Anlagenausrüstung unterwiesen sein.